Matplotlibでボクセル（Voxel）を描画する方法

3Dコンピュータグラフィックスにおいて、ボクセル（voxel）とは3次元空間の規則的なグリッド上の値を表すものです。2Dで使われるピクセルの3D版と考えると分かりやすいでしょう。ピクセルが「2D画像内の正方形」であり、2Dグリッド上の位置と単一の色の値を持つのに対し、ボクセルは「3Dモデル内の立方体」であり、3Dグリッド上の位置と単一の色の値を持ちます。

この記事では、Matplotlibを使ってボクセルを可視化する手順を、サンプルコード付きでわかりやすく解説します。

実装の手順

• 図のサイズを設定し、サブプロット間および周囲の余白（パディング）を調整します。
• 0〜1の範囲でランダムにデータポイントを作成します。
• 新しい図を作成するか、既存の図をアクティブにします。
• projection='3d' を指定して3D投影のAxes（現在の軸）を取得します。存在しない場合は新しく作成されます。
• voxels() メソッドを使って塗りつぶされたボクセルの集合をプロットします。
• show() メソッドで図を表示します。

サンプルコード

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 図のサイズを設定
plt.rcParams["figure.figsize"] = [7.50, 3.50]
plt.rcParams["figure.autolayout"] = True

# 0と1のランダムなデータポイントを作成
data = np.random.choice([0, 1], size=(5, 7, 9), p=[0.65, 0.35])

# 新しい図を作成
fig = plt.figure()

# 3D投影のAxesを取得
ax = fig.add_subplot(projection='3d')

# ボクセルをプロット
ax.voxels(data, edgecolor="k", facecolors='green')

# グラフを表示
plt.show()

コードのポイント

• np.random.choice([0, 1], size=(5, 7, 9), p=[0.65, 0.35])：5×7×9 の3次元配列を生成し、各要素が1（ボクセルを表示）になる確率を35%に設定しています。確率 p を変更すると、表示されるボクセルの密度を調整できます。
• edgecolor="k"：ボクセルの輪郭線を黒に指定し、立体感が分かりやすくなります。
• facecolors='green'：ボクセルの表面色を緑に設定しています。配列を渡せばボクセルごとに異なる色も指定可能です。

注意点

以前は fig.gca(projection='3d') で3D軸を取得する書き方が一般的でしたが、最近のMatplotlibでは非推奨となっており、fig.add_subplot(projection='3d') を使うことが推奨されています。上記のサンプルコードでは推奨される書き方を採用しています。

出力結果

上記のコードを実行すると、緑色のボクセルが立体的に配置された3Dプロットが表示されます。実行するたびにランダムなデータが生成されるため、表示されるボクセルのパターンは毎回変わります。