На мой взгляд, быстрое преобразование больших массивов цифровых данных в наглядные и доступные для восприятия человеком формы приобрело большую востребованность. Даже двумерные графики, отображаемые на экранах мониторов, все еще продолжают сохранять свою актуальность и популярность в таких разнообразных сферах, как торговля ценными бумагами, технические и научные измерения (осциллограммы) и исследования, а также в узких областях, таких как компьютерные студии звукозаписи (БПФ, эквализация, тюнеры). Контекст данной статьи - это цифровая обработка звука.
Для 8 графических пакетов в статье приведены 8 максимально коротких и простых специфичных для каждого пакета кода на python, отображающий на экране с максимально возможным FPS для данного пакета график sin()+noise.
Получение высокого FPS для 2D графики на Python
При разработке 2D графики на Python лимитировать может производительность, особенно если вы стремитесь к высокому количеству кадров в секунду (FPS). В этой статье рассмотрим несколько наиболее популярных графических библиотек, их производительность и возможности достижения высоких значений FPS.
Предварительные данные по информации из интернет источников
Mayavi 3D: Хотя Mayavi в первую очередь предназначен для 3D-визуализации, он может использоваться для 2D-графиков. Однако его производительность для 2D задач может быть ниже, чем у специализированных библиотек.
PyVista: Эта библиотека также ориентирована на 3D, но может использоваться для 2D. PyVista предлагает хорошую производительность, но для 2D задач может быть избыточной.
Matplotlib: Широко используемая библиотека для построения графиков, но не оптимизирована для высоких FPS. Обычно Matplotlib работает на уровне 10-30 FPS, что может быть недостаточно для динамичных приложений.
PyQTGraph: Эта библиотека специально разработана для быстрого отображения графиков и может достигать 50 FPS и выше. PyQTGraph использует OpenGL для рендеринга, что значительно увеличивает производительность.
Plotly: Отлично подходит для интерактивных графиков, но его производительность может быть ограничена при большом количестве данных. FPS обычно ниже 50.
PyGame: Одна из самых популярных библиотек для создания игр на Python. PyGame может достигать 60 FPS и выше, если правильно настроить рендеринг и управление событиями.
Arcade: Современная библиотека для создания 2D-игр, которая также может достигать 60 FPS и выше. Arcade использует OpenGL и предлагает простые инструменты для работы с графикой.
pyOpenGL: Это обертка для OpenGL, которая позволяет создавать высокопроизводительные графические приложения. С правильной оптимизацией можно достичь FPS в 100 и выше.
VisPy: Библиотека для визуализации данных, использующая OpenGL. VisPy может достигать высоких значений FPS, особенно при работе с большими объемами данных.
Bokeh: Хотя Bokeh в первую очередь предназначен для веб-визуализации, его производительность для 2D графиков может быть ограничена, и FPS обычно 10..50.
Тестирование на скорость рисования 2D графиков
Для тестирования производительности различных библиотек использовались простые сценарии, которые рисуют sin() + noise() на экране и измеряют FPS. Важно учитывать, что производительность может зависеть от аппаратного обеспечения и настроек системы.
Достижение частоты кадров (FPS) > 30 кадров в секунду вполне осуществимо с использованием популярных библиотек. Однако для достижения FPS >= 60 потребуется обращение к низкоуровневым библиотекам, а также тщательная оптимизация кода.
Важно отметить, что включение вертикальной синхронизации (VSync=On) не всегда доступно, поскольку это зависит от конкретной видеокарты, драйверов и мониторов, включая современные 4K телевизоры. Даже если VSync доступна, не все значения частоты обновления могут быть выбраны произвольно, и не всегда они будут корректно обрабатывать сигналы VSync в графических пакетах. Например, синхронизация может быть доступна на 30, 50 Гц, но не на 60 Гц или 44 Гц и так далее.
Тестирование
>>Улучшенный код для Matplotlib
VisPy
PyGame
>>скачать исходник code
Arcade
Plotly
FPS | Особенности | |
Matplotlib | 35 | возможности 8/10, 2D, 3D |
Bokeh | 33 | JS, 2D, возможности 7/10 |
PyOpenGL | 50 | низкоуровневый |
VisPy | 93 | возможности 3/10, 2D. 3D |
PyGame | 60 (VSync=On) | возможности 3/10, 2D |
Arcade | 98 | возможности 3/10, 2D |
Potly | 37 | JS, возможности 7/10 |
PyQTGraph | 70 | возможности 6/10 |
MayAvi / VTK | 90 | возможности3/10(2D)3D(9/10) |
PyVista | 60 (JS, Jupyter/Anaconda) | нестабильный Trame backend |
PyQTGraph
MayAvi / VTK (2D 3D)
Железо
Выводы
Выбор библиотеки для 2D графики на Python зависит от ваших требований к производительности и функциональности. Matplotlib медленная. Bokeh и Plotly под капотом имеют JavaScript и богатую инфраструктуру для отрисовки вспомогательных элементов графика (сетка, оси, легенды, шрифты, типы графиков, GUI элементы). Но придется решать задачу передачи данных из контекста python в контекст JavaScript. Для достижения высоких значений FPS разумно использовать подходящие инструменты (MayAvi, PyGame, VisPy). Компромиссное решение - PyQTGraph. С правильным подходом можно достичь впечатляющих результатов в визуализации, высокий FPS и хорошей интерактивности.
P,S, код проверен на Python 3.9 и 3.12, Jupyter Notebook, Anaconda, Windows 11. В случае необходимости есть файл enviroment.yaml. Он позволяет установить все зависимости за несколько минут.
P.P.S все файлы к этой статье в моей "телеге"
Похоже на Mac Intell OS 10.* python 3.12 сможет отображать осциллограммы звукового сигнала в реальном времени.
