如何降低使用matplotlib绘制黑色立方体的代码运行耗时

原代码存在两个核心性能问题：

• 三层循环共调用plot3D超过1600万次，函数调用开销占了绝大多数耗时
• 绘制了立方体内部所有冗余点，实际展示立方体只需要线框或表面数据，完全不需要遍历内部点

具体优化方案根据需求分为两类： #

场景1：绘制黑色线框立方体 #

只需要构造立方体的8个顶点和12条棱的坐标，批量绘制即可，仅需调用12次绘图接口，耗时不到原代码的万分之一：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

ax = plt.axes(projection='3d')
# 立方体8个顶点坐标 (x,y,z)，范围0到255
vertices = np.array([[0,0,0], [255,0,0], [255,255,0], [0,255,0],
                     [0,0,255], [255,0,255], [255,255,255], [0,255,255]])
# 12条棱对应的顶点索引
edges = [[0,1], [1,2], [2,3], [3,0],
         [4,5], [5,6], [6,7], [7,4],
         [0,4], [1,5], [2,6], [3,7]]
# 批量绘制所有棱
for edge in edges:
    ax.plot3D(vertices[edge, 0], vertices[edge, 1], vertices[edge, 2], 'black')
# 固定坐标轴范围和比例，避免立方体变形
ax.set_xlim(0,255)
ax.set_ylim(0,255)
ax.set_zlim(0,255)
ax.set_box_aspect([1,1,1])
plt.show()

场景2：绘制填充的黑色立方体 #

使用Poly3DCollection批量绘制6个面，性能更高：

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

ax = plt.axes(projection='3d')
vertices = np.array([[0,0,0], [255,0,0], [255,255,0], [0,255,0],
                     [0,0,255], [255,0,255], [255,255,255], [0,255,255]])
# 6个面对应的顶点索引
faces = [[vertices[j] for j in [0,1,2,3]],
         [vertices[j] for j in [4,5,6,7]],
         [vertices[j] for j in [0,1,5,4]],
         [vertices[j] for j in [2,3,7,6]],
         [vertices[j] for j in [0,3,7,4]],
         [vertices[j] for j in [1,2,6,5]]]
ax.add_collection3d(Poly3DCollection(faces, facecolor='black', edgecolor='black'))
ax.set_xlim(0,255)
ax.set_ylim(0,255)
ax.set_zlim(0,255)
ax.set_box_aspect([1,1,1])
plt.show()

补充说明 #

如果你确实需要绘制立方体范围内的大量散点，也不要循环调用plot3D，改用scatter接口一次传入所有坐标数组，性能会提升百倍以上。所有matplotlib绘图场景都要尽量避免循环调用绘图接口，优先使用批量传参的方式降低开销。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Shlok