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Tradução da pergunta que fiz no SO:

Eu tenho uma função escalar que representa o potencial elétrico numa superfície esférica. Quero plotar , para um dado raio, a superfície e mapear seus pontos a cores baseado na função potencial.

Como posso mapear tal função à superfície? Suspeito que tenha haver com os argumentos passados à função ax.plot_surface. Tentei usar o argumento: facecolors=potencial(x,y,z), ma recebi ValueError: Invalid RGBA argument. Olhando no código fonte do terceiro exemplo, há:

# Create an empty array of strings with the same shape as the meshgrid, and
# populate it with two colors in a checkerboard pattern.
colortuple = ('y', 'b')
colors = np.empty(X.shape, dtype=str)
for y in range(ylen):
    for x in range(xlen):
        colors[x, y] = colortuple[(x + y) % len(colortuple)]

Que eu não entendi, nem tenho ideia de como linkar com uma função escalar.

Meu código

from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import cm
import numpy as np
from scipy import special    

def potencial(x,y,z, a=1., v=1.):
    r = np.sqrt( np.square(x) + np.square(y) + np.square(z) )    
    p = r/z #cos(theta)
    asr = a/r
    s=0
    s += np.polyval(special.legendre(1), x) * 3/2*np.power(asr, 2)
    s += np.polyval(special.legendre(3), x) * -7/8*np.power(asr, 4)
    s += np.polyval(special.legendre(5), x) * 11/16*np.power(asr, 6)    
    return v*s

# criar dados
def sphere_surface(r):
    u = np.linspace(0, 2 * np.pi, 100)
    v = np.linspace(0, np.pi, 100)
    x = r * np.outer(np.cos(u), np.sin(v))
    y = r * np.outer(np.sin(u), np.sin(v))
    z = r * np.outer(np.ones(np.size(u)), np.cos(v))
    return x,y,z

x,y,z = sphere_surface(1.5)

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
# Plotar a superficie
surf = ax.plot_surface(x,y,z, cmap=cm.coolwarm,
                       linewidth=0, antialiased=False)
fig.colorbar(surf, shrink=0.5, aspect=5)
# Está mapeado aos valores do eixo-z

ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()

1 Resposta 1

1

Resposta traduzida (original):

Em princípio há duas maneiras de colorir um plot de superfície no matplotlib.

  1. Usar o argumento cmap para especificar um colormap. Neste caso a cor será escolhida de acordo com o array z. Neste caso isto não é desejado,
  2. Usar o argumento facecolors. Ele espera um array de cores da mesma forma (shape) que z.

Portanto, neste caso precisamos escolher a opção 2 e construir um array de cores. Para este fim, pode-se escolher um colormap. Um colormap mapeia valores entre 0 e 1 a uma cor. Como o potencial tem valores muito acima e abaixo deste intervalo, é preciso normalizá-lo para o intervalo [0,1]. Matplotlib já providencia uma função de ajuda para fazer esta normalização e como o potencial tem uma dependência 1/x, uma escala de cores logarítmica pode ser adequada.

No final as facecolors podem ser dadas por um array

colors = cmap(norm(potential(...)))

A parte que falta agora é a barra de cores (colorbar). Para que ela seja linkada às cores do plot de superfície, precisamos, manualmente, montar um ScalarMappable com o colormap e a instância de normalização, o qual podemos então fornecer ao colorbar.

sm = plt.cm.ScalarMappable(cmap=plt.cm.coolwarm, norm=norm)
sm.set_array(pot)
fig.colorbar(sm, shrink=0.5, aspect=5)

Aqui está um exemplo completo

from __future__ import division
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.colors
import numpy as np
from scipy import special    

def potencial(x,y,z, a=1., v=1.):
    r = np.sqrt( np.square(x) + np.square(y) + np.square(z) )    
    p = z/r #cos(theta)
    asr = a/r
    s=0
    s += np.polyval(special.legendre(1), p) * 3/2*np.power(asr, 2)
    s += np.polyval(special.legendre(3), p) * -7/8*np.power(asr, 4)
    s += np.polyval(special.legendre(5), p) * 11/16*np.power(asr, 6)    
    return v*s

# Make data
def sphere_surface(r):
    u = np.linspace(0, 2 * np.pi, 100)
    v = np.linspace(0, np.pi, 100)
    x = r * np.outer(np.cos(u), np.sin(v))
    y = r * np.outer(np.sin(u), np.sin(v))
    z = r * np.outer(np.ones(np.size(u)), np.cos(v))
    return x,y,z

x,y,z = sphere_surface(1.5)
pot = potencial(x,y,z)


norm=matplotlib.colors.SymLogNorm(1,vmin=pot.min(),vmax=pot.max())
colors=plt.cm.coolwarm(norm(pot))

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
# Plot the surface
surf = ax.plot_surface(x,y,z, facecolors=colors,
                       linewidth=0, antialiased=False)
# Set up colorbar
sm = plt.cm.ScalarMappable(cmap=plt.cm.coolwarm, norm=norm)
sm.set_array(pot)
fig.colorbar(sm, shrink=0.5, aspect=5)


ax.set_xlabel("x")
ax.set_ylabel("y")
ax.set_zlabel("z")
plt.show()

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