👨🏾‍🤝‍👨🏽 🔻 💖 Gnuplotとそれが何と一緒に食べられるか 🤜 🚉 🎶

確かに、西洋の科学出版物をめくっている多くの人は、美しくシンプルなグラフィックを見てきました。おそらくあなた方の何人かは、これらの専門家が彼らのデータを視覚化するのか疑問に思っているでしょう。そして今、ゴージャスで非常にシンプルなグラフ作成ツールがあります。これは、Windows、linux、androidなど、ほぼすべての場所にあります。DOSでも存在すると確信しています。信頼性が高く、シンプルで、テキスト表形式のデータを美しいグラフの形式で表示できます。

なぜgnuplot？

私の記事「複数のLTEモデムでの同時スピードテスト」、「調和振動」、「ハードウェアランダムナンバージェネレーターの作成」をすでに読んでいる場合は、美しいグラフに気づいたかもしれません。

ランダム番号ジェネレーターに関する投稿からのグラフ

speetestモデムに関する投稿からの写真

グラフはシンプルでかっこいいです。gnuplotの最も価値のある利点は、それらをプロットするために、生データを含むテキストファイル、お気に入りのOS（OpenWRT）のgnuplot、およびお気に入りのテストエディター~~vim~~のみが必要なことです。

一見すると、gnuplotはMSExcelよりもプロットに使用するのが難しいように思われるかもしれません。しかし、そのように見えるだけで、エントリのしきい値は少し高くなります（マウスを使用してクリックすることはできません。ここのドキュメントを読む必要があります）が、実際にははるかに簡単で便利です。私は一度スクリプトを書き、それをずっと使ってきました。すべてが論理的ではないExelでグラフをプロットすることは、gnuplotよりもはるかに困難です。また、gnuplotの主な利点は、プログラムに埋め込んでデータをその場で視覚化できることです。また、問題なくgnuplotは、統計データの30ギガバイトのファイルからグラフを作成しますが、Exelは単にクラッシュし、それを開くことができませんでした。

gnuplotの利点には、標準のプログラミング言語のコードに簡単に統合できるという事実が含まれます。多くの言語用の既製のライブラリがあります、私は個人的にphpとpythonに出くわしました。したがって、プログラムから直接グラフを生成できます。

たとえば、私の親友は、彼女が論文を書いていたときに、gnuplotを習得したと言います（私の提案で）。彼女は決して技術者ではありませんが、ある夜にそれを理解しました。その後、彼女はそこでのみチャートを作成し、彼女の仕事のレベルは、Excelを使用している同僚の背景と比べて好意的に異なり始めました。私個人としては、科学的研究の質の高さを示す指標は、専門的なプログラムによって作成されたグラフです。

したがって、gnuplotはシンプルで、アクセスしやすく、美しいものです。さらに進んでみましょう。

Gnuplot-アプリケーション

gnuplotを操作するには、コマンドモードとスクリプト実行モードの2つの方法があります。 2番目のモードは最も便利で最速なので、すぐに使用することをお勧めします。また、機能は全く同じです。

ただし、最初に、コマンドモードでgnuplotを実行します。コマンドラインから、またはOSで使用可能な方法でgnuplotを実行します。この記事を読んでも、最初のヘルプコマンドからトレーニングを開始できます。彼女はゴージャスなヘルプを表示し、あなたはそれをさらに進めることができます。ただし、ハイライトについては説明します。

グラフは、plotコマンドによってプロットされます。コマンドパラメータとして、関数またはデータファイルの名前を指定できます。使用するデータの列、ドットの接続方法、ドットの表示方法なども同様です。説明しましょう。

gnuplot> plot sin(x)

コマンドを実行すると、デフォルトの署名が付いたサイングラフが表示されるウィンドウが開きます。このグラフを改善し、同時にいくつかの追加オプションを見つけましょう。

軸に署名しましょう。

set xlabel "X"

横軸のラベルを指定します。

set ylabel "Y"

縦軸のラベルを指定します。

グラフが作成される場所を示すグリッドを追加しましょう。

set grid

縦軸の正弦波がグラフの端にあるという事実が好きではないので、グラフが制限される値の制限を設定します。

set yrange [-1.1:1.1]

したがって、グラフは最小値の-1.1から最大値の1.1まで描画されます。

同様に、正弦波の1つの周期だけが表示されるように、横軸の範囲を設定します。

set xrange[-pi:pi]

すべてがFengShuiになるように、スケジュールにタイトルを追加する必要があります。

set title "Gnuplot for habr" font "Helvetica Bold, 20"

フォントとそのサイズを設定できることに注意してください。使用できるフォントについては、gnuplotのドキュメントを参照してください。

そして最後に、グラフのサインに加えて、コサインを描き、線種と色を設定しましょう。また、凡例を追加します。何を描いているのでしょうか。

plot sin(x) title "sinux" lc rgb "red", cos(x)  title "cosinus" lc rgb "green"

ここでは、1つのキャンバスに赤と緑の2つのグラフを描画します。一般に、線（点線、ストローク、実線）、線幅、色には多くのオプションがあります。ポイントの種類だけでなく。私の目標は、可能性の範囲を示すことだけです。すべてのコマンドを1つの山にまとめて、順番に実行してみましょう。以前の設定をリセットするには、resetと入力します。

reset
set xlabel "X" 
set ylabel "Y"
set grid
set yrange [-1.1:1.1]
set xrange[-pi:pi]
set title "Gnuplot for habr" font "Helvetica Bold, 20"
plot sin(x) title "sinux"  lc rgb "red", cos(x)  title "cosinus" lc rgb "green"

その結果、私たちはまさにそのような美しさを手に入れます。

科学雑誌にスケジュールを掲載することはもはや恥ではありません。

私の後で正直にこれをすべて繰り返した場合、コピーする場合でも、毎回手動で入力することは、どういうわけか間違いではないことに気づいたかもしれません。しかし、これは既製のスクリプトですか？やってみよう！

exitコマンドでコマンドモードを終了し、ファイルを作成します。

vim testsin.gpi

#! /usr/bin/gnuplot -persist
set xlabel "X" 
set ylabel "Y"
set grid
set yrange [-1.1:1.1]
set xrange[-pi:pi]
set title "Gnuplot for habr" font "Helvetica Bold, 20"
plot sin(x) title "sinux"  lc rgb "red", cos(x)  title "cosinus" lc rgb "green"

実行可能にして実行します。~~さて、vimを終了する方法を忘れないでください。~~

chmod +x testsin.gpi
./testsin.gpi

その結果、チャートと同じウィンドウが表示されます。タイトルに「-persist」を追加しない場合、スクリプトの実行後にウィンドウが自動的に閉じます。

ただし、ウィンドウを作成する必要はあまりない場合が多く、ウィンドウを使用すると必ずしも便利であるとは限りません。また、GUIがなくてもオペレーティングシステムで作業できます。多くの場合、グラフィックファイルを受信する必要があります。個人的には、ポストスクリプトベクトル形式が好きです。ポイントが多いと、品質を損なうことなくグラフのさまざまな部分を拡大できるからです。また、Linuxのビューアは、ポストスクリプトファイルが変更されると、グラフでウィンドウを自動的に更新します。これも非常に便利です。

画面ではなくファイルにデータを出力するには、端末を再割り当てする必要があります。

set terminal png size 800, 600
set output "result.png"

ご想像のとおり、ファイルの種類と解像度を示してから、ファイル名を示します。これらの2行をスクリプトの先頭に追加すると、この画像が現在のフォルダーに表示されます。

postscriptに保存するには、次のコマンドを使用する必要があります。

set terminal postscript eps enhanced color solid
set output "result.ps"

実際のデータ

シネ、コシネは確かに描くのがクールですが、それでも実際のデータを描くことははるかに興味深いです！私が記事を書いた最近のタスク、つまり長期間にわたるインターネット速度のグラフを表示することを思い出させてください。データ形式は以下のとおりです。

オペレーター; ＃テスト; 日付; 時間; 調整; Mb / sをダウンロードします。Mb / sをアップロードします。ping; Testserver

Rostelecom; 0; 05/21/2020; 09：56：00; NA、NA; 3.7877656948451692; 5.231226008184113; 132.227; MaximaTelecom（モスクワ）[0.12 km]：132.227 ms

Rostelecom; 1; 05/21/2020; 10：01：02; NA、NA; 5.274994541394363; 5.1088572634075815; 127.52; MaximaTelecom（モスクワ）[0.12 km]：127.52 ms

Rostelecom; 2; 05.21.2020; 10：04：35; NA、NA; 3.61044819424076; 4.624132180211938; 135.456; MaximaTe 0.12 km]：135.456ミリ秒

区切り文字としてセミコロンがあることがわかります。ダウンロード速度、時間に応じたアップロード速度を表示する必要があります。さらに、日付と時刻に注意を払うと、異なる列に表示されます。それでは、どうやってこれを回避したかを説明します。グラフを作成したスクリプトをすぐに引用します。

#! /usr/bin/gnuplot -persist
set terminal postscript eps enhanced color solid
set output "Rostelecom.ps"

#set terminal png size 1024, 768
#set output "Rostelecom.png"
 
set datafile separator ';'
set grid xtics ytics
set xdata time
set timefmt '%d.%m.%Y;%H:%M:%S'

set ylabel "Speed Mb/s"
set xlabel 'Time'
set title "Rostelecom Speed"

plot "Rostelecom.csv" using 3:6 with lines title "Download", '' using 3:7 with lines title "Upload"
 
set title "Rostelecom 2 Ping"
set ylabel "Ping ms"
plot "Rostelecom.csv" using 3:8 with lines title "Ping"

ファイルの先頭に、postscript出力ファイル（または必要に応じてpng）を設定します。

データファイルセパレータを設定します ';' -区切り文字を設定します。デフォルトでは、列はスペースで区切られていますが、csvファイルには多くの区切りオプションがあり、それらすべてを使用できるはずです。

set grid xtics ytics-グリッドを設定します（グリッドは1つの軸に沿ってのみ設定できます）。

xdata時間を設定することは重要なポイントです。X軸上でデータ形式が時間になるという事実について話しています。

set timefmt '％d。％m。％Y;％H：％M：％S'-時間データ形式を設定します。時間形式には列区切り文字（ ";"）が含まれているため、2列を1列として扱いますのでご注意ください。

軸とグラフのラベルを設定します。次に、グラフを作成します。

3：6を使用して「Download」という行タイトルで「Rostelecom.csv」をプロットし、「3：7を行タイトル「Upload」で使用して」 -ダウンロード速度とアップロード速度の両方を1つのグラフにプロットします。3：6を使用すると、ソースデータファイルの列番号が作成されます（X：Y）。

次に、同じ方法でpingグラフをプロットします。結果のグラフは次のようになります。

これは追記のスクリーンショットです。グラフの直線は、データのギャップがあるためです。これは、プロットの非常に現実的な例です。

そして3D ???

3Dが必要ですか？私はそれらを持つ！

私は長い間、どのような3次元グラフィックスの例を示すべきかを考えていましたが、画像を視覚化すること以上のことは思いつきませんでした。実際、本質的に、画像は3次元グラフであり、ピクセルの明るさはz座標です。それでは、ちょっとしたフーリガンをプレイしましょう。

アインシュタインの最も有名な写真を撮ります。

そして、それからグラフを作成しましょう。これを行うには、それをpgm ASCII形式に変換し、すべてのスペースを削除して、このような単純なコマンドで新しい行に置き換えます。

convert Einstein.jpg  -compress none pgm:- | tr -s '\012\015' ' '  | tr -s ' ' '\012'> outfile.pgm

ここで何が起こっているのかわからない人のために、私は説明します：imagemagicを使用して画像をpgm形式に変換し、次にtrを使用してキャリッジリターンをスペースへの新しい行に置き換え、次にすべてのスペースをキャリッジリターンに置き換えてすべてをoutfileに保存します。 pgm。難しい人は誰でもgimpでファイルを開き、pgm-ASCIIとしてエクスポートできます。

その後、お気に入りのエディター~~vimで~~結果のファイルを開き、タイトルを削除します。私の場合、これらは最初の3行です。タイトルからファイルの解像度を確認することを忘れないでください。この場合は325x408ピクセルでした。以上で、Z座標のテキストファイルができました！ここでのタスクは、X座標とY座標を追加することです。このために、これらすべてをPythonスクリプトで実行します。

f = open('outfile.pgm')
for x in range(408):
	for y in range(325):
		line = f.readline()
		print ('%d %d %s' % (x, y, line)),
f.close()

これをconvert.pyとして保存し、次を実行します。

python convert.py > res.txt

これで、res.txtにはEinsteinの座標が含まれています...うーん、というか、彼の画像の座標です。まあ、一般的に、あなたはアイデアを得る:)。

...

406 317 60

406 318 54

406 319 30

406 320 41

406 321 84

406 322 101

406 323 112

406 324 119

407 0 128

407 1 53

407 2 89

407 3 95

407 4 87

...

サンプルファイル。

この美しさを構築するためのスクリプトは次のようになります。

#! /usr/bin/gnuplot -persist
#set terminal png size 1024, 768
#set output "result.png"
#set grid xtics ytics

#set terminal postscript eps enhanced color solid
#set output "result.ps"

set title "Albert Einstein"
set palette gray
set hidden3d
set pm3d at bs
set dgrid3d 100,100 qnorm 2
set xlabel "X" font "Helvetica Bold	,18"
set ylabel "Y" rotate by 90 font "Helvetica Bold	,18"
set zlabel "Z" font "Helvetica Bold	,18"

set xrange [0:408]
set yrange [0:325]
set zrange [-256:256]
unset key 
splot "./res.txt" with l

スクリプトを解析する前に、これを繰り返す場合は、コマンドモードでスクリプト行を実行して、マウスでチャートを回転できるようにすることを強くお勧めします（もちろん、設定された端末を指定せずに）。とてもかっこいいです！

まず、出力データタイプとデータ境界を設定します。境界線は画像のサイズに応じて設定され、さらに下からZ軸に沿って256文字の間隔を空けて、画像の投影が見えるようにします。次に、グラフの先頭に移動し、軸にラベルを付けます。 unset keyコマンドを使用する-凡例を無効にします（チャートでは必要ありません）。そして、ここに本当の魔法がやってくる！

パレットを灰色に設定-パレットを設定します。デフォルトのままにすると、グラフはサーマルイメージャーのように色付けされます。スポットが高いほど黄色が強くなり、赤が暗くなります。

hidden3dを設定する-曲面を引っ張る（線を取り除く）ように、美しい凸面を形成します。

set pm3d atbs-グリッド座標と色でデータを描画する3Dデータ描画スタイルをオンにします。ドキュメントで詳細を読んでください。より詳細な説明は記事の範囲を超えています。

set dgrid3d 100,100 qnorm 2-グリッドセルのサイズを100x100に設定し、セル間のアンチエイリアシングを設定します。値100x100はすでに非常に大きく、プログラムは非常に低速です。 qnorm 2はアンチエイリアシング（セル間のデータ補間）です。

"./res.txt"をlでプロット-結果のグラフを描画します。「withl」は、線でグラフを描くことを意味します。ポイントがグラフに表示されるため、これは小さなハックです（小さなポイントを設定できます）。

打ち上げ後、しばらく待つと、多角形の「浅浮き彫り」が得られます。設定を試して、他のレンダリングオプションを取得してみてください。

回転後、画像はコマンドモードになります。

逸話がすぐに思い浮かびます。

レーニン広場を見つける方法は？

教育を受けていない人だけがこの質問に答えます。レーニンの高さにレーニンの幅を掛ける必要があるということです。

教育を受けた人は、表面上で積分を取ることを知っています。

プログラムでgnuplotを使用する

この例は、私のマイナーな変更を加えたスタックオーバーフローから取られています。

このコードはテキストファイルを生成し、常にグラフを再構築します。記事が破れないようにスポイラーの下にコードを添付します。

gnuplotを使用したサンプルCコード

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>


float s=10.;
float r=28.;
float b=8.0/3.0;
/* Definimos las funciones */
float f(float x,float y,float z){
    return s*(y-x);
}
float g(float x,float y,float z){
    return x*(r-z)-y;
}
float h(float x,float y,float z){
    return x*y-b*z;
}
FILE *output;
FILE *gp;

int main(){
    gp = popen("gnuplot -","w");
    output = fopen("lorenzgplot.dat","w");
    float t=0.; 
    float dt=0.01;
    float tf=30;
    float x=3.;
    float y=2.;
    float z=0.;
    float k1x,k1y,k1z, k2x,k2y,k2z,k3x,k3y,k3z,k4x,k4y,k4z;
    fprintf(output,"%f %f %f \n",x,y,z);
    fprintf(gp, "splot './lorenzgplot.dat' with lines \n");
/* Ahora Runge Kutta de orden 4 */  
    while(t<tf){
        /* RK4 paso 1 */
        k1x = f(x,y,z)*dt;
        k1y = g(x,y,z)*dt;
        k1z = h(x,y,z)*dt;
        /* RK4 paso 2 */
        k2x = f(x+0.5*k1x,y+0.5*k1y,z+0.5*k1z)*dt;
        k2y = g(x+0.5*k1x,y+0.5*k1y,z+0.5*k1z)*dt;
        k2z = h(x+0.5*k1x,y+0.5*k1y,z+0.5*k1z)*dt;
        /* RK4 paso 3 */
        k3x = f(x+0.5*k2x,y+0.5*k2y,z+0.5*k2z)*dt;
        k3y = g(x+0.5*k2x,y+0.5*k2y,z+0.5*k2z)*dt;
        k3z = h(x+0.5*k2x,y+0.5*k2y,z+0.5*k2z)*dt;
        /* RK4 paso 4 */
        k4x = f(x+k3x,y+k3y,z+k3z)*dt;
        k4y = g(x+k3x,y+k3y,z+k3z)*dt;
        k4z = h(x+k3x,y+k3y,z+k3z)*dt;
        /* Actualizamos las variables y el tiempo */
        x += (k1x/6.0 + k2x/3.0 + k3x/3.0 + k4x/6.0);
        y += (k1y/6.0 + k2y/3.0 + k3y/3.0 + k4y/6.0);
        z += (k1z/6.0 + k2z/3.0 + k3z/3.0 + k4z/6.0);
        /* finalmente escribimos sobre el archivo */

        fprintf(output,"%f %f %f \n",x,y,z);
        fflush(output); 
        usleep(10000);
        fprintf(gp, "replot \n");
        fflush(gp);
        t += dt;
    }
    fclose(gp);
    fclose(output);
    return 0;
}

コードは非常に簡単に機能し、パイプを開きます。

gp = popen("gnuplot -","w");

これは、プログラム内でのみ、1つのコマンドの後に別のコマンドを書き込むときのbashの垂直バーに似ています。データをlorenzgplot.datファイルに書き込みます。gnuplotでsplotコマンドを1回呼び出します。

fprintf(gp, "splot './lorenzgplot.dat' with lines \n");

そして、新しいポイントを追加するときに、グラフを再構築します。

fprintf(gp, "replot \n");

その結果、LorenzAttractorの非常に優れた低速構造が得られます。以下は、ほぼ10年前に古いカメラで撮影したビデオですので、あまり誓わないでください。ビデオで重要なことは、NokiaN800などの古いハードウェアですべてがうまく機能することです。音を立てずに見ることが望ましい。

replot コマンドはメモリとプロセッサ時間を非常によく消費することを理解することが重要です。つまり、このようなプロットはシステムの速度をそれほど低下させません。したがって、gnuplotが大好きなため、これは最良の使用方法ではありません。もう1つの問題は、このウィンドウを閉じたり移動したりできないことです。

結論

最後に、放射性粒子の登録のランダムな対数分布の何百ものグラフ、1つの研究からの実際のデータを収集したビデオを示したいと思います。ビデオは音声で視聴でき、視聴する必要があります。

この記事では、読者にこのプログラムを少し理解したことを除いて、このプロッタの機能の1000分の1の部分すらわかりませんでした。次に、自分で例を探し、公式Webサイトgnuplot.sourceforge.netまたはwww.gnuplot.infoのドキュメントを読む必要があります。必ず例を見てください。面白くて便利なものがたくさんあります。

まず、gnuplot（rus）の簡単な紹介をお勧めします。このような素晴らしいプログラムが、すべての工科大学でラテックスと同等に研究されているわけではないことに心から驚いています。どういうわけか、MSExcelとWordを学びました。

gnuplotを学ぶことは難しくありません、私はそれを最初から理解しようと文字通り数日を費やしました。しかし、この記事では、すべてがあなたにとってより速くなると私は信じています。今、私はExel / Calcプロッターを忘れてしまい、gnuplotのみを使用しています。さらに、私はグラフをプロットする可能性の10分の1さえ知りません。

特にかなり古いので、gnuplotより悪くない他の多くのプロッターがあることに注意したいと思います。しかし、私にとってgnuplotは、最も単純で最も包括的なものであることがわかりました。さらに、これは最も一般的なプロッタであり、Web上での使用例は数多くあります。読んでくれてありがとう！

Gnuplotとそれが何と一緒に食べられるか

なぜgnuplot？

Gnuplot-アプリケーション

実際のデータ

そして3D ???

プログラムでgnuplotを使用する

結論

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