matplotlibで点群から最大のポリゴン（多角形）を描画する方法

はじめに

matplotlibでは、複数の点（頂点）から構成される最大のポリゴン（多角形）を簡単に描画できます。matplotlib.patchesモジュールに含まれるPolygonクラスを使えば、頂点の座標リストを渡すだけで多角形を図に追加できます。この記事では、具体的な手順とサンプルコードをわかりやすく解説します。

実装の手順

1. matplotlib.patchesから「Polygon」をインポートします。
2. 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。
3. ポリゴンの頂点となるデータポイントのリストを作成します。
4. Polygonインスタンスを生成します。
5. figureとサブプロットのセットを作成します。
6. add_patch()メソッドでポリゴンパッチを軸に追加します。
7. x軸・y軸の表示範囲を設定します。
8. show()メソッドを使って図を表示します。

サンプルコード

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Polygon

# 図のサイズとレイアウトの設定
plt.rcParams["figure.figsize"] = [7.00, 3.50]
plt.rcParams["figure.autolayout"] = True

# ポリゴンの頂点となるデータポイント
y = np.array([[1, 1], [0.5, 1.5], [2, 1], [1, 2], [2, 2]])

# Polygonインスタンスの作成（塗りつぶし色は黒）
p = Polygon(y, facecolor='k')

# figureとサブプロットの作成
fig, ax = plt.subplots()

# ポリゴンパッチを追加
ax.add_patch(p)

# 軸の表示範囲を設定
ax.set_xlim([0, 3])
ax.set_ylim([0, 3])

plt.show()

コードの解説

• np.array([[1, 1], ...]): 各要素が (x, y) 座標を表す5つの頂点を定義しています。この点群が最大のポリゴンの輪郭になります。
• Polygon(y, facecolor='k'): 頂点の配列を受け取り、黒（'k'はblackを意味します）で塗りつぶされるポリゴンオブジェクトを生成します。
• ax.add_patch(p): 作成したポリゴンをAxesオブジェクトに追加して描画対象にします。
• set_xlim / set_ylim: 表示範囲を 0〜3 に設定することで、ポリゴン全体が収まるように調整しています。

出力結果

上記のコードを実行すると、指定した5つの頂点（(1,1)、(0.5,1.5)、(2,1)、(1,2)、(2,2)）を結んだ、黒く塗りつぶされた多角形が表示されます。

まとめ

matplotlib.patchesのPolygonクラスを使うことで、点群からなる最大のポリゴンを数行のコードで描画できます。facecolorやedgecolorなどの引数を変更すれば、色や枠線のスタイルも自由にカスタマイズできるので、データの可視化にぜひ活用してください。