2020.05.07 プログラミング

C++でグラフ描画をするならmatplotlib-cppを使ってみる？

コンテンツ

はじめに

最近ではPythonが人気ですね．

なぜ人気かと言われれば，複雑な処理も簡潔なコードで済むからです．

型の明記も要らなければ，ほとんどの数学的処理もNumPyで済み，グラフもmatplotlibがあればあっという間に描画可能です．

一方C++はどうでしょうか？

型の明記は必要だし，グラフ描画も慣れていないと一苦労です．

そこで，C++でmatplotlibを使って簡単にグラフを書こう，というのがこの記事の趣旨です．

前置きが長いと嫌われますので，さっそく見ていきましょう．

matplotlib-cpp

PythonのmatplotlibをC++から呼び出せるヘッダオンリなライブラリが存在します．

それがmatplotlib-cppです．

lava/matplotlib-cpp: Extremely simple yet powerful header-only C++ plotting library built on the popular matplotlib

いまだにちょくちょく更新されていて，機能がmatplotlibに近づいている印象です．

主に必要なものはPythonとNumPy．

細かい話は置いといて使い方をひたすら解説していきます．

installation

この記事で必要なのは"matplotlibcpp.h"だけなので，それだけ落としてください．

この後CMakeLists.txtも書きますが，サンプルコードを書くmain.cppと合わせて，以下のようなディレクトリ構造です．

.
├── build/  #ビルド用の空ディレクトリ
├── CMakeLists.txt
├── main.cpp
└── matplotlibcpp.h

├── build/ #ビルド用の空ディレクトリ

├── CMakeLists.txt

├── main.cpp

└── matplotlibcpp.h

これだけでとりあえずOK．

あと，僕の手元では以下のコード(line: 301-307)でRedefinitionエラーになっていたので，コメントアウトして対処しました．

※ 2020.04.22の更新で追加されたコードらしいので，もしかしたらみなさんの落としたコードによっては以下のコードは別のコードに書き換わっているかもしれません．

// Sanity checks; comment them out or change the numpy type below if you're compiling on
// a platform where they don't apply
        static_assert(sizeof(long long) == 8);
        template <> struct select_npy_type<long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_INT64; };
        static_assert(sizeof(unsigned long long) == 8);
        template <> struct select_npy_type<unsigned long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_UINT64; };
// TODO: add int, long, etc.

// Sanity checks; comment them out or change the numpy type below if you're compiling on

// a platform where they don't apply

static_assert(sizeof(long long) == 8);

template <> struct select_npy_type<long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_INT64; };

static_assert(sizeof(unsigned long long) == 8);

template <> struct select_npy_type<unsigned long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_UINT64; };

// TODO: add int, long, etc.

↓

// Sanity checks; comment them out or change the numpy type below if you're compiling on
// a platform where they don't apply
//        static_assert(sizeof(long long) == 8);
//        template <> struct select_npy_type<long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_INT64; };
//        static_assert(sizeof(unsigned long long) == 8);
//        template <> struct select_npy_type<unsigned long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_UINT64; };
// TODO: add int, long, etc.

// Sanity checks; comment them out or change the numpy type below if you're compiling on

// a platform where they don't apply

// static_assert(sizeof(long long) == 8);

// template <> struct select_npy_type<long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_INT64; };

// static_assert(sizeof(unsigned long long) == 8);

// template <> struct select_npy_type<unsigned long long> { const static NPY_TYPES type = NPY_UINT64; };

// TODO: add int, long, etc.

力技な対処ですが，処理に問題がなかったので良しとします．

CMakeLists.txt

個人的にはこれを書いてMakeするのがお勧めです．

今回は，C++11でプロジェクト名が「plt」としています．

こんな感じ．

cmake_minimum_required(VERSION 3.14)
project(plt)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)

add_executable(plt main.cpp)

# matplotlibcppで使うPythonとNumpyを探す
find_package(Python3 COMPONENTS Development NumPy)
target_include_directories(plt PRIVATE ${Python3_INCLUDE_DIRS} ${Python3_NumPy_INCLUDE_DIRS})
target_link_libraries(plt Python3::Python Python3::NumPy)

cmake_minimum_required(VERSION 3.14)

project(plt)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)

add_executable(plt main.cpp)

# matplotlibcppで使うPythonとNumpyを探す

find_package(Python3 COMPONENTS Development NumPy)

target_include_directories(plt PRIVATE ${Python3_INCLUDE_DIRS} ${Python3_NumPy_INCLUDE_DIRS})

target_link_libraries(plt Python3::Python Python3::NumPy)

cmakeの最低保証バージョンはなんでもいいです．

ビルドと実行の仕方は，

$ cd build
$ cmake ..
$ make
$ ./plt

$ cd build

$ cmake ..

$ make

$ ./plt

です，簡単ですね．

ちなみに一度cmakeしたら，それ以降はmakeだけでOKです．

それではサンプルコードをmain.cppに書いていきます．

動作確認

とりあえず動作確認として，簡単なコード書きましょう．

#include <iostream>

#include "matplotlibcpp.h"
namespace plt = matplotlibcpp;

int main() {
    plt::plot({1, 2, 4, 8, 16});
    plt::show();
    
    return 0;
}

#include <iostream>

#include "matplotlibcpp.h"

namespace plt = matplotlibcpp;

int main() {

plt::plot({1, 2, 4, 8, 16});

plt::show();

return 0;

}

うまく描画されていますね．

ひとまず，PythonとNumPyが認識されているようです．

vectorでx, yを指定する

これが普通の使い方でしょうか．

とりあえずサインカーブを書いてみます．

#include <iostream>
#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"
namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

    int n = 1000;
    vector<double> x(n), y(n);

    for(int i = 0; i < n; ++i){
        x[i] = i;
        y[i] = sin(0.1 * i);
    }

    plt::plot(x, y);
    plt::show();

    return 0;
}

#include <iostream>

#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"

namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

int n = 1000;

vector<double> x(n), y(n);

for(int i = 0; i < n; ++i){

x[i] = i;

y[i] = sin(0.1 * i);

}

plt::plot(x, y);

plt::show();

return 0;

}

凡例をつける

複数のグラフを描画する際には，グラフに凡例を付けたいときがあります．

#include <iostream>
#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"
namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

    int n = 1000;
    vector<double> x(n), y(n), z(n);

    for(int i = 0; i < n; ++i){
        x[i] = i;
        y[i] = sin(0.1 * i);
        z[i] = 0.05 * i - 3;
    }

    plt::named_plot("sin(0.1x)", x, y);
    plt::named_plot("0.05x-3", x, z);

    plt::legend();
    plt::show();

    return 0;
}

#include <iostream>

#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"

namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

int n = 1000;

vector<double> x(n), y(n), z(n);

for(int i = 0; i < n; ++i){

x[i] = i;

y[i] = sin(0.1 * i);

z[i] = 0.05 * i - 3;

}

plt::named_plot("sin(0.1x)", x, y);

plt::named_plot("0.05x-3", x, z);

plt::legend();

plt::show();

return 0;

}

このように named_plot() を使うか，mapを使って実際のmatplotilbの引数名に値を渡すことで解決できます．

また，この際色々なグラフオプションを利用可能です．

#include <iostream>
#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"
namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

    int n = 1000;
    vector<double> x(n), y(n), z(n);

    for(int i = 0; i < n; ++i){
        x[i] = i;
        y[i] = sin(0.1 * i);
        z[i] = 0.05 * i - 3;
    }

    map<string, string> args1{
            {"label", "sin(0.1x)"},
            {"c", "blue"}
    };
    plt::plot(x, y, args1);

    map<string, string> args2{
            {"label", "0.05x-3"},
            {"c", "red"}
    };
    plt::plot(x, z, args2);

    plt::legend();
    plt::show();

    return 0;
}

#include <iostream>

#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"

namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

int n = 1000;

vector<double> x(n), y(n), z(n);

for(int i = 0; i < n; ++i){

x[i] = i;

y[i] = sin(0.1 * i);

z[i] = 0.05 * i - 3;

}

map<string, string> args1{

{"label", "sin(0.1x)"},

{"c", "blue"}

};

plt::plot(x, y, args1);

map<string, string> args2{

{"label", "0.05x-3"},

{"c", "red"}

};

plt::plot(x, z, args2);

plt::legend();

plt::show();

return 0;

}

複数グラフの描画

複数のグラフを別々で描画したいときは，Pythonのmatplotlib同様， subplot が使用できます．

#include <iostream>
#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"
namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

    int n = 1000;
    vector<double> x(n), y(n), z(n);

    for(int i = 0; i < n; ++i){
        x[i] = i;
        y[i] = sin(0.1 * i);
        z[i] = cos(0.05 * i);
    }

    plt::subplot(2, 1, 1);
    plt::ylabel("sin()");
    plt::plot(x, y);

    plt::subplot(2, 1, 2);
    plt::ylabel("cos()");
    plt::plot(x, z);

    plt::show();

    return 0;
}

#include <iostream>

#include <cmath>

#include "matplotlibcpp.h"

namespace plt = matplotlibcpp;

using namespace std;

int main() {

int n = 1000;

vector<double> x(n), y(n), z(n);

for(int i = 0; i < n; ++i){

x[i] = i;

y[i] = sin(0.1 * i);

z[i] = cos(0.05 * i);

}

plt::subplot(2, 1, 1);

plt::ylabel("sin()");

plt::plot(x, y);

plt::subplot(2, 1, 2);

plt::ylabel("cos()");

plt::plot(x, z);

plt::show();

return 0;

}

おわりに

今回はmatplotlib-cppという，PythonのmatplotlibをC++で呼びだすライブラリを紹介しました．

この記事では，基本的な機能しか紹介していませんが，サムネでもあるような3Dグラフも描画できます．

他にも，両対数グラフ( loglog() )やヒストグラム( hist() )，エラーバー( errorbar() )なども描画可能です．

まあ，なんといってもmatplotlib-cppはC++にしては少量のコードでグラフを描画できるのが良い所だと思います．

まだ不具合も少しありますが，まだ頻繁に更新されていますので，これからさらに使い勝手が良くなるでしょう．

ヘッダオンリなのも僕は好きです．

みなさんも使ってみては？

タグ：
C++
C++入門

C++でグラフ描画をするならmatplotlib-cppを使ってみる？

はじめに

matplotlib-cpp

installation

CMakeLists.txt

動作確認

vectorでx, yを指定する

凡例をつける

複数グラフの描画

おわりに

おすすめの関連記事