PyVista Python入门

PyVista 是一个免费的 Python 库，用于 3D 绘图和网格分析。它通过可视化和分析使复杂的、高级的 3D 数据对所有人都可以访问。因此，PyVista 赋能来自各行各业的研究人员、工程师以及各界专业人士，让他们能够更清晰、更高效地以图形方式探索和更好地解读数据。

这是一个高效且通用的库，应用于计算流体动力学、结构分析和医学成像等领域。以计算流体动力学为例，PyVista 可视化复杂模拟中的流动模式和湍流；而在医学成像中，它用于显示解剖结构的 3D 重建，从而在诊断和研究工作中提供很大帮助。

PyVista 能够与其他 Python 包直接无缝连接，因此在快速开发复杂的可视化工作流方面非常高效。它有助于科学研究、工程设计以及从航空航天到医疗保健等各个行业企业的决策过程。它在其中扮演着至关重要的角色。

PyVista 的一些主要特点

它充满了强大的功能，PyVista 之所以成为 3D 数据可视化和分析中不可或缺的工具，也是因为它拥有如此强大的功能。下面列出的一些主要关键功能是其总结：

1. 直观且用户友好的 API
   PyVista 进一步提供了一个交互式的高级 API，非常易于使用且灵活。可视化工具包中许多复杂的细节被抽象出来，支持用户进行非常复杂的 3D 可视化，代码量更少，花费的时间也更少，即使是复杂的构建可视化的新手用户也可以更快地生成可视化。
2. 广泛的网格支持
   由于支持各种网格类型，PyVista 可用于各种应用。一些支持包括结构化网格、非结构化网格、点云和表面网格。对如此广泛的网格类型和多样性的支持，确保了 PyVista 在几何形状、模拟数据和扫描的 3D 模型等领域的使用顺畅无阻。
3. 交互式和动态绘图
   它可以创建交互式 3D 图。通过 Jupyter Notebook 集成，用户可以在浏览器界面内创建高度交互的可视化。这些图允许用户实时探索数据并进行可能的实时操作，从而提高对数据的理解并基于数据做出更好的决策。
4. 强大的数据处理和分析工具
   PyVista 不仅仅是一个可视化库，它还配备了一套强大的数据处理工具。您可以直接在库内进行数据处理、过滤，甚至直接分析。这使其成为处理 3D 数据的全包式解决方案，从预处理到更复杂的分析。

安装 PyVista

PyVista 库已安装在系统中，用于 3D 可视化和数据分析。安装该库非常简单，可以使用 Python 内置的包管理器 pip 来完成。

以下是安装 PyVista 的分步说明：

1. 准备环境： 要安装该库，请确保首先安装 Python。如果您的系统未安装 Python，请从官方 Python 网站下载并安装。您也可以使用虚拟环境来保持依赖项的组织性，并避免与其他项目发生冲突。

2. 安装 PyVista： 打开终端或命令提示符，然后键入以下命令：

3. 安装完成后，您可以通过打开 Python 环境并运行以下代码来检查安装情况：

代码

如果命令运行没有错误并打印出 PyVista 的已安装版本，则表示该库已成功安装。

4. 附加依赖项： 虽然 PyVista 本身已准备就绪，但某些功能可能需要额外的包，例如 numpy、matplotlib 或 pyvistaqt，以实现高级绘图功能。您可以使用 pip 命令进行安装：

安装 PyVista 后，您就可以轻松创建 3D 可视化并执行高级网格分析了。

PyVista 的用途

1. 使用 PyVista 进行 3D 可视化

PyVista 是一个帮助用户创建 3D 图和可视化的工具，它将复杂的数据集转化为清晰的图形表示。这对于处理复杂 3D 数据的研究人员、工程师和专业人士来说非常有用，因为它能够轻松地探索和理解多维信息。

使用 PyVista，用户可以绘制详细的 3D 图，具有缩放、平移和旋转等功能，从而提供更多数据洞察。PyVista 抽象了许多 3D 可视化的复杂性，即使是那些在高级可视化技术方面经验很少的用户也能轻松使用。

2. 网格分析和操作

PyVista 使用户能够高效地加载、处理和分析各种网格数据。它提供了可以执行高级操作的功能，例如网格抽取（decimation），该功能可以在保留重要特征的同时减少网格的多边形数量。该应用程序对于优化用于可视化或模拟目的的 3D 模型特别有用。还可以通过 PyVista 执行平滑操作，从而允许用户通过消除粗糙度或噪声来细化网格表面，以提高可视化质量和模型准确性。网格特征提取是该库的另一项功能，从中可以轻松提取或理解网格的特定特征或特定区域。因此，PyVista 是处理和操作复杂 3D 数据集的通用工具，广泛应用于 计算几何、工程和 计算机图形学 领域。

3. 有限元分析 (FEA)

工程师使用 PyVista 有效地可视化 有限元分析 (FEA) 模拟的结果，从而深入了解复杂系统在各种情况下的行为。PyVista 能够在复杂的 3D 模型上直接显示关键模拟输出，例如应力分布、应变、场和变形模式。这些可视化有助于工程师解释组件对施加力的结构响应，识别潜在的薄弱点，并优化设计以提高性能。凭借其直观的界面和强大的绘图功能，PyVista 可以轻松地将原始 FEA 数据处理并转换为有意义的、交互式的视觉表示，使其成为结构分析、产品设计和工程研究的宝贵工具。

4. 计算流体动力学 (CFD)

PyVista 被广泛用于可视化流体流动模拟，它提供了强大的工具来表示和分析复杂的 计算流体动力学 (CFD) 数据，使用户能够以图形方式显示速度场、压力分布和其他关键流动参数，从而易于理解和解释模拟结果。工程师和研究人员可以利用 PyVista 软件包生成 3D 动态、实时和交互式的动画，以表示最复杂性质的精细流动模式、湍流和边界相互作用。此功能在设计优化领域至关重要，尤其是在空气动力学、水动力学甚至热力学系统方面。因此，将这些原始模拟转化为清晰而详细的视觉呈现，使得在 CFD 研究中诊断问题和验证模型更加容易。

5. 教育目的

它也是一个非常有价值的教育工具，因为学生可以通过 PyVista 提供的动态、交互式 3D 可视化来学习和理解复杂维度的概念。教师有机会更容易地与学生讨论或解释复杂的理论，例如物理学和工程学、流体力学、结构力学等。

在 Python 中实现 PyVista

在本节中，我们将演示如何使用 PyVista 库创建和绘制一个简单的 3D 球体。一切都始于 Sphere() 函数，该函数创建一个 3D 球体对象，并接受您可能需要进一步自定义的参数，包括半径和分辨率。创建球体后，它与 Plotter() 函数一起用于初始化视觉环境和设置绘图界面。然后，add_mesh() 函数用于将球体对象“粘合”到绘图环境中。此类函数允许许多自定义选项，包括能够指定球体的颜色和其他样式选项。之后，调用 show() 函数来渲染可视化，并在交互式窗口中显示 3D 球体。此工作流程展示了 PyVista 在最少的精力下提供制作、自定义和拥有 3D 几何形状的能力，从而不仅在计算几何或教育特定领域，而且在科学研究中也具有可视化和分析能力。

示例 1

输出

说明

上面的代码展示了如何使用 PyVista 库创建和可视化一个简单的 3D 球体。首先，导入 pyvista 模块。然后使用 pv.Sphere() 生成一个球体对象，该对象创建一个球体的 3D 网格表示。pv.Plotter() 初始化一个用于显示 3D 可视化的绘图环境。使用 add_mesh() 方法将球体网格添加到 Plotter 中，并将颜色设置为“lightblue”以提高美观性。

让我们使用 Python 中的 PyVista 创建一个 3D 立方体。

示例 2

输出

说明

用于创建和可视化 3D 立方体的代码。首先，导入 PyVista 模块，该模块允许访问其强大的 3D 可视化功能。使用 pv.Cube() 函数创建了一个 3D 立方体对象，该函数生成了一个简单的立方体模型。此立方体存储在变量名 cube_model 中。接下来，使用 pv.Plotter() 初始化一个绘图器对象，该函数为渲染 3D 对象提供了一个画布。通过 add_mesh() 方法将立方体添加到 Plotter 中，并添加了自定义的立方体颜色。最后，visualization.show() 命令会在一个交互式窗口中显示 3D 可视化，用户可以在其中旋转、缩放和探索立方体。

示例 3

输出

说明

此代码用于使用 PyVista 库创建和可视化 3D 玩具火箭。火箭由几个几何组件构成。火箭的主体建模为一个圆柱体（pv.Cylinder），其中心位于原点，垂直方向，半径为 0.5，高度为 2。使用锥体（pv.Cone）生成火箭的顶部，其中心位于 (0,0,1.5)，垂直方向，高度为 1，半径为 0.5。四片尾翼被可视化为小盒子（pv.Box），具有特定的边界，以模拟它们在火箭底部周围的位置。这些组件被整合到一个 pv.MultiBlock 对象中，该对象允许有组织地分组火箭的所有部件。使用 visualization 初始化一个 pv.Plotter() 对象。火箭的每个组件都使用 add_mesh() 方法添加到 Plotter 中，该方法指定了不同的颜色：火箭主体为银色，锥形顶为红色，所有尾翼为蓝色。使用平滑着色来提高形状的美学质量。总体而言，plotPlotterw() 函数在交互式窗口中渲染 3D 模型，用户可以通过旋转、缩放和平移来探索模型。

使用 PyVista 的优点

1. 用户友好的 API： PyVista 允许以最少的编码量获得复杂的视觉效果和见解，从而使该库更易于使用。这不仅使初学者容易使用该库，而且提高了熟练用户的生产力。
2. 全面的网格支持： 该库支持多种网格类型，包括结构化网格、非结构化网格、点云和表面网格。借助 PyVista 提供的多功能性，您可以处理复杂几何形状和数据表示，这使得其在有限元分析、计算流体动力学、3D 建模和科学可视化等领域具有更广泛的应用。无论您是处理基于规则的网格数据还是不规则、分散的点数据集，该框架都提供了有效处理、分析和可视化它们的工具。
3. 交互式绘图： 它与 Jupyter Notebook 集成，可以直接在 notebook 环境中进行交互式数据探索和可视化。这将使用户能够在同一个界面中集成代码、视觉输出和解释性文本；因此，它在原型设计、教学和数据分析工作流程中是一个出色的工具。通过这种方式，Jupyter 的交互式用户可以动态修改参数，实时可视化其结果，从而通过简单但非常直观的体验从其数据中获得洞察。
4. 强大的数据处理： 提供了一套详细的数据处理、过滤和分析工具，能够高效地处理和探索 3D 数据集。这些工具通过提供直观的方法来编辑、精炼和提取复杂 3D 数据中的有意义的见解，从而实现了工作流程的平滑，使得从许多不同应用程序中进行空间信息的分析和解释。
5. 应用广泛： PyVista 被用于许多应用，例如计算流体动力学、医学成像、有限元分析 和教育。在计算流体动力学方面，它可视化流动模式和模拟；而在医学成像方面，它有助于解释和分析复杂的解剖结构。有限元分析可用于分析应力分布和材料行为，从而深入了解工程设计。它还提供了一个强大的教育工具，并通过生动的 3D 可视化来增进对科学和数学概念的理解。