R システムで3次元散布図の作成（R システム，rgl，scatterplot3d を使用）

このページでは，R システムを用いて３次元の散布図を作成する．

【関連する外部ページ】

R システムの CRAN の URL: https://cran.r-project.org/

あらかじめ決めておく事項

散布図を作成する CSV ファイル名と属性名を決めておく．

このページでは，次のように書く．

散布図を作成する CSV ファイル名: C:\R\Book1.csv または /tmp/Book1.csv
属性名：seq, date, USD, EUR, AUD
属性名は英語になっていること．CSV ファイルの第一行目に書いていること（そうなっているものとして，手順を書く）．

前準備

R システムのインストール

3つの長さの等しいベクトルがあるとき，それらベクトルの各要素をそれぞれ x, y, z 値とみなして，3次元の散布図を作る．

R システムの CRAN の URL: https://cran.r-project.org/

Windows での R システムのインストール: 別ページ »で説明
Ubuntu での R システムのインストール: 別ページ »で説明

rgl パッケージのインストール

R システムで，次のコマンドを実行し，インストールする．

このとき「Secure CRAN mirrors」のような，ミラーサイトの選択画面が出たときは「Japan」のものを選ぶ．

install.packages("rgl")

この操作でインストールが行われる． R システムのパッケージのインストールについては、必要に応じて「R システムでのパッケージのインストール」のページを参考にしてください．

"rgl" が思い出せないときは, utils:::menuInstallPkgs() の後，rgl を選択

scatterplot3d パッケージのインストール

R システムで，次のコマンドを実行し，インストールする．

このとき「Secure CRAN mirrors」のような，ミラーサイトの選択画面が出たときは「Japan」のものを選ぶ．

install.packages("scatterplot3d")

"scatterplot3d" が思い出せないときは, utils:::menuInstallPkgs() の後，scatterplot3d を選択

CSVファイルを読み込み，データフレームに格納

(前準備) 使用する CSV ファイルの作成
Book1.csv をダウンロード（参考：「外国為替データ（時系列データ）の情報源の紹介」の Web ページ）
以下の説明では、
- Windows の場合：　データファイル名： C:\R\Book1.csv
- Linuxの場合：　データファイル名： /tmp/Book1.csv
として説明を続ける．

* 自前の CSV ファイルを使うときの注意： read.table() 関数を使うので，属性名は英語になっていること．属性名は，CSV ファイルの第一行目に書いていること．
使用する CSV ファイルの確認
属性名が CSV ファイルの1行目に書かれていることを確認する．

Book1.csv
R の起動
「read.table」を用いて，CSV ファイルを R のデータフレームに読み込み
次のコマンドを実行．
◆ Windows での動作手順例
X <- read.table("C:/R/Book1.csv", header=TRUE, sep=",", na.strings="NA", dec=".", strip.white=TRUE);
◆ Linux での動作手順例
X <- read.table("/tmp/Book1.csv", header=TRUE, sep=",", na.strings="NA", dec=".", strip.white=TRUE);
R の read.table のオプション
- X <- ・・・変数 X に読み込むという意味
- C:/R/Book1.csv, "/tmp/Book1.csv" ・・・読み込む CSV ファイル名．Windows では区切りには「/」を使うことに注意．
- header="TRUE" または header="FALSE" ・・・列ラベルが設定されているか
- seq="," や seq="\" や seq=" " や・・・列を区切る記号（CSV ファイルのときは「seq=","」）
- na.string="NA" ・・・ Not a Number には "NA" を使うという意味
- dec="." 　・・・　ファイルで使われている小数点記号（既定値は，ピリオド）
- strip.white=TRUE ・・・個々のデータの先頭や末尾にある「空白文字」を取り除いて読み込む
- skip=＜行数＞・・・読み飛ばし行数
- nrow=＜行数＞・・・読み込み行数
- (その他のオプション) dec: ファイルで使われている小数点記号を指定できる
オブジェクト X の確認
次のコマンドを実行．
edit(X);
次のコマンドを実行．
str(X)

３次元散布図の実行例 (rgl を使用)

先ほど準備したデータを使用

rgl パッケージの読み込み
次のコマンドを実行．
library(rgl)

plot3d の実行

plot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD )

アニメーションの作成

◆ 実行手順例

plot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD )
for( i in 0:359 ) {
  rgl.viewpoint( i, i/4 )
  rgl.snapshot( fmt="png", sprintf("hoge%03d.png", i)  )
}

* 1つの動画ファイルにまとめたい時は ffmpeg コマンドを使って「ffmpeg -i /tmp/hoge%03d.png -vcodec mjpeg -sameq /tmp/hoge.avi 」

３次元散布図の作成 (scatterplot3d を使用)

先ほど読み込んだデータを使用

scatterplot3d パッケージの読み込み
次のコマンドを実行．
library(scatterplot3d)

scatterplot3d の実行

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD )

散布図の点に色付け．rgb() 関数を使用し，RGB 3原色で色を指定するが，ここではアルファ値を指定して，半透明にする．

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "color = rep( rgb( ..., pch = 20",
color = rep( rgb(  c( length( X$USD ):1 ) / length( X$USD ), 0.5, 0.5, 0.2 ) ), pch = 20 )

（参考）scatterplot3d のヘルプ

Usage

scatterplot3d(x, y=NULL, z=NULL, color=par("col"), pch=NULL,
    main=NULL, sub=NULL, xlim=NULL, ylim=NULL, zlim=NULL,
    xlab=NULL, ylab=NULL, zlab=NULL, scale.y=1, angle=40,
    axis=TRUE, tick.marks=TRUE, label.tick.marks=TRUE,
    x.ticklabs=NULL, y.ticklabs=NULL, z.ticklabs=NULL,
    y.margin.add=0, grid=TRUE, box=TRUE, lab=par("lab"),
    lab.z=mean(lab[1:2]), type="p", highlight.3d=FALSE,
    mar=c(5,3,4,3)+0.1, col.axis=par("col.axis"),
    col.grid="grey", col.lab=par("col.lab"),
    cex.symbols=par("cex"), cex.axis=0.8 * par("cex.axis"),
    cex.lab=par("cex.lab"), font.axis=par("font.axis"),
    font.lab=par("font.lab"), lty.axis=par("lty"),
    lty.grid=par("lty"), lty.hide=NULL, log="", ...)

Arguments

x the coordinates of points in the plot.
y the y coordinates of points in the plot, optional if x is an appropriate structure.
z the z coordinates of points in the plot, optional if x is an appropriate structure.
color colors of points in the plot, optional if x is an appropriate structure. Will be ignored if highlight.3d = TRUE.
pch plotting "character", i.e. symbol to use.
main an overall title for the plot.
sub sub-title.
xlim, ylim, zlim the x, y and z limits (min, max) of the plot. Note that setting enlarged limits may not work as exactly as expected (a known but unfixed bug).
xlab, ylab, zlab titles for the x, y and z axis.
scale.y scale of y axis related to x- and z axis.
angle angle between x and y axis (Attention: result depends on scaling. For 180 < angle < 360 the returned functions xyz.convert and points3d will not work properly.).
axis a logical value indicating whether axes should be drawn on the plot.
tick.marks a logical value indicating whether tick marks should be drawn on the plot (only if axis = TRUE).
label.tick.marks a logical value indicating whether tick marks should be labeled on the plot (only if axis = TRUE and tick.marks = TRUE).
x.ticklabs, y.ticklabs, z.ticklabs vector of tick mark labels.
y.margin.add add additional space between tick mark labels and axis label of the y axis
grid a logical value indicating whether a grid should be drawn on the plot.
box a logical value indicating whether a box should be drawn around the plot.
lab a numerical vector of the form c(x, y, len). The values of x and y give the (approximate) number of tickmarks on the x and y axes.
lab.z the same as lab, but for z axis.
type character indicating the type of plot: "p" for points, "l" for lines, "h" for vertical lines to x-y-plane, etc.
highlight.3d points will be drawn in different colors related to y coordinates (only if type = "p" or type = "h", else color will be used). On some devices not all colors can be displayed. In this case try the postscript device or use highlight.3d = FALSE.
mar A numerical vector of the form c(bottom, left, top, right) which gives the lines of margin to be specified on the four sides of the plot.
col.axis, col.grid, col.lab the color to be used for axis / grid / axis labels.
cex.symbols, cex.axis, cex.lab the magnification to be used for point symbols, axis annotation, labels relative to the current.
font.axis, font.lab the font to be used for axis annotation / labels.
lty.axis, lty.grid the line type to be used for axis / grid.
lty.hide line style used to plot ‘non-visible’ edges (defaults of the lty.axis style)
log Not yet implemented! A character string which contains "x" (if the x axis is to be logarithmic), "y", "z", "xy", "xz", "yz", "xyz". ... more graphical parameters can be given as arguments, pch = 16 or pch = 20 may be nice.

Author(s) Uwe Ligges ligges@statistik.tu-dortmund.de; http://www.statistik.tu-dortmund.de/~ligges.

References Ligges, U., and Maechler, M. (2003): Scatterplot3d ? an R Package for Visualizing Multivariate Data. Journal of Statistical Software 8(11), 1?20. http://www.jstatsoft.org/

種々のグラフ

「pch = 20 」を指定

黒丸でプロット

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "pch=20",
pch = 20)

「color = ..., pch = 20」を指定

散布図の点に色付け

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "color = ..., pch = 20",
color = rep( "green", length( X$USD ) ), pch = 20 )

「color = rep( grey( ..., pch = 20」を指定
散布図の点に色付け．grey() 関数を使用し，濃淡付けを行う（ここでは，新しいほど，黒に近い色）．
scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD, main = "color = rep( grey( ..., pch = 20", color = rep( grey( c( length( X$USD ):1 ) / length( X$USD ) ) ), pch = 20 )

「color = rep( rgb( ..., pch = 20」を指定

散布図の点に色付け．rgb() 関数を使用し，RGB 3原色で色を指定する．

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "color = rep( rgb( ..., pch = 20",
color = rep( rgb(  c( length( X$USD ):1 ) / length( X$USD ), 0.5, 0.5 ) ), pch = 20 )

「color = rep( rgb( ..., pch = 20」を指定
散布図の点に色付け．rgb() 関数を使用し，RGB 3原色で色を指定するが，ここではアルファ値を指定して，半透明にする．
scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD, main = "color = rep( rgb( ..., pch = 20", color = rep( rgb( c( length( X$USD ):1 ) / length( X$USD ), 0.5, 0.5, 0.2 ) ), pch = 20 )

「highlight.3d=TRUE, pch = 20」を指定

遠近感を表現（z 軸報告の値を使って色を変える）

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "highlight.3d=TRUE, pch = 20",
highlight.3d = TRUE, pch = 20)

「highlight.3d=TRUE, type = "h", pch = 20」を指定 type = "h" を指定することで，縦棒が付加される．

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "highlight.3d=TRUE, type = \"h\", pch = 20",
highlight.3d = TRUE, type = "h", pch = 20)

「highlight.3d=TRUE, type = "h", pch = " "」を指定「type = "h", pch = " "」を指定することで，縦棒のみの表示になる．

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "highlight.3d=TRUE, type = \"h\", pch = \" \"",
highlight.3d = TRUE, type = "h", pch = " " )

「highlight.3d=TRUE, type = "h", lwd = 5, pch = " "」を指定「lwd = ...」を指定することで，縦棒の太さを調整できる．

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "highlight.3d=TRUE, type = \"h\", lwd = 5, pch = \" \"",
highlight.3d = TRUE, type = "h", lwd = 5, pch = " " )

「col.axis="blue", col.grid="lightblue"」を指定

軸とグリッドの配色

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "col.axis=\"blue\", col.grid=\"lightblue\"",
col.axis="blue", col.grid="lightblue",
highlight.3d = TRUE, pch = 20)

「x.ticklabs = c( "95 yen", "100 yen", "105 yen", "110 yen", "115 yen", "120 yen", "125 yen" )」を指定

目盛りに書かれる文字列の指定

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "x.ticklabs= ...",
x.ticklabs = c( "95 yen", "100 yen", "105 yen", "110 yen", "115 yen", "120 yen", "125 yen" ), 
col.axis="blue", col.grid="lightblue",
highlight.3d = TRUE, pch = 20)

「angle = ...」を指定

角度の調整

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "angle = 20",
col.axis="blue", col.grid="lightblue",
highlight.3d = TRUE, pch = 20,
angle = 20)

「angle = ..., scale.y = ...」を指定

角度の調整. scale.y では，表示される立体の y 方向の伸び縮み．

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "angle = 20, scale.y = 0.5",
col.axis="blue", col.grid="lightblue",
highlight.3d = TRUE, pch = 20,
angle = 20, scale.y = 0.5)

「zlim = c(90, 100)」を指定

描画範囲の指定

scatterplot3d(x = X$USD, y = X$EUR, z = X$AUD,
main = "zlim = c(90, 100)",
col.axis="blue", col.grid="lightblue", zlim = c(90, 100),
highlight.3d = TRUE, pch = 20)

以下，scatterplot3d に付属のサンプルプログラムを引用．

  ## example 5
  data(trees)
  s3d <- scatterplot3d(trees, type="h", highlight.3d=TRUE,
      angle=55, scale.y=0.7, pch=16, main="scatterplot3d - 5")
  # Now adding some points to the "scatterplot3d"
  s3X$points3d(seq(10,20,2), seq(85,60,-5), seq(60,10,-10),
      col="blue", type="h", pch=16)
  # Now adding a regression plane to the "scatterplot3d"
  attach(trees)
  my.lm <- lm(Volume ~ Girth + Height)
  s3X$plane3d(my.lm, lty.box = "solid")
 
  ## example 6; by Martin Maechler
  cubedraw <- function(res3d, min = 0, max = 255, cex = 2, text. = FALSE)
  {
    ## Purpose: Draw nice cube with corners
    cube01 <- rbind(c(0,0,1), 0, c(1,0,0), c(1,1,0), 1, c(0,1,1), # < 6 outer
                    c(1,0,1), c(0,1,0)) # <- "inner": fore- & back-ground
    cub <- min + (max-min)* cube01
    ## visibile corners + lines:
    res3d$points3d(cub[c(1:6,1,7,3,7,5) ,], cex = cex, type = 'b', lty = 1)
    ## hidden corner + lines
    res3d$points3d(cub[c(2,8,4,8,6),     ], cex = cex, type = 'b', lty = 3)
    if(text.)## debug
        text(res3d$xyz.convert(cub), labels=1:nrow(cub), col='tomato', cex=2)
  }
  ## 6 a) The named colors in R, i.e. colors()
  cc <- colors()
  crgb <- t(col2rgb(cc))
  par(xpd = TRUE)
  rr <- scatterplot3d(crgb, color = cc, box = FALSE, angle = 24,
      xlim = c(-50, 300), ylim = c(-50, 300), zlim = c(-50, 300))
  cubedraw(rr)
  ## 6 b) The rainbow colors from rainbow(201)
  rbc <- rainbow(201)
  Rrb <- t(col2rgb(rbc))
  rR <- scatterplot3d(Rrb, color = rbc, box = FALSE, angle = 24,
      xlim = c(-50, 300), ylim = c(-50, 300), zlim = c(-50, 300))
  cubedraw(rR)
  rR$points3d(Rrb, col = rbc, pch = 16)