教程

1.14 动画 ​

静态图记录某一个时刻，动画则呈现随时间的变化过程。心电图的波形演化、肿瘤体积随疗程的变化、人群感染率的扩散，都是动画适合表达的内容。Matplotlib 的 matplotlib.animation 模块提供 FuncAnimation 与 ArtistAnimation 两种动画构造方式，并支持保存为 GIF、MP4 或 HTML 文件。本节讲解动画的创建、保存、实时更新，以及 blit 加速的原理和中文处理的注意事项。

1.14.1 FuncAnimation 基本用法 ​

FuncAnimation 通过反复调用一个更新函数来逐帧刷新图形。核心参数有 init_func、func、frames、interval、blit：

python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation

fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 4))
x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 100)
line, = ax.plot(x, np.sin(x))
ax.set_ylim(-1.5, 1.5)

def update(frame):
    # frame 从 0 递增，作为相位偏移
    line.set_ydata(np.sin(x + frame / 10))
    return line,

anim = FuncAnimation(fig, update, frames=100, interval=50, blit=True)
plt.show()

各参数的含义：func 是每一帧调用的更新函数，接收当前帧号作为参数，返回要更新的图形对象列表；init_func 是初始帧函数，用于绘制静止的第一帧背景；frames 是帧号序列，可以是整数（自动生成 0 到 N-1）、列表或迭代器；interval 是每帧间隔毫秒数，默认 200；blit 开启后只重绘变化的区域，能明显加速。

func 必须返回可迭代的图形对象列表，即使只有一个对象也要写成 return line,。init_func 可选，配合 blit=True 时提供初始画面，避免第一帧出现空白。

1.14.2 ArtistAnimation 用法 ​

ArtistAnimation 先把每一帧要显示的所有图形对象准备好，再按帧顺序播放，适合帧内容互不相同、难以用更新函数统一描述的场景：

python
from matplotlib.animation import ArtistAnimation
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 4))
ax.set_xlim(0, 2 * np.pi)
ax.set_ylim(-1.5, 1.5)

frames = []
for shift in np.linspace(0, 2 * np.pi, 50):
    # 每帧画一个独立的图形对象并记录
    line, = ax.plot(np.linspace(0, 2 * np.pi, 100),
                    np.sin(np.linspace(0, 2 * np.pi, 100) + shift),
                    color='steelblue')
    frames.append([line])

anim = ArtistAnimation(fig, frames, interval=50, blit=True)
plt.show()

ArtistAnimation(fig, frames) 的 frames 是一个列表，每个元素是一帧的所有图形对象组成的列表。它把每一帧完整地绘制出来再播放，交互性不如 FuncAnimation，但代码结构直观。interval 与 blit 参数含义与 FuncAnimation 相同。

1.14.3 动画写入器与保存 ​

动画可以直接保存为文件。anim.save() 的第一个参数是文件名，扩展名决定格式，配合 writer 指定写入器：

python
# 保存为 GIF，使用 PillowWriter
anim.save('wave.gif', writer='pillow', fps=20)

# 保存为 MP4，使用 FFMpegWriter
anim.save('wave.mp4', writer='ffmpeg', fps=20)

# 保存为 HTML5 视频，使用 HTMLWriter
anim.save('wave.html', writer='html', fps=20)

常用写入器如下表：

写入器对应格式说明
PillowWriterGIF基于 Pillow，安装 Pillow 即可用，无需额外软件
FFMpegWriterMP4、WebM需要系统安装 FFmpeg，画质与压缩率更好
HTMLWriterHTML内嵌为 HTML5 视频，浏览器直接播放

fps 表示每秒帧数，与 interval 的关系是 interval = 1000 / fps。保存时若使用 writer='ffmpeg' 而系统没有安装 FFmpeg，会报错，此时改用 writer='pillow' 或先安装 FFmpeg。GIF 体积较大且颜色数有限，需要高画质时优先保存 MP4。

FancyArrowPatch、动画专用文本等图形对象在保存 GIF 时可能因量化出现色块，属于格式本身的限制。

1.14.4 实时更新与交互模式 ​

不保存文件时，可以让动画在窗口里实时播放。plt.ion() 开启交互模式，绘图命令立即刷新而不阻塞；plt.ioff() 关闭交互模式恢复默认行为。配合 fig.canvas.draw() 与 fig.canvas.flush_events() 手动刷新：

python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

plt.ion()                       # 开启交互模式
fig, ax = plt.subplots()
x = np.linspace(0, 10, 200)
line, = ax.plot(x, np.sin(x))
ax.set_ylim(-1.5, 1.5)

for i in range(200):
    line.set_ydata(np.sin(x + i / 10))
    fig.canvas.draw()           # 重新绘制画布
    fig.canvas.flush_events()   # 处理窗口事件，让画面及时显示
    plt.pause(0.02)             # 暂停，控制刷新节奏

plt.ioff()                      # 关闭交互模式
plt.show()

fig.canvas.draw() 触发一次完整重绘，fig.canvas.flush_events() 让 GUI 事件循环及时处理，两者配合才能让改动即时显示。plt.pause() 在交互模式下暂停指定秒数并刷新窗口，适合做简单的实时演示。注意 draw() 在非交互模式下会阻塞到窗口关闭，因此实时更新必须配合 ion() 使用。

1.14.5 blit 加速原理 ​

blit=True 的核心思想是只重绘发生变化的区域。默认情况下每帧都会重绘整个画布，包括坐标轴、刻度、标题等静止元素；开启 blit 后，Matplotlib 把背景（不变化的元素）渲染成一张位图缓存，每帧只把变化的图形对象贴到对应区域上，省去大量重绘工作。

python
anim = FuncAnimation(fig, update, frames=100, interval=50, blit=True)

使用 blit=True 有两个前提：update 函数必须返回需要更新的图形对象列表；通常要提供 init_func 绘制初始背景，否则第一帧可能是空白。blit 加速在 FuncAnimation 与 ArtistAnimation 上都适用，帧数多、元素复杂的动画提升尤其明显。代价是代码约束更多，且某些动态变化的元素（如坐标轴范围、标题）不会被缓存，需要把它们也放进返回列表或关掉 blit。

1.14.6 中文与字体注意事项 ​

动画保存为图片时同样受字体影响。默认字体不含中文，直接绘制中文会出现方框。两个处理思路：

python
import matplotlib.pyplot as plt

# 方法一：设置支持中文的字体
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei', 'Microsoft YaHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False   # 修正负号显示为方块的问题

方法二是使用 matplotlib.font_manager 指定一个中文字体文件并注册。中文字体体积较大，GIF 或 MP4 每帧都要渲染文字，动画帧数多时文字区域会成为性能瓶颈。动画中的中文应尽量精简，标题与坐标轴标签保持简短，动态更新的文本（如实时数值）数量不要太多，避免逐帧重绘文字拖慢速度。

保存 GIF 时文字边缘可能出现锯齿或色块，这是 GIF 256 色调色板导致的，需要清晰文字时改用 MP4 或 HTML 输出。

练习题 ​

第1题 概念理解 ​

说明 FuncAnimation 的 func、frames、interval、blit 四个参数各自的作用；说明 blit=True 的加速原理；说明保存 MP4 需要的条件。

参考答案

func 是每帧调用的更新函数，frames 提供帧号序列，interval 是帧间隔毫秒数，blit 控制是否只重绘变化区域。blit=True 时背景被缓存为位图，每帧只贴更新区域，省去整幅重绘。保存 MP4 需要系统安装 FFmpeg，并用 writer='ffmpeg' 或 writer=FFMpegWriter(...) 指定写入器。

第2题 代码编写 ​

用 FuncAnimation 制作一个正弦波动画，相位随帧号变化，设置 interval=50 与 blit=True，提供 init_func 绘制初始背景，并保存为 GIF 文件。

参考答案
python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation

x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 100)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 4))
line, = ax.plot([], [], color='steelblue')
ax.set_xlim(0, 2 * np.pi)
ax.set_ylim(-1.5, 1.5)
ax.set_xlabel('时间')
ax.set_ylabel('振幅')

def init():
    line.set_data([], [])
    return line,

def update(frame):
    line.set_data(x, np.sin(x + frame / 10))
    return line,

anim = FuncAnimation(fig, update, init_func=init,
                     frames=100, interval=50, blit=True)
anim.save('sine_wave.gif', writer='pillow', fps=20)
plt.show()

第3题 进阶练习 ​

用 ArtistAnimation 制作逐帧展示的正弦波动画并保存为 MP4；随后用 plt.ion() 编写一个实时更新的动画循环，每帧更新数据后调用 fig.canvas.draw() 与 fig.canvas.flush_events()，最后用 plt.ioff() 关闭交互模式。

参考答案
python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import ArtistAnimation

# ArtistAnimation 逐帧展示
x = np.linspace(0, 2 * np.pi, 100)
fig, ax = plt.subplots(figsize=(7, 4))
ax.set_xlim(0, 2 * np.pi)
ax.set_ylim(-1.5, 1.5)

frames = []
for phase in np.linspace(0, 2 * np.pi, 40):
    line, = ax.plot(x, np.sin(x + phase), color='steelblue')
    frames.append([line])

anim = ArtistAnimation(fig, frames, interval=60)
anim.save('sine_wave.mp4', writer='ffmpeg', fps=20)

# 实时更新循环
plt.ion()
fig2, ax2 = plt.subplots()
line2, = ax2.plot(x, np.sin(x))
ax2.set_ylim(-1.5, 1.5)
for i in range(60):
    line2.set_ydata(np.sin(x + i / 8))
    fig2.canvas.draw()
    fig2.canvas.flush_events()
    plt.pause(0.05)
plt.ioff()
plt.show()

常见错误 ​

错误 1 · anim.save('file.mp4', writer='ffmpeg') 报找不到 FFmpeg

原因:系统没有安装 FFmpeg，或可执行文件不在 PATH 中。

解决:安装 FFmpeg 并加入 PATH，或改用 writer='pillow' 保存为 GIF，或用 writer='html' 保存为 HTML 视频。

错误 2 · FuncAnimation 的更新函数报 TypeError

原因:update 返回值不是可迭代对象，例如写成 return line。

解决:返回列表或元组，写成 return line,。

错误 3 · 开启 blit=True 后第一帧空白或元素不更新

原因:没有提供 init_func 绘制初始背景，或变化的元素没有放进返回列表。

解决:提供 init_func 并让它返回全部初始元素；把需要更新的对象都放进 update 的返回值。

错误 4 · 实时循环里窗口卡住不刷新

原因:只调用了 set_ydata 没有重绘，或 ion() 没有开启。

解决:在循环里调用 fig.canvas.draw() 与 fig.canvas.flush_events()，并先用 plt.ion() 开启交互模式。

错误 5 · 动画里的中文显示为方框

原因:默认字体不含中文字形。

解决:设置 plt.rcParams['font.sans-serif'] 为中文字体，并设置 plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False 修正负号显示。