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PLplot 01: Introdução e Instalação.

2 de junho de 2011, 22:23

Este artigo é a parte 1 de 2 da série PLplot em C

PLplot é uma blbioteca multiplataforma para para criar gráficos científicos. Com ela, você pode gerar gráficos comuns, histogramas, gráficos de barra, traçar curvas de nível e várias outras coisas. A biblioteca está disponível para várias linguagens de programação, como C/C++, Python, Ada, Fortran, Java, entre outras. É possível também o uso dela dentro do Octave. Com vários drivers disponíveis, os seus gráficos podem ser salvos em vários formatos de imagem diferentes ou simplesmente serem visualizados na tela através dos drivers xwin, xcairo, entre outros. A possibilidade de embutir o gráfico dentro de um aplicativo Qt, GTK, WxWidgets é também um atrativo se você tem a intenção de criar um aplicativo com interface gráfica e que necessite lidar com gráficos científicos.

A figura abaixo é um exemplo de gráfico gerado utilizando utilizando a PLplot. Note a qualidade do gráfico gerado. Se você deseja ver do que mais essa biblioteca é capaz, visite a página de exemplos disponível no site oficial.

Gráfico 3D gerado através da biblioteca PLplot. Esse exemplo foi tirado do site do projeto.

O objetivo dessa série de posts é explorar o uso dessa biblioteca utilizando a linguagem C. Se você têm interesse em utilizá-la com outra linguagem de programação, não se desanime. A lógica é a mesma, mudando apenas a sintaxe.

Instalação

A biblioteca PLplot está disponível na maior parte das distribuições Linux atuais. Vamos apresentar aqui a instalação da mesma em algumas das distribuições mais famosas. Caso a sua distribuição não esteja listada aqui, não se desespere! Utilize o seu gerenciador de pacotes para procurar e instalar a biblioteca em seu sistema. E lembre-se que em softwares livres, sempre há a possibilidade de instalação a partir do código-fonte.

Fedora, RHEL, CentOS e openSUSE

Abra um terminal de linha de comando, torne-se root e instale os pacotes plplot e plplot-devel.

# yum install plplot plplot-devel

1	# yum install plplot plplot-devel

Para usuários do Red Hat Enterprise Linux e derivados, os pacotes são instalados pelo EPEL, de forma que você deve ter esse repositório habilitado em seu sistema

Mageia

Abra um terminal de linha de comando, torne-se root e instale os pacotes plplot e libplplot-devel:

# urpmi plplot libplplot-devel

1	# urpmi plplot libplplot-devel

Archlinux

Abra um terminal de linha de comando, torne-se root e instale os pacotes plplot a partir do AUR:

$ yaourt -S plplot

1	$ yaourt -S plplot

Debian e Ubuntu

Abra um terminal de linha de comando, torne-se root e instale os pacotes plplot-bin libplplot-dev, plplot9-driver-cairo e plplot9-driver-xwin:

$ sudo apt-get install plplot-bin libplplot-dev plplot9-driver-cairo plplot9-driver-xwin

1	$ sudo apt-get install plplot-bin libplplot-dev plplot9-driver-cairo plplot9-driver-xwin

É isso, agora você está pronto para gerar os seus gráficos utilizando a PLplot.

Última alteração: 16/02/2012

Tags:ciência, plplot, programação
Category: C, Ciência, Linguagens de programação | 2 Comentários

PLplot 02: O primeiro gráfico

16 de fevereiro de 2012, 23:07

Este artigo é a parte 2 de 2 da série PLplot em C

A criação de gráficos utilizando a PLplot é bastante simples na maior parte do tempo. O conjunto de funções da biblioteca pode, a grosso modo, ser visto como dois conjuntos separados. Um conjunto de funções que definem as propriedades do gráfico — cor de fundo, tipo de linha, uso ou não de grades, escala, etc — e um conjunto de funções responsáveis pela plotagem do gráfico em si. Neste artigo, criaremos um gráfico básico com a PLplot.

Seja então f(x) a função que queremos plotar. Consideremos, a título de exemplo, f(x) como sendo definida por

$f(x) = \frac{x}{1+x^2}$

O programa abaixo é uma implementação para que possamos gerar o gráfico dessa função. Praticamente nenhuma personalização é feita, deixando que a biblioteca utilize os parâmetros default para a maior parte das opções disponíveis.

O download do código-fonte pode ser feito aqui.

/* exemplo01.c:
 *   Exemplo básico de uso da biblioteca PLPlot.
 *   Este programa simplesmente plota na tela o gráfico da função
 *
 *           f(x) = x/(1 + x^2)
 *
 *   praticamente nenhuma personalização é feita, deixando que a biblioteca
 *   utilize os parâmetros default.
 */
#include <plplot.h>

/* Número de pontos em que iremos calcular o valor de f(x) dentro do intervalo
 * definido abaixo. Vamos utilizar um ponto adicional para ligar o último ponto
 * calculado com outro calculado quando x = XMAX (definido abaixo). O número de
 * pontos, ou melhor, o intervalo de amostragem que será utilizado dependerá de
 * cada função. Fique esperto. */
#define NUMPONTOS 200


/*    O intervalo em que a função será exibida. Isto quer dizer que teremos um
 * ponto a cada intervalo dt, tal que dt = (XMAX - XMIN)/NUMPONTOS. Os limites
 * para o eixo Y também estão definidos. */
#define XMIN  -10
#define XMAX   10
#define YMIN  -1.0
#define YMAX   1.0


/*    A função função f(x). O tipo de dado PLFLT é, por padrão, uma variável do
 * tipo float. Isso pode ser modificado definido uma variável de nome PL_DOUBLE
 * ou somente DOUBLE utilizando a diretiva define do pré-processador. Isso deve
 * ser feito antes de incluir a biblioteca no programa. No nosso caso, está
 * perfeito do jeito que está, não precisamos alterar isso.
 *    A função abaixo recebe um valor x do tipo PLFLT como argumento e retorna o
 * valor da função, tal como definimos na descrição desse programa. Esse
 * procedimento é necessário porque a biblioteca não recebe uma função
 * matemática como parâmetro e a plota, mas um conjunto de pontos que serão
 * conectados entre si de alguma forma */
PLFLT f(PLFLT x)
{
    return x/(1 + x*x);
}


int main (int argc, const char *argv[])
{
    PLFLT x[NUMPONTOS + 1];  /* Vetor com os pontos do eixo x */
    PLFLT y[NUMPONTOS + 1];  /* Vetor com os pontos do eixo y */
    PLFLT dt;                /* Intervalo de amostragem       */
    PLINT i;


    /* Calcula o valor de f(x) em NUMPONTOS, com um intervalo de espaçamento dt
     * e guardando esses valores nos vetores x e y para que possamos utilizá-los
     * mais à frente */
    dt = (PLFLT)(XMAX - XMIN)/NUMPONTOS;
    for (i = 0; i < NUMPONTOS; i++) {
        x[i] = XMIN + (PLFLT)i*dt;
        y[i] = f(x[i]);
    }

    x[NUMPONTOS] = XMAX;
    y[NUMPONTOS] = f(XMAX);


    /*    Inicializa PLplot. Essa função irá perguntar qual o dispositivo que
     * você quer utilizar para plotar o gráfico. Se você deixar o campo em
     * branco, a biblioteca irá selecionar o primeiro dispositivo na lista
     * exibida */
    plinit ();


    /*    Definindo limites do gráfico. A função plenv é responsável por criar a
     * janela de exibição e desenhar uma caixa dentro dela, representando os
     * eixos do nosso gráfico. Os limites do eixo x são definidos através de 
     * XMIN e XMAX. Os limites do eixo Y por YMIN e YMAX. O penúltimo diz
     * respeito a escala do gráfico. O último parâmetro está associado as
     * propriedades dos eixos e a caixa ao redor do gráfico. Iremos utilizar
     * aqui o valor 1 para o penúltimo parâmetro, indicando que queremos que as
     * escalas dos eixos x e y sejam as mesmas. Para o último, utilizamos o
     * valor -1, indicando para o programa que desenhe apenas uma caixa ao redor
     * do gráfico. Para maiores informações a respeito de valores que podem ser
     * utilizados e o que cada um significa, leia a documentação da biblioteca
     * presente no site oficial da mesma */
    plenv (XMIN, XMAX, YMIN, YMAX, 0, -1);


    /*    Inserindo rótulos no gráfico. A função pllab permite a definição de
     * rótulos no nosso gráfico. O primeiro argumento é rótulo do eixo x, o
     * segundo é o rótulo do eixo y com algumas sequências de escape para
     * podermos obter um sobrescrito como potência. O último é o título do
     * gráfico. Dependendo do driver utilizado, pode não ser uma boa ideia o uso
     * de acentos nas strings */
    pllab ("x", "x/(1 + x#u2#d)", "Olá mundo dos gráficos!");


    /*    Plotando o gráfico. A função plline recebe três argumentos: o primeiro
     * é o número de pontos que queremos plotar. O segundo é um vetor com as
     * coordenadas do eixo x. O terceiro é um vetor com as coordenadas do eixo
     * y. Essa função simplesmente desenha uma linha reta entre pontos
     * consecutivos, assim como a maior parte dos softwares que plotam funções
     * e exibem o resultado na tela. É ela a responsável por realmente desenhar
     * o nosso gráfico */
    plline (NUMPONTOS + 1, x, y);


    /*    Pronto, terminamos! A função plend é responsável por encerrar a PLplot,
     * fazendo todos os ajustes necessários para que tudo ocorra como esperado e
     * você tenha o seu gráfico ao final */
    plend ();

    return 0;
}

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/* exemplo01.c:

* Exemplo básico de uso da biblioteca PLPlot.

* Este programa simplesmente plota na tela o gráfico da função

* f(x) = x/(1 + x^2)

* praticamente nenhuma personalização é feita, deixando que a biblioteca

* utilize os parâmetros default.

#include <plplot.h>

/* Número de pontos em que iremos calcular o valor de f(x) dentro do intervalo

* definido abaixo. Vamos utilizar um ponto adicional para ligar o último ponto

* calculado com outro calculado quando x = XMAX (definido abaixo). O número de

* pontos, ou melhor, o intervalo de amostragem que será utilizado dependerá de

* cada função. Fique esperto. */

#define NUMPONTOS 200

/* O intervalo em que a função será exibida. Isto quer dizer que teremos um

* ponto a cada intervalo dt, tal que dt = (XMAX - XMIN)/NUMPONTOS. Os limites

* para o eixo Y também estão definidos. */

#define XMIN -10

#define XMAX 10

#define YMIN -1.0

#define YMAX 1.0

/* A função função f(x). O tipo de dado PLFLT é, por padrão, uma variável do

* tipo float. Isso pode ser modificado definido uma variável de nome PL_DOUBLE

* ou somente DOUBLE utilizando a diretiva define do pré-processador. Isso deve

* ser feito antes de incluir a biblioteca no programa. No nosso caso, está

* perfeito do jeito que está, não precisamos alterar isso.

* A função abaixo recebe um valor x do tipo PLFLT como argumento e retorna o

* valor da função, tal como definimos na descrição desse programa. Esse

* procedimento é necessário porque a biblioteca não recebe uma função

* matemática como parâmetro e a plota, mas um conjunto de pontos que serão

* conectados entre si de alguma forma */

PLFLT f(PLFLT x)

{

return x/(1 + x*x);

}

int main (int argc, const char *argv[])

{

PLFLT x[NUMPONTOS + 1]; /* Vetor com os pontos do eixo x */

PLFLT y[NUMPONTOS + 1]; /* Vetor com os pontos do eixo y */

PLFLT dt; /* Intervalo de amostragem */

PLINT i;

/* Calcula o valor de f(x) em NUMPONTOS, com um intervalo de espaçamento dt

* e guardando esses valores nos vetores x e y para que possamos utilizá-los

* mais à frente */

dt = (PLFLT)(XMAX - XMIN)/NUMPONTOS;

for (i = 0; i < NUMPONTOS; i++) {

x[i] = XMIN + (PLFLT)i*dt;

y[i] = f(x[i]);

}

x[NUMPONTOS] = XMAX;

y[NUMPONTOS] = f(XMAX);

/* Inicializa PLplot. Essa função irá perguntar qual o dispositivo que

* você quer utilizar para plotar o gráfico. Se você deixar o campo em

* branco, a biblioteca irá selecionar o primeiro dispositivo na lista

* exibida */

plinit ();

/* Definindo limites do gráfico. A função plenv é responsável por criar a

* janela de exibição e desenhar uma caixa dentro dela, representando os

* eixos do nosso gráfico. Os limites do eixo x são definidos através de

* XMIN e XMAX. Os limites do eixo Y por YMIN e YMAX. O penúltimo diz

* respeito a escala do gráfico. O último parâmetro está associado as

* propriedades dos eixos e a caixa ao redor do gráfico. Iremos utilizar

* aqui o valor 1 para o penúltimo parâmetro, indicando que queremos que as

* escalas dos eixos x e y sejam as mesmas. Para o último, utilizamos o

* valor -1, indicando para o programa que desenhe apenas uma caixa ao redor

* do gráfico. Para maiores informações a respeito de valores que podem ser

* utilizados e o que cada um significa, leia a documentação da biblioteca

* presente no site oficial da mesma */

plenv (XMIN, XMAX, YMIN, YMAX, 0, -1);

/* Inserindo rótulos no gráfico. A função pllab permite a definição de

* rótulos no nosso gráfico. O primeiro argumento é rótulo do eixo x, o

* segundo é o rótulo do eixo y com algumas sequências de escape para

* podermos obter um sobrescrito como potência. O último é o título do

* gráfico. Dependendo do driver utilizado, pode não ser uma boa ideia o uso

* de acentos nas strings */

pllab ("x", "x/(1 + x#u2#d)", "Olá mundo dos gráficos!");

/* Plotando o gráfico. A função plline recebe três argumentos: o primeiro

* é o número de pontos que queremos plotar. O segundo é um vetor com as

* coordenadas do eixo x. O terceiro é um vetor com as coordenadas do eixo

* y. Essa função simplesmente desenha uma linha reta entre pontos

* consecutivos, assim como a maior parte dos softwares que plotam funções

* e exibem o resultado na tela. É ela a responsável por realmente desenhar

* o nosso gráfico */

plline (NUMPONTOS + 1, x, y);

/* Pronto, terminamos! A função plend é responsável por encerrar a PLplot,

* fazendo todos os ajustes necessários para que tudo ocorra como esperado e

* você tenha o seu gráfico ao final */

plend ();

return 0;

}

Simples e rápido, não? Antes de compilarmos esse código, vamos dar uma olhada melhor nele. Note que qualquer programa que queira utilizar essa biblioteca deve adicionar o arquivo de cabeçalho plplot.h. É onde estão definidas todas as funções do quais iremos precisar para gerar os nossos gráficos.

Como foi dito no código, a PLplot não é capaz de receber uma expressão matemática como parâmetro e gerar um gráfico a partir disso, mas nada impede que você implemente uma função capaz de fazê-lo. Nesse caso, a biblioteca libmatheval seria de grande utilidade. Em artigos futuros, tentaremos implementar esse recurso.

Vamos compilar esse código e ver o que obtemos. Abra um terminal, navegue até o diretório onde colocou o programa e compile-o com o comando

$ gcc exemplo01.c `pkg-config --libs --cflags plplotd` -o exemplo01

1	$ gcc exemplo01.c `pkg-config --libs --cflags plplotd` -o exemplo01

Isso deverá gerar um executável de nome exemplo01 em seu diretório de trabalho. Vamos executá-lo:

$ ./exemplo01

Plotting Options:
 < 1> xwin       X-Window (Xlib)
 < 2> tk         Tcl/TK Window
 < 3> ps         PostScript File (monochrome)
 < 4> psc        PostScript File (color)
 < 5> xfig       Fig file
 < 6> null       Null device
 < 7> tkwin      New tk driver
 < 8> mem        User-supplied memory device
 < 9> wxwidgets  wxWidgets Driver
 <10> svg        Scalable Vector Graphics (SVG 1.1)
 <11> bmpqt      Qt Windows bitmap driver
 <12> jpgqt      Qt jpg driver
 <13> pngqt      Qt png driver
 <14> ppmqt      Qt ppm driver
 <15> tiffqt     Qt tiff driver
 <16> svgqt      Qt SVG driver
 <17> qtwidget   Qt Widget
 <18> epsqt      Qt EPS driver
 <19> pdfqt      Qt PDF driver
 <20> extqt      External Qt driver
 <21> memqt      Memory Qt driver
 <22> xcairo     Cairo X Windows Driver
 <23> pdfcairo   Cairo PDF Driver
 <24> pscairo    Cairo PS Driver
 <25> svgcairo   Cairo SVG Driver
 <26> pngcairo   Cairo PNG Driver
 <27> memcairo   Cairo Memory Driver
 <28> extcairo   Cairo External Context Driver

Enter device number or keyword:

$ ./exemplo01

Plotting Options:

< 1> xwin X-Window (Xlib)

< 2> tk Tcl/TK Window

< 3> ps PostScript File (monochrome)

< 4> psc PostScript File (color)

< 5> xfig Fig file

< 6> null Null device

< 7> tkwin New tk driver

< 8> mem User-supplied memory device

< 9> wxwidgets wxWidgets Driver

<10> svg Scalable Vector Graphics (SVG 1.1)

<11> bmpqt Qt Windows bitmap driver

<12> jpgqt Qt jpg driver

<13> pngqt Qt png driver

<14> ppmqt Qt ppm driver

<15> tiffqt Qt tiff driver

<16> svgqt Qt SVG driver

<17> qtwidget Qt Widget

<18> epsqt Qt EPS driver

<19> pdfqt Qt PDF driver

<20> extqt External Qt driver

<21> memqt Memory Qt driver

<22> xcairo Cairo X Windows Driver

<23> pdfcairo Cairo PDF Driver

<24> pscairo Cairo PS Driver

<25> svgcairo Cairo SVG Driver

<26> pngcairo Cairo PNG Driver

<27> memcairo Cairo Memory Driver

<28> extcairo Cairo External Context Driver

Enter device number or keyword:

Opa, mas o que diabos… Ah sim, o driver! Quando você executa o programa, a função plinit é chamada (linha 63). Ela verifica se um driver foi definido e em caso negativo, exibe a lista acima perguntando ao usuário qual utilizar. Note que temos várias opções. Se a opção escolhida for salvar o arquivo no disco, na forma de uma imagem (drivers ps, png, svg, pdfcairo, svgcairo, etc), o programa irá perguntar o nome da imagem que deverá ser utilizado e então salvar o arquivo nela. Mas vamos escolher a opção xcairo, número 22 na lista acima. Digite isso e dê um ENTER para visualizar o gráfico na tela:

Perfeito! Mas cadê as marcas nos eixos? Lembra que na linha 77, utilizamos a função plenv, onde o último parâmetro estava associado as propriedades dos eixos, bem como o desenho de uma caixa ao redor do gráfico? Pois é, fica como tarefa pra você: Leia a documentação dessa função no site oficial e veja quais são as outras opções possíveis. Modifique-as e recompile o seu programa para ver qual é o resultado. Teste também os diferentes drivers que podem ser utilizados e verifique quais são as diferenças entre eles.

No próximo artigo, iremos definir algumas propriedades do nosso gráfico como a cor de fundo, cor da linha utilizada para o gráfico, espessura, etc. Isso fará com que tenhamos algo mais personalizado.

Última atualização: 17/12/2012

Tags:gráficos, plplot, programação
Category: C, Ciência | Comment

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