如何在Matplotlib 3D中填充选中的网格单元？

我需要在Ngrid×Ngrid×Ngrid的3D网格中填充Ncell个单元。目前用散点图绘制每个单元的中心，但想替换为给每个单元填充颜色。实际网格规模为1000³，Ncell量级为10^5，需要高效的代码。

针对大规模场景，以下两种方法均采用向量化/批量操作，避免低效循环，可轻松处理1e5量级的单元：

方法1：使用voxels（最优选择，性能最高） #

voxels是matplotlib原生的3D网格绘制函数，底层基于numpy向量化实现，处理大规模数据效率极高。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

Ngrid, Ncell = 100, 150

# 随机选中单元的网格索引（对应单元的起始角点）
xx = np.random.choice(Ngrid, Ncell)
yy = np.random.choice(Ngrid, Ncell)
zz = np.random.choice(Ngrid, Ncell)

%matplotlib widget

fig = plt.figure(figsize=(10, 7))
ax = plt.axes(projection="3d")

# 创建网格掩码：标记需要填充的单元
mask = np.zeros((Ngrid, Ngrid, Ngrid), dtype=bool)
mask[xx, yy, zz] = True

# 绘制填充单元，自定义颜色和边框样式
ax.voxels(mask, facecolors='cornflowerblue', edgecolors='lightgray', alpha=0.5)

# 设置坐标轴范围匹配网格尺寸
ax.set_xlim(0, Ngrid)
ax.set_ylim(0, Ngrid)
ax.set_zlim(0, Ngrid)

plt.show()

自定义颜色扩展 #

如果需要给不同单元设置不同颜色，可将facecolors替换为与mask同形状的颜色数组：

# 生成随机RGB颜色数组
colors = np.random.rand(Ngrid, Ngrid, Ngrid, 3)
ax.voxels(mask, facecolors=colors, edgecolors='lightgray', alpha=0.5)

方法2：批量生成立方体顶点，用Poly3DCollection绘制 #

如果需要更灵活的立方体样式（比如自定义边长、顶点位置），可通过numpy批量生成所有立方体的顶点，一次性添加到集合中，避免逐个绘制的低效操作。

import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d.art3d import Poly3DCollection
import matplotlib.pyplot as plt

Ngrid, Ncell = 100, 150

xx = np.random.choice(Ngrid, Ncell)
yy = np.random.choice(Ngrid, Ncell)
zz = np.random.choice(Ngrid, Ncell)

%matplotlib widget

fig = plt.figure(figsize=(10, 7))
ax = plt.axes(projection="3d")

# 定义边长为1的立方体顶点模板（以原点为起始角点）
cube_template = np.array([
    [0,0,0], [1,0,0], [1,1,0], [0,1,0],  # 底面
    [0,0,1], [1,0,1], [1,1,1], [0,1,1]   # 顶面
])
# 批量生成所有选中单元的立方体顶点：给模板加上每个单元的偏移量
all_cubes = cube_template[None, ...] + np.stack([xx, yy, zz], axis=1)[:, None, :]

# 定义立方体的6个面（每个面由4个顶点的索引组成）
cube_faces = [
    [0,1,2,3], [4,5,6,7],  # 底面、顶面
    [0,1,5,4], [1,2,6,5], [2,3,7,6], [3,0,4,7]  # 四个侧面
]
# 批量展开所有面的顶点数据
all_faces = all_cubes[:, cube_faces].reshape(-1, 4, 3)

# 创建3D多边形集合并添加到坐标轴
cube_collection = Poly3DCollection(all_faces, facecolors='coral', edgecolors='gray', alpha=0.5)
ax.add_collection3d(cube_collection)

# 设置坐标轴范围
ax.set_xlim(0, Ngrid)
ax.set_ylim(0, Ngrid)
ax.set_zlim(0, Ngrid)

plt.show()

自定义颜色扩展 #

如果需要给每个立方体单独设置颜色，可给facecolors传入长度为Ncell*6的颜色列表（每个立方体6个面）：

# 每个立方体的6个面使用同一种随机颜色
cube_colors = np.repeat(np.random.rand(Ncell, 3), 6, axis=0)
cube_collection = Poly3DCollection(all_faces, facecolors=cube_colors, edgecolors='gray', alpha=0.5)

内容的提问来源于stack exchange，提问作者deltasata