如何在matplotlib 3D散点图点云中心上方绘制自定义对象

我编写了如下代码：

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
from matplotlib import animation

%matplotlib inline

plt.ion()
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
ax.view_init(azim=270, elev=90)

ax.set_xlabel('X axis')
ax.set_ylabel('Y axis')
ax.set_zlabel('Z axis')

X = -df['x']
Y = -df['y']
Z = -df['z']

ax.scatter(X,Y,Z, color = 'red')

plt.draw()

运行上述代码得到的绘图效果如下：

我希望能够在生成的点云中心上方叠加绘制对象，预期效果如下图所示：

请问该需求是否可以实现？是否有合适的实现方案？

可行实现方案 #

该需求完全可以实现，根据叠加对象是否需要跟随3D视角同步变换，有两类成熟方案：

方案1：同3D坐标系绘制（对象与点云相对位置固定，随视角同步旋转/缩放） #

这是和预期效果最匹配的方案，实现步骤：

1. 计算点云中心坐标与叠加位置

   import numpy as np
   # 计算点云三轴中心
   cx, cy, cz = np.mean(X), np.mean(Y), np.mean(Z)
   # 计算叠加高度：取点云Z轴最大值以上，预留10%点云高度的间距，可按需调整
   z_offset = (Z.max() - Z.min()) * 0.1
   obj_z_pos = Z.max() + z_offset
   

2. 调用对应3D绘图接口绘制目标对象即可：

   • 绘制立方体/长方体：使用ax.bar3d()
   • 绘制球体、自定义曲面：使用ax.plot_surface()或ax.plot_trisurf()
   • 绘制箭头、线段：使用ax.quiver()或ax.plot()

   示例：在中心上方叠加一个边长为点云尺度1/10的蓝色半透明立方体

   cube_len = (X.max() - X.min()) * 0.1
   ax.bar3d(cx - cube_len/2, cy - cube_len/2, obj_z_pos,
            dx=cube_len, dy=cube_len, dz=cube_len,
            color='blue', alpha=0.7)
   

该方案下叠加对象和点云处于同一3D空间，任意调整视角都不会出现相对位置错位。

方案2：2D锚定绘制（对象固定在视图对应位置，不随3D视角变化） #

如果需要叠加文字、2D标识这类不需要跟随3D视角旋转的元素，可以直接使用2D坐标锚定，无需计算3D位置：

# 采用子图相对坐标，(0.5, 0.9)对应水平居中、垂直方向距顶部10%的位置
ax.text(0.5, 0.9, "目标标记", transform=ax.transAxes,
        ha='center', va='center', fontsize=14, color='blue')

如果需要叠加图片，可搭配matplotlib.offsetbox.OffsetImage和AnnotationBbox实现，同样锚定在2D坐标点即可。

补充提示：当前代码中使用了%matplotlib inline魔法命令，该模式下plt.ion()交互模式不会生效，如果需要拖拽调整3D视角，Jupyter环境下请替换为%matplotlib notebook，本地脚本环境直接移除该行魔法命令即可。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Daniel