はじめに

日本語文章でBOWをするためにCountvectorizerを試していたのですが、どうもfitした単語とtransformしたあとのカラム(get_feature_names()で獲得が可能)が一致せず、fitに利用した単語が一部消えていることが判明しました。解決策を知らず、検索もなかなか時間がかかったため、まとめたいと思います。

環境

• python3.8
• Docker
• docker_image : Datascience notebook
• Jupyter Lab / jupyter notebook

問題

import pandas as pd
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
import numpy as np

# ベクトル化する文字列
sample = np.array(['今日 晴れ 明日 曇'])

# CountVectorizer
vec_count = CountVectorizer()
# ベクトル化
vec_count.fit(sample)
X = vec_count.transform(np.array(["今日　雨　明日　雨　会社　電車　晴れ　会社　歩く"]))

print('Vocabulary size: {}'.format(len(vec_count.vocabulary_)))
print('Vocabulary content: {}'.format(vec_count.vocabulary_))
pd.DataFrame(X.toarray(), columns=vec_count.get_feature_names()) 

結果がこのように出力される

本来であれば「雲」という単語もカラムになってほしいが、なぜか府用語とされてしまう。

調べてみると、すべての単一文字トークンは、デフォルトのトークナイザによって無視されるとのこと

英語が前提でできているため、「a」などは削除されるようにできているらしい。詳しくはこちらの記事を見ていただきたい。

解決策

こちらの記事を参考にしたところ解決した。
やったこととしては、Countvectorizer(token_pattern='(?u)\\b\\w+\\b')としただけ

import pandas as pd
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
import numpy as np

# ベクトル化する文字列
sample = np.array(['今日 晴れ 明日 曇'])

# CountVectorizer
vec_count = CountVectorizer(token_pattern='(?u)\\b\\w+\\b')
# ベクトル化
vec_count.fit(sample)
X = vec_count.transform(np.array(["今日　雨　明日　雨　会社　電車　晴れ　会社　歩く"]))

print('Vocabulary size: {}'.format(len(vec_count.vocabulary_)))
print('Vocabulary content: {}'.format(vec_count.vocabulary_))
pd.DataFrame(X.toarray(), columns=vec_count.get_feature_names()) 

結果

うまくいきました！

余談

1つ目の記事には単一の文字トークンを語彙に含めたい場合は、衣装トークナイザーを使用する必要があります。

vectorizer = CountVectorizer(tokenizer=lambda txt: txt.split())

とあり、こちらで解決したのですが、別の状態(入力が単純なnumpy配列じゃない?)のときにうまくいかず、すべてのカラムに1以上の値が割り当てられているという謎の現象が起きました。こちらについては現在調査中ですので、わかり次第追記したいと思います。

今回のサンプルコードであれば問題なく動いています。

import pandas as pd
from sklearn.feature_extraction.text import CountVectorizer
import numpy as np

# ベクトル化する文字列
sample = np.array(['今日 晴れ 明日 曇'])

# CountVectorizer
vec_count = CountVectorizer(tokenizer= lambda sample: sample.split())
# ベクトル化
vec_count.fit(sample)
X = vec_count.transform(np.array(["今日 雨　明日　雨　会社　電車　晴れ　会社　歩く"]))

print('Vocabulary size: {}'.format(len(vec_count.vocabulary_)))
print('Vocabulary content: {}'.format(vec_count.vocabulary_))
pd.DataFrame(X.toarray(), columns=vec_count.get_feature_names()) 

結果

Warningはでていますが、1文字の単語も機能しています。

最後に

日本語文章をCountvectorizerすると疎のベクトルになりやすいので、やはり扱いは難しいなと感じました。1文字が消えてしまう問題に気付かないで行ってしまう人もいそうですね (私も今になって気づきました)

現象

VSCodeでpythonを実行しようとしたところ、以下のようなエラーが出て実行できませんでした。

>>> /usr/local/bin/python /home/workspace/test/test.py
   File "<stdin>", line 1
    /usr/local/bin/python /home/workspace/test/test.py
    ^
SyntaxError: invalid syntax

デバッガーでは普通に実行できるし、
ターミナルを開いてコマンドラインから実行しても動く。

解決法

VSCodeのコンソールで、pythonが対話モードになったままだった。
なので、exit()で対話モードを抜けて、実行すると問題なく実行できました。

めでたしめでたし

■ はじめに 前にPygameを使用してちょっとしたゲームを作る機会があり、そのときに練習としてテキスト入力処理を作製したのでその覚え書きです。 ここで紹介しているプログラムは アルファベット(大文字, 小文字), 数字(0～9), 半角スペース しか入力できません (日本語入力は難しくて辿り着けませんでした)。 予めご理解ください。 記事の構成なのですが、まず始めにプログラムを細かく区切って説明をし、最後にプログラム全体を載せています。 目次等を利用して読みたい部分だけを読んで頂ければなと思います。 ■ 使用環境 OS: Windows 10 Home エディター: Visual Studio Code(ver. 1.54.3) CUI: Windows PowerShell Python: ver. 3.9.0 Pygame: ver. 2.0.0 Pythonは公式サイトからDLしたexeファイルを使ってインストールしたものを使っています。 Pygameを始めとするライブラリはpipを使ってインストールしています。 VScodeには適当な拡張機能を入れてあります。 ■ 解説へ入る前に 具体的な解説へ入る前に予め説明しておきたい事柄について説明します。 間違えた理解をしていたらごめんなさい。 1. Pygameの「Surface」とは Pygameではディスプレイ上に何かを表示するときSurfaceというもので制御します。 これは例えるなら透明な紙(レイヤーのようなもの)で、この紙の上に画像や文字を配置することでディスプレイ上に表示させることができます。 Surfaceの上にSurfaceを重ねることも可能です(言い換えるならレイヤーを複数重ねることができる、ということです)。また、サイズは自由に変えることができます。 特に、 pygame.display.set_mode() で作製されるSurfaceは「display Surface」と呼ばれていて、これは例えるならキャンバス(カンバス)です。 display Surfaceの上にSurfaceを順次重ねていくことで画面を変化させていきます(例えるなら、display Surfaceが親でその他のSurfaceが子という関係です)。 特別にdisplayと付いてはいますが、行える操作は普通のSurfaceとほぼ変わりません。 まとめると、PygameではSurfaceと呼ばれる透明な紙(=レイヤー)にコンテンツ(画像や文字など)を配置しそれらを重ね合わせることでディスプレイ上にコンテンツを表示することができる、ということになります。 A Newbie Guide to pygame 公式のチュートリアルの1つです。Surfaceについて書かれている項目があります。 初心者のためのpygameガイド 上記の公式チュートリアルの和訳です。 2. Pygameの「Event」とは Pygameではイベント(マウスクリックやキー入力)が発生するとその情報がイベントキューへ送られます。 イベント情報はEventオブジェクトとしてまとめられており、識別番号はtype属性に格納されています。また、イベントによって取得できるデータ(属性)が変わってきます。 イベント 属性 QUIT none ACTIVEEVENT gain, state KEYDOWN key, mod, unicode, scancode KEYUP key, mod MOUSEMOTION pos, rel, buttons MOUSEBUTTONUP pos, button MOUSEBUTTONDOWN pos, button JOYAXISMOTION joy (deprecated), instance_id, axis, value JOYBALLMOTION joy (deprecated), instance_id, ball, rel JOYHATMOTION joy (deprecated), instance_id, hat, value JOYBUTTONUP joy (deprecated), instance_id, button JOYBUTTONDOWN joy (deprecated), instance_id, button VIDEORESIZE size, w, h VIDEOEXPOSE none USEREVENT code イベントの識別番号は定数として参照が可能です。 例えば、以下のように比較することでイベントの判別を行うことができます。 import pygame as pg # 省略 if Event.type == pg.QUIT: # code pygame.event - pygame v2.0.1.dev1 documentation eventモジュールについて書かれている公式リファレンスです。 event - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 3. キー入力情報が持つ属性と識別番号 「2. Pygameの「Event」とは」で説明した通り、Eventオブジェクトは複数の属性を持っています。 ここでは、キー入力情報を持つ KEYDOWN イベントについて説明しておこうと思います。 先述の表にある通り、 KEYDOWN イベントは key, mod, unicode, scancode の合計4属性を持っています。 このプログラムでは主に keyを使用しており、以下のようなデータが格納されています。 key属性：キー毎に定義された識別番号(定数)が格納されている。 ASCIIで例えれば、key属性には0x61といった数値が保持されているということです(0x61 = 'a')。 識別番号は pygame.K_a のように単体で参照することができるので、key属性に格納された値と識別番号を if で比較することにより、どのキーが押されたのかを判別することができます。 4. Pygameで扱えるフォントの種類 プログラム上で使用できるフォントは get_fonts() で取得することができます。 ざっと調べたところ、どうやら C:\Windows\Fonts にあるフォントは一通り扱えるようです。実行環境にも寄るとは思いますが、使用したいフォントが無いようであればPCにインストールすることで扱えるようになると思います。 以下のようなプログラムでフォントを一覧確認することができると思います。 import pygame as pg fonts = pg.font.get_fonts() # 使用できるフォントの一覧を取得する for i in fonts: print(i) pygame.font - pygame v2.0.1.dev1 documentation fontモジュールについて書かれている公式リファレンスです。 font - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 5. xy座標によるオブジェクトの配置 Pygameでは、透明な紙(Surface)の上にコンテンツを配置し、それを重ねていくことでディスプレイ上にコンテンツを表示すると先述しました。 そこでxy座標による配置について法則をまとめておきたいと思います(Pygameに限らず、他のライブラリや言語でも共通していると思います)。 Surfaceの原点がオブジェクト左上であることに注意すれば自由にオブジェクトを配置することができると思います。 ウィンドウの横幅 ウィンドウの縦幅 オブジェクトの横幅 オブジェクトの縦幅 win_w win_h obj_w obj_h 水平 垂直 (x, y) left top (0, 0) left middle (0, (win_h / 2) - (obj_h / 2)) left bottom (0, win_h - obj_h) center top ((win_w / 2) - (obj_w / 2), 0) center middle ((win_w / 2) - (obj_w / 2), (win_h / 2) - (obj_h / 2)) center bottom ((win_w / 2) - (obj_w / 2), win_h - obj_h) right top (win_w - obj_w, 0) right middle (win_w - obj_w, (win_h / 2) - (obj_h / 2) right bottom (win_w - obj_w, win_h - obj_h) 文字だけではわかりにくいので、別途で解説を書......こうと思っています。 完成したらこちらにリンクを貼ると思うのでもしよければご一読ください。 ■ 解説 1. ライブラリのインポート ライブラリは標準ライブラリである sys , typing とPython用のゲームライブラリである Pygame を使用しています。 text_input.py import sys from typing import Union import pygame as pg # Pygameをpgという名前でインポート ライブラリはそれぞれ以下の用途で利用します。 sys ：プログラムの終了処理で exit() を使うため。 typing ：自作関数の型アノテーションを記述するため (あってもなくても)。 pygame ：本日の主役。 2. 初期設定 ここからはプログラム内で定義している main() の中身になります。 まず始めに、具体的な処理をする前にモジュールの初期化や定数の定義を行います。 text_input.py > main() def main() -> None: """ Pygameのテキスト入力処理のサンプル 扱えるキーはアルファベット(a-z)と数字(0-9), Space, Enterのみ 記号等は扱えない """ # # 初期設定 # pg.init() # 全てのpygameモジュールの初期化 WIDTH = 800 # ウィンドウ横幅 HEIGHT = 600 # ウィンドウ縦幅 BLACK = (0, 0, 0) # 黒色 WHITE = (255, 255, 255) # 白色 少し細かく説明していきます。 pg.init() # 全てのpygameモジュールの初期化 init() はPygameの全てのモジュールを初期化するため関数です。 リファレンスを眺めた感じ、どうやら pygame.display.init() や pygame.font.init() など複数のモジュールに定義された初期化処理を一括で実行するための関数であるようです。 pygame - pygame v2.0.1.dev1 documentation init() について書かれている公式リファレンスです。 pygame - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 WIDTH = 800 # ウィンドウ横幅 HEIGHT = 600 # ウィンドウ縦幅 BLACK = (0, 0, 0) # 黒色 WHITE = (255, 255, 255) # 白色 WIDTH , HEIGHT はウィンドウの横幅と縦幅の数値です。 BLACK , WHITE はPygameで利用する色の数値(RGB値)です。 3. ウィンドウの設定 引き続きプログラム内で定義している main() の中身になります。 ここでは、ウィンドウのサイズやキャプション等の設定を行います。 text_input.py > main() # # ウィンドウの設定 # screen = pg.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT)) # ウィンドウの横縦を800*600に設定 pg.display.set_caption('text input sample') # キャプションの設定 font = pg.font.SysFont('arial', 60) # 使用するフォントの設定 screen.fill(BLACK) # ウィンドウを黒で塗りつぶす 少し細かく説明していきます。 screen = pg.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT)) # ウィンドウの横縦を800*600に設定 set_mode() でウィンドウの初期化を行います。これにより、display Surfaceが作製されます。作製されたdisplay Surfaceは screen という名前で受け取ります。 (WIDTH, HEIGHT) はresolution引数の値でウィンドウの幅と高さを表しています。他にも引数はあるのですが、特に必要ないので既定値を使用しています。 pygame.display - pygame v2.0.1.dev1 documentation set_mode() について書かれている公式リファレンスです。 display - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 pg.display.set_caption('text input sample') # キャプションの設定 set_caption() でウィンドウ上部に表示するテキストの設定を行います。 pygame.display - pygame v2.0.1.dev1 documentation set_caption() について書かれている公式リファレンスです。 display - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 font = pg.font.SysFont('arial', 60) # 使用するフォントの設定 SysFont() でウィンドウに表示するフォントの設定を行います。SysFont() はFontオブジェクトを返すのでそれを font という名前で受け取ります。 name引数はフォント名, size引数はフォントサイズで、それぞれArial, 60を指定しています。他の引数は既定値を使用しています。 この font (Fontオブジェクト)はテキストを画面に描画するときに使用します。 pygame.font - pygame v2.0.1.dev1 documentation SysFont() について書かれている公式リファレンスです。 font - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 screen.fill(BLACK) # ウィンドウを黒で塗りつぶす fill() でウィンドウ内を黒色で塗りつぶす処理を行います。 ここでは下地となるウィンドウに対して塗りつぶす処理を行いたいので、display Surfaceである screen に対して fill() を呼び出しています。 pygame.Surface - pygame v2.0.1.dev1 documentation fill() について書かれている公式リファレンスです。 surface - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 4. テキスト入力処理の初期設定 引き続きプログラム内で定義している main() の中身になります。 ここでは、テキスト入力処理に必要な文字の描画準備や変数宣言を行っています。 text_input.py > main() # # テキスト入力処理の初期設定 # txt = font.render('|', True, WHITE) # 描画するテキスト(文字列, アンチエイリアスの有無, 色) # テキストの描画(表示物, (x座標, y座標)) screen.blit(txt, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2) )) txt_give = '' # 確定(Enter)された文字列を保持する変数 txt_words = [] # 入力された文字を保持するリスト txt_tmp = '' # 入力された1文字を一時的に保持する変数 少し細かく説明していきます。 txt = font.render('|', True, WHITE) # 描画するテキスト(文字列, アンチエイリアスの有無, 色) render() で新しいSurfaceを作製しています。render() はSurfaceクラスを返すのでそれを txt という名前で受け取ります。 text引数は表示したい文字, antialias引数はアンチエイリアス処理(ジャギーを目立たなくする処理)の有無, color引数は表示したい文字の色で、それぞれ|(バーティカルバー), True, WHITEを指定しています。他の引数は既定値を使用しています。 ちなみにバーティカルバーはテキスト入力のカーソルの代わりです。 この処理により、バーティカルバーを描画した透明な紙を作製したことになります。 pygame.font - pygame v2.0.1.dev1 documentation render() について書かれている公式リファレンスです。 font - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 # テキストの描画(表示物, (x座標, y座標)) screen.blit(txt, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2) )) blit() でSurfaceを他のSurface上に描画しています(例えるなら、既存レイヤーの上に新規レイヤーを重ねる、という処理)。 この場合、キャンバス(カンバス)となるSurfaceであるdisplay Surface、つまり screen の上に txt を描画することになるので、screen に対して blit() を呼び出しています。 source引数は表示したいSurface, dest引数は表示したいSurfaceの配置位置で、それぞれtxt, (x座標, y座標)を指定しています。 今回は画面中央にテキストを描画したいので、中心に来るようxy座標を指定しています。 get_width() と get_height() はそれぞれSurfaceの幅と高さを取得するメソッドです。 pygame.Surface - pygame v2.0.1.dev1 documentation blit() について書かれている公式リファレンスです。 surface - Pygameドキュメント 日本語訳 blit() について書かれている公式リファレンスの和訳です。 pygame.Surface - pygame v2.0.1.dev1 documentation get_width() について書かれている公式リファレンスです。 surface - Pygameドキュメント 日本語訳 get_width() について書かれている公式リファレンスの和訳です。 pygame.Surface - pygame v2.0.1.dev1 documentation get_height() について書かれている公式リファレンスです。 surface - Pygameドキュメント 日本語訳 get_height() について書かれている公式リファレンスの和訳です。 txt_give = '' # 確定(Enter)された文字列を保持する変数 txt_words = [] # 入力された文字を保持するリスト txt_tmp = '' # 入力された1文字を一時的に保持する変数 テキスト入力を行うために今回は3つの変数を使用します。 変数はそれぞれ以下のような役割を持っています。 txt_give ：Enterで確定された文字列を保持する変数。入力された文字列に対して何か操作を行う場合はこの変数に対して処理を行う。 txt_words ：入力された文字を順に保持するリスト。例えば'abc'と入力した場合、txt_words = ['a', 'b', 'c']となる。 txt_tmp ： txt_words に追加する前の文字を保持する変数。処理可能な文字かどうかを判別するために使用する。 5. イベント処理 引き続きプログラム内で定義している main() の中身(と while(is_running) の中身)になります。 ここでは、Pygameのイベント処理を行っています。 text_input.py > main() # # イベント処理 # is_running = True # イベント処理のトリガー pg.display.update() # 画面更新 while(is_running): for event in pg.event.get(): if event.type == pg.QUIT: # ウィンドウの閉じるボタン押下？ pg.quit() # 全てのpygameモジュールの初期化を解除 sys.exit(0) # プログラムを終了 少し細かく説明していきます。 is_running = True # イベント処理のトリガー イベント処理全体を制御するためのbool型変数の宣言を行っています。 今回は特に使わないのですが、例えばEnterキーで入力を確定した際にイベント処理を終了させたい場合は is_running をFalseにすることでwhile()をbreakすることができます(つまり別の処理に移ることができるようになります)。 pg.display.update() # 画面更新 update() で今までdisplay Surface上に描画したSurfaceをウィンドウ上(私達が実際に見ている画面)に表示しています。 pg.display.flip() でも同様の処理を行うことができます。 「 blit() で既存のSurface上に別のSurfaceを重ねるような形で描画します」と先述したのですが、実はこれだけでは不十分であり update() ないし flip() を実行することで初めて変更が適用されるので注意してください。 pygame.display - pygame v2.0.1.dev1 documentation update() について書かれている公式リファレンスです。 display - Pygameドキュメント 日本語訳 update() について書かれている公式リファレンスの和訳です。 pygame.display - pygame v2.0.1.dev1 documentation flip() について書かれている公式リファレンスです。 display - Pygameドキュメント 日本語訳 flip() について書かれている公式リファレンスの和訳です。 while(is_running): for event in pg.event.get(): for() を使用し get() で取得したイベントキューに存在する全てのイベント情報を順に event へ代入していきます。 if() と ==(比較演算子) を使用しイベント情報の判別を行うことにより、特定のイベントで任意の処理を行うことができるようになります。 while(is_running): はこのイベント処理をループさせるためのwhile文です。 pygame.event - pygame v2.0.1.dev1 documentation get() について書かれている公式リファレンスです。 event - Pygameドキュメント 日本語訳 上記の公式リファレンスの和訳です。 if event.type == pg.QUIT: # ウィンドウの閉じるボタン押下？ pg.quit() # 全てのpygameモジュールの初期化を解除 sys.exit(0) # プログラムを終了 pg.QUIT はウィンドウ右上にある閉じるボタンの押下を表す定数(識別番号)です。 イベント情報から event.type で識別番号を参照、比較することにより、イベント情報が pg.QUIT であるかどうかを判別しています。 quit() は全てのPygameモジュールの初期化を解除するため関数です。 init() のように pygame.display.quit() や pygame.font.quit() など複数のモジュールに定義された初期化解除処理を一括で実行するための関数であるようです。 exit() はプログラムを終了するための処理です。 この場合は正常終了なので引数に0を渡しています。 6. テキスト入力処理(キー検知と判別) プログラム内で定義している main() の中にある while(is_running) の中身になります(正確に言えば for event in pg.event.get(): の中身)。 ここでは、テキスト入力処理のキー検知と判別を行っています。 text_input.py > main() > while(is_running) # # テキスト入力処理(キー検知と判別) # if event.type == pg.KEYDOWN: # キー入力検知？ if event.key == pg.K_RETURN: # Enter押下？ txt_give = ''.join(txt_words) # 文字列に直して保持 txt_words = [] # 初期化 txt_tmp = '' # 初期化 print('input \'Enter\'') # ログ elif event.key == pg.K_BACKSPACE: # BackSpace押下？ if not len(txt_words) == 0: # 保持している文字が存在するか？ txt_words.pop() # 最後の文字を取り出す(削除) else: # 上記以外のキーが押された時 txt_tmp = jud_key(event.key) if not txt_tmp == None: # 入力可能な文字？ txt_words.append(txt_tmp) # 入力可能であれば保持する 少し細かく説明していきます。 if event.type == pg.KEYDOWN: # キー入力検知？ pg.KEYDOWN はキー入力を表す定数(識別番号)です。 if を使用しキューから取得したイベント情報( event.type )がキーボードの入力( pg.KEYDOWN )であるかの判別を行っています。 if event.key == pg.K_RETURN: # Enter押下？ txt_give = ''.join(txt_words) # 文字列に直して保持 txt_words = [] # 初期化 txt_tmp = '' # 初期化 print('input \'Enter\'') # ログ pg.K_RETURN はキーボードのEnter(Return)を表す定数(識別番号)です。 if を使用しキー入力情報が持つkey属性がreturnであるかの判別を行っています(つまりEnterキーが入力された場合)。 Enterキーが入力された場合、今まで入力された文字を後続の処理へ渡したいので join() を使ってリストにある要素を文字列としてまとめて txt_give へ代入しています。 その後、 txt_words と txt_tmp を初期化しています。 print() はCUI上にログを出力するためのものです(動作確認用)。 elif event.key == pg.K_BACKSPACE: # BackSpace押下？ if not len(txt_words) == 0: # 入力中の文字が存在するか？ txt_words.pop() # 最後の文字を取り出す(削除) pg.K_BACKSPACE はキーボードのBackSpaceを表す定数(識別番号)です。 if を使用しキー入力情報が持つkey属性がbackspaceであるかの判別を行っています。 BackSpaceキーが入力された場合、最後に入力された文字を1文字削除したいので pop() を使って txt_words から末尾の要素を削除しています。 ただし、 txt_words に何も要素が無い(入力中の文字が無い)場合に pop() を呼び出すとエラーが発生してしまうので if not と len() を使用して要素が存在するかの判別しています。 else: # 上記以外のキーが押された時 txt_tmp = jud_key(event.key) if not txt_tmp == None: # 入力可能な文字？ txt_words.append(txt_tmp) # 入力可能であれば保持する キー入力情報がもつkey属性がreturn, backspace以外の場合の処理です。 EnterキーとBackSpaceキー以外が押された場合、まず扱える文字であるかどうか(A-Z, a-z, 0-9, Space)の判別を行う必要があるので、自作関数である jud_key() を呼び出し、判別結果を txt_tmp に代入しています。 jud_key() については後々説明します。 jud_key() は入力されたキーに対応する文字(str型)またはNoneを返す関数であり、Noneが返ってくる場合は対応していないキー(記号など)が入力されたことを意味しています。 したがって、 txt_tmp にNoneが格納されていない場合のみ append() を使用して txt_words に文字( txt_tmp )を代入しています。 7. テキスト入力処理(描画) プログラム内で定義している main() の中にある while(is_running) の中身になります(正確に言えば for event in pg.event.get(): の中身)。 ここでは、入力されたテキストの描画を行っています。 text_input.py > main() > while(is_running) # # テキスト入力処理(描画) # # 上書き(塗りつぶし) rect値(x, y, width, height) screen.fill((BLACK, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2), txt.get_width(), txt.get_height() )) if not len(txt_words) == 0: # 表示物があるか？ txt = font.render(''.join(txt_words) + '|', True, WHITE) # 文字とカーソルを表示 else: txt = font.render('|', True, WHITE) # カーソルだけを表示 # テキストの描画(表示物, (x座標, y座標)) screen.blit(txt, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2) )) pg.display.update() # 画面更新 print('txt_give : ', txt_give) # ログ print('txt_words : ', txt_words) # ログ print('txt_tmp : ', txt_tmp) # ログ print('-------------------------') # ログ このプログラムでは、キー入力が検知される度に txt に格納されている文字列をSurface化(= render() によるSurfaceの作製)し、既に描画されている文字列の上に描画することで画面更新を行っています。 ただし、ここで1つ問題があります。 それは「新しいSurface(文字列)の下に古いSurfaceが見えてしまう可能性がある」ということです。 どういう意味かと言うと、例えば「A3サイズの紙の上にA4サイズの紙を重ねると、A3紙がはみ出て見える」ように「長い文字列の上に短い文字列を描画すると、長い文字列がはみ出て見える」ということです。 この問題を回避するために、新しい文字列を描画する前に古い文字列を背景色で塗りつぶす、という処理をしています(例えるなら、消しゴムを使って書き直しています)。 # 上書き(塗りつぶし) rect値(x, y, width, height) screen.fill((BLACK, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2), txt.get_width(), txt.get_height() )) 古い文字列の塗りつぶしは fill() を使用しています。 この処理を実行しようとしているとき、 txt はまだ古い文字列を保持しているので get_width() と get_height() を使用してSurfaceのサイズを測り、文字列がある場所だけを背景色で塗りつぶしています。 ちなみに、rect値というのは四角形の描画に必要な「x座標, y座標, 幅, 高さ」のことを指します。 if not len(txt_words) == 0: # 表示物があるか？ txt = font.render(''.join(txt_words) + '|', True, WHITE) # 文字とカーソルを表示 else: txt = font.render('|', True, WHITE) # カーソルだけを表示 下準備(古い文字列を塗りつぶして見えなくする作業)が終わったら次は新しく描画する文字列を用意します。 if not と lne() を使い入力中の文字列があるかどうか(= txt_words に要素があるかどうか)を判別し、文字列とカーソル(|)を表示するのかカーソルのみ表示するのかを決定しています。 文字列とカーソルを表示する場合は join() を使い txt_words を文字列化しています。 # テキストの描画(表示物, (x座標, y座標)) screen.blit(txt, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2) )) 「4. テキスト入力処理の初期設定」で登場した screen.blit(txt, ... と同じ処理です。 画面中央へ文字が来るような位置に描画しています。 pg.display.update() # 画面更新 print('txt_give : ', txt_give) # ログ print('txt_words : ', txt_words) # ログ print('txt_tmp : ', txt_tmp) # ログ print('-------------------------') # ログ update()で画面を更新しています。 この更新で始めて文字が切り替わります(ここで初めて上記の fill() と blit() が反映される、ということです)。 print()はCUI上にログを出力するためのものです(動作確認用)。 while(is_running): がbreakされない限り、次は for event in pg.event.get(): が実行されます。 8. 入力されたキーに対応する文字を返す自作関数jud_key() キー入力情報から対応する文字へ変換するための自作関数 jud_key() をファイル直下に定義しています( main() の兄弟要素)。 冒頭でも説明しましたが、このプログラムは「 アルファベット(大文字, 小文字), 数字(0～9), 半角スペース 」しか扱えません。 ですので、扱える文字が入力された場合はその文字を、扱えない文字が入力された場合はNoneをそれぞれ呼び出し元へ返すように設計しています。 text_input.py > jud_key() def jud_key(key: int) -> Union[str, None]: """ 入力されたキーに対応する文字を返す関数 扱えないキーが入力された場合はNoneを返す Pygameのキーは定数(整数)が割り当てられているので引数はint型になる 扱える文字は以下の通り ・アルファベット(A-Z, a-z) ・数字(0-9) ・半角スペース """ if (key >= pg.K_a)and(key <= pg.K_z): # アルファベットが入力された？ if pg.key.get_mods() & pg.KMOD_SHIFT: # Shiftキーが入力された？ return pg.key.name(key).upper() # 大文字 else: return pg.key.name(key) # 小文字 elif ((key >= pg.K_0)and(key <= pg.K_9)): # 0-9が入力された？ if pg.key.get_mods() & pg.KMOD_SHIFT: # Shiftキーが入力された？ return None else: return pg.key.name(key) elif key == pg.K_SPACE: # スペースが入力された？ return ' ' else: # 例外？ return None 各キーに対して定義されている定数(識別番号)は name() を使うことで対応する文字列を取得することができます。 そこで if を使用してkey属性がアルファベット, 数字, スペース, その他のいずれに当てはまるのかを判別、 name() を使って文字列へ変換しています。 アルファベットを入力している場合、get_mods() と &(ビット演算子) を使用してマスク処理を行い、同時にShiftキーが入力されているかを確認(判別)しています。 Shiftキーを同時に入力している場合は name() で取得した文字を upper() で大文字に変換したのちreturnしています。 Shiftキーが同時に入力されていない場合は name() で取得した文字をそのままreturnしています。 数字を入力している場合、 get_mods() と &(ビット演算子) を使用してマスク処理を行い、同時にShiftキーが入力されているかを確認(判別)しています。 Shiftキーを同時に入力している場合は記号を入力しようとしていることになるので、Noneをreturnしています(今回は記号が扱えない縛りなので)。 Shiftキーが同時に入力されていない場合は name() で取得した文字をそのままreturnしています。 スペースはスペース以外のキーが割り振られていることがほぼ無いので、Shiftキーの判別は行っていません。 スペースは name() を使用すると「return」という文字を返すのですが、実際には「 (←半角スペース、文字で表すなら )」を返して欲しいので文字列リテラル' 'をreturnしています。 上記以外のキーは else でひとまとめにしています。 扱えない文字なのでNoneをreturnしています。 なお、 get_mods() は入力されている全ての修飾キーの状態をビットマスクで表した値を返すメソッドです。 先述したように、ビット演算子( & )でマスク処理を行うことでどの修飾キーが押されているかを確認することができます。 pygame.key - pygame v2.0.1.dev1 documentation name() について書かれている公式リファレンスです。 key - Pygameドキュメント 日本語訳 name() について書かれている公式リファレンスの和訳です。 pygame.key - pygame v2.0.1.dev1 documentation get_mods() について書かれている公式リファレンスです。 key - Pygameドキュメント 日本語訳 get_mods() について書かれている公式リファレンスの和訳です。 ■ プログラム全体 プログラム全体を載せています。 プログラム下にあるif __name__ == '__main__':はスクリプトとしてCUI上から実行されているかを判別するためのものです。 (このif文があることにより、CUI上からスクリプトとして実行されると main() が実行されるようになります) text_input.py import sys from typing import Union import pygame as pg # Pygameをpgという名前でインポート def main() -> None: """ Pygameのテキスト入力処理のサンプル 扱えるキーはアルファベット(a-z)と数字(0-9), Space, Enterのみ 記号等は扱えない """ # # 初期設定 # pg.init() # 全てのpygameモジュールの初期化 WIDTH = 800 # ウィンドウ横幅 HEIGHT = 600 # ウィンドウ縦幅 BLACK = (0, 0, 0) # 黒色 WHITE = (255, 255, 255) # 白色 # # ウィンドウの設定 # screen = pg.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT)) # ウィンドウの横縦を800*600に設定 pg.display.set_caption('text input sample') # キャプションの設定 font = pg.font.SysFont('arial', 60) # 使用するフォントの設定 screen.fill(BLACK) # ウィンドウを黒で塗りつぶす # # テキスト入力処理の初期設定 # txt = font.render('|', True, WHITE)# 描画するテキスト(文字列, アンチエイリアスの有無, 色) # テキストの描画(表示物, (x座標, y座標)) screen.blit(txt, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2) )) txt_give = '' # 確定(Enter)された文字列を保持する変数 txt_words = [] # 入力された文字を保持するリスト txt_tmp = '' # 入力された1文字を一時的に保持する変数 # # イベント処理 # is_running = True # イベント処理のトリガー pg.display.update() # 画面更新 while(is_running): for event in pg.event.get(): if event.type == pg.QUIT: # ウィンドウの閉じるボタン押下？ pg.quit() # 全てのpygameモジュールの初期化を解除 sys.exit(0) # プログラムを終了 # # テキスト入力処理(キー検知と判別) # if event.type == pg.KEYDOWN: # キー入力検知？ if event.key == pg.K_RETURN: # Enter押下？ txt_give = ''.join(txt_words) # 文字列に直して保持 txt_words = [] # 初期化 txt_tmp = '' # 初期化 print('input \'Enter\'') # ログ elif event.key == pg.K_BACKSPACE: # BackSpace押下？ if not len(txt_words) == 0: # 入力中の文字が存在するか？ txt_words.pop() # 最後の文字を取り出す(削除) else: # 上記以外のキーが押された時 txt_tmp = jud_key(event.key) if not txt_tmp == None: # 入力可能な文字？ txt_words.append(txt_tmp) # 入力可能であれば保持する # # テキスト入力処理(描画) # # 上書き(塗りつぶし) rect値(x, y, width, height) screen.fill(BLACK, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2), txt.get_width(), txt.get_height() )) if not len(txt_words) == 0: # 入力中のテキストがあるか？ txt = font.render(''.join(txt_words) + '|', True, WHITE) # テキストとカーソルを表示 else: txt = font.render('|', True, WHITE) # カーソルだけを表示 # テキストの描画(表示物, (x座標, y座標)) screen.blit(txt, ( (WIDTH / 2) - (txt.get_width() / 2), (HEIGHT / 2) - (txt.get_height() / 2) )) pg.display.update() # 画面更新 print('txt_give : ', txt_give) # ログ print('txt_words : ', txt_words) # ログ print('txt_tmp : ', txt_tmp) # ログ print('-------------------------') # ログ def jud_key(key: int) -> Union[str, None]: """ 入力されたキーに対応する文字を返す関数 扱えないキーが入力された場合はNoneを返す Pygameのキーは定数(整数)が割り当てられているので引数はint型になる 扱える文字は以下の通り ・アルファベット(A-Z, a-z) ・数字(0-9) ・半角スペース """ if (key >= pg.K_a)and(key <= pg.K_z): # アルファベットが入力された？ if pg.key.get_mods() & pg.KMOD_SHIFT: # Shiftキーが入力された？ return pg.key.name(key).upper() # 大文字 else: return pg.key.name(key) # 小文字 elif ((key >= pg.K_0)and(key <= pg.K_9)): # 0-9が入力された？ if pg.key.get_mods() & pg.KMOD_SHIFT: # Shiftキーが入力された？ return None else: return pg.key.name(key) elif key == pg.K_SPACE: # スペースが入力された？ return ' ' else: # 例外？ return None if __name__ == '__main__': main() ■ おわりに というわけでPygameでのテキスト入力処理の一例でした。 駄文ではありますが何かしらの参考になれば幸いです。 余裕があれば日本語入力も出来る完全ver.を作ったのち記事にしたいと思います。 ■ 参考サイト Pygameの公式リファレンス(英語) 英語が問題なく読めるのであれば、このサイトで大体の疑問は解決できるような気がします。 Chromeで日本語/英語を切り替えながら見るのがオススメです。 Pygameの公式リファレンスの和訳 未翻訳の部分が存在する可能性があるので英語版(本家)のサイトと照らし合わせながら読むことをオススメします。 レイアウトは公式とほぼ同じなので使いやすいと思います。 文書とか - Yusuke Shinyama たまたま見つけたサイトです。恐らく個人のサイトだと思うのですが、公式リファレンスの和訳を何個か投稿されていたので。 pygame - Getting started with pygame | pygame Tutorial たまたま見つけたサイトです。英語ではありますが、サンプルプログラムを写経するだけでも得るものがあると思います。

今回は。MPU9250　9軸センサモジュールで遊んでみた記録です。
加速度(g)、温度、角速度（３軸まわりの回転速度ω（degree/s））、磁気の10個の測定ができるようです。
参考①でいろいろ書かれているのでほぼOKですが、RasPi4でやってみたので、その記録です。

【参考】
①Rasberry pi 3でストロベリー・リナックス社製の「MPU-9250 ９軸センサモジュール (メーカー品番：MPU-9250)」を使う
②Raspberry Pi 3 Mobel B+とカムプログラムロボットでロボット作成

やったこと

・環境
・加速度の測定
・温度の測定
・角速度の測定
・地磁気の測定

・環境

i2cを有効にする

参考①と異なり、RasPi４の環境で有効にします。
メニューー設定ーRaspberryPiの設定ーインターフェース：I2Cを有効ーOK
で有効にできます。

製品と配線

以下のとおり
製品；クリックするとアマゾンへ飛びます

このモジュールをRasPi4のGPIOの各pinに接続します。
※短い側に半田つけしてから、ブレッドボードへ指してRasPi4と接続します
VCC-3.3v(3.3v pin1)
GND-GND(GND pin6)
SCL-SCL1(GPIO3 pin5)
SDA-SDA1(GPIO2 pin3)
【参考】
③ラズパイ（Raspberry Pi）のGPIOを再確認！　まずは汎用入出力からマスターしよう

MPU9250

i2c-toolsをインストールする。

$ sudo apt-get install i2c-tools python-smbus
$ sudo i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
60: -- -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- -- 
70: -- -- -- -- -- -- -- -- 

i2c_access.py

#!/usr/bin/python -u
# -*- coding: utf-8 -*-

import smbus
import time

address = 0x68
channel = 1
bus     = smbus.SMBus(channel)

# PWR_MGMT_1をクリア
bus.write_i2c_block_data(address, 0x6B, [0x00])
time.sleep(0.1)

# I2Cで磁気センサ機能(AK8963)へアクセスできるようにする(BYPASS_EN=1)
bus.write_i2c_block_data(address, 0x37, [0x02])
time.sleep(0.1)

以下のようにI2Cで磁気センサ機能(AK8963)に0x0cで接続できる。

$ python3 i2c_access.py
$ sudo i2cdetect -y 1
     0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  a  b  c  d  e  f
00:          -- -- -- -- -- -- -- -- -- 0c -- -- -- 
10: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
20: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
30: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
40: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
50: -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- 
60: -- -- -- -- -- -- -- -- 68 -- -- -- -- -- -- -- 
70: -- -- -- -- -- -- -- -- 

・加速度の測定

実は、参考①をまんまでも（python3対応はしますが）とりあえず動きます。
しかし、数字がおかしいです。
また、取得方法も
data = bus.read_i2c_block_data(address, 0x3B ,6)
となっていますが、リンク先では、以下のコードで取得できるとなっています。

def getAccel(axis):
    if axis == 'X':
        accel_H = dataGet(0x3B,1)
        accel_L = dataGet(0x3C,1)
    elif axis == 'Y':
        accel_H = dataGet(0x3D,1)
        accel_L = dataGet(0x3E,1)

    elif axis == 'Z':
        accel_H = dataGet(0x3F,1)
        accel_L = dataGet(0x40,1)

ここが判じ物なので、それなりに楽しめました。
まず、取得方法の違いを理解するためにデータシートを見てみます。
以下にありました。
【参考】
MPU-9250レジスタ・リファレンスマニュアル
部分的に示すと、以下のようになっています。

adress(Hex)	adress(Dec.)	Register Name	R/W	Bit(7-0)
3B	59	ACCEL_XOUT_H	R	ACCEL_XOUT_H[15:8]
3C	60	ACCEL_XOUT_L	R	ACCEL_XOUT_L[7:0]
3D	61	ACCEL_YOUT_H	R	ACCEL_YOUT_H[15:8]
3E	62	ACCEL_YOUT_L	R	ACCEL_YOUT_L[7:0]
3F	63	ACCEL_ZOUT_H	R	ACCEL_ZOUT_H[15:8]
40	64	ACCEL_ZOUT_L	R	ACCEL_ZOUT_L[7:0]
41	65	TEMP_OUT_H	R	TEMP_OUT_H[15:8]
42	66	TEMP_OUT_L	R	TEMP_OUT_L[7:0]
43	67	GYRO_XOUT_H	R	GYRO_XOUT_H[15:8]
44	68	GYRO_XOUT_L	R	GYRO_XOUT_L[7:0]
45	69	GYRO_YOUT_H	R	GYRO_YOUT_H[15:8]
46	70	GYRO_YOUT_L	R	GYRO_YOUT_L[7:0]
47	71	GYRO_ZOUT_H	R	GYRO_ZOUT_H[15:8]
48	72	GYRO_ZOUT_L	R	GYRO_ZOUT_L[7:0]

つまり、リンク先では一ずつアクセスして取得していますが、参考①では3B-40まで一度に取得して変換しているのが分かります。
また、数字がおかしいのがわかりませんでしたが、答えを見ると、どうやら

# 平均値をオフセットにする

というのが怪しいので、オフセットを導入します。
通常は、積算して平均のオフセットを使うのが普通ですが、ここでは単にオフセットの効果をみたいので、最初のデータを使ってオフセットとします。
Z-軸の重力加速度を１としています。

#!/usr/bin/python -u
# -*- coding: utf-8 -*-

import smbus
import time
import matplotlib.pyplot as plt

address = 0x68
channel = 1
bus     = smbus.SMBus(channel)


#unsignedを、signedに変換(16ビット限定）
def u2s(unsigneddata):
    if unsigneddata & (0x01 << 15) : 
        return -1 * ((unsigneddata ^ 0xffff) + 1)
    return unsigneddata

if __name__ == "__main__":
    # レジスタをリセットする
    bus.write_i2c_block_data(address, 0x6B, [0x80])
    time.sleep(0.1)     

    # PWR_MGMT_1をクリア
    bus.write_i2c_block_data(address, 0x6B, [0x00])
    time.sleep(0.1)

    # 加速度センサのレンジを±8gにする
    #bus.write_i2c_block_data(address, 0x1C, [0x08])

    data    = bus.read_i2c_block_data(address, 0x3B ,6)
    rawX0    = -(2.0 / 0x8000) * u2s(data[0] << 8 | data[1])
    rawY0    = -(2.0 / 0x8000) * u2s(data[2] << 8 | data[3])
    rawZ0    = -(2.0 / 0x8000) * u2s(data[4] << 8 | data[5]) + 1
    print ('|acc_X,| acc_Y,| acc_Z: |')
    print ('|:--:|:--:|:--:|')
    print ('|{0:.7f},|{1:.7f},|{2:.7f},|'.format(rawX0, rawY0, rawZ0))
    sk =0
# データを取得する
    try:
        while True:
            data    = bus.read_i2c_block_data(address, 0x3B ,6)
            rawX    = (2.0 / 0x8000) * u2s(data[0] << 8 | data[1]) + rawX0
            rawY    = (2.0 / 0x8000) * u2s(data[2] << 8 | data[3]) + rawY0
            rawZ    = (2.0 / 0x8000) * u2s(data[4] << 8 | data[5]) + rawZ0
            print ('|{0:.7f},|{1:.7f},|{2:.7f},|'.format(rawX, rawY, rawZ))
            plt.plot(sk,rawX, 'ro')
            plt.plot(sk,rawY, 'bo')
            plt.plot(sk,rawZ, 'go')
            plt.pause(1)
            sk += 1
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        plt.savefig('accl{}.png'.format(sk))

上のコードで取得した加速度です。
センサーを平行にしたり、９０度傾けたりすると、センサーの方向によって数字が以下のように変化しました。
数字がほぼ１だけ変化しているので、重力を１にしたのは、この程度の精度では妥当なようです。

acc_X,	acc_Y,	acc_Z:
-0.2480469,	-1.0312500,	0.6799316,
0.0014648,	0.0017090,	0.9997559,
0.0000000,	0.0007324,	1.0000000,
0.0000000,	-0.0029297,	0.9985352,
-0.0046387,	0.0046387,	0.9938965,
0.0017090,	-0.0012207,	0.9978027,
-0.0026855,	0.0051270,	1.0009766,
-0.0021973,	-0.0014648,	0.9902344,
0.0029297,	-0.0944824,	0.9956055,
-0.0119629,	-1.0141602,	0.2441406,
-0.0324707,	-1.0534668,	-0.0285645,
-0.0319824,	-1.0549316,	-0.0253906,
-0.0312500,	-1.0576172,	-0.0195312,
-0.0300293,	-1.0551758,	-0.0153809,
-0.0297852,	-1.0546875,	-0.0334473,
-0.0317383,	-1.0556641,	-0.0322266,
-0.0415039,	-1.0566406,	-0.0219727,
-0.0283203,	-1.0559082,	-0.0068359,
-0.0488281,	-1.0537109,	-0.0832520,
-0.0673828,	-1.0537109,	0.0244141,
-0.0610352,	-1.0544434,	0.0205078,
-0.0463867,	-1.0852051,	0.0349121,
-0.0612793,	-1.0527344,	-0.0390625,
-0.0615234,	-1.0778809,	-0.0253906,
-0.0366211,	-1.0515137,	0.0839844,
-0.0754395,	-1.0480957,	-0.1606445,
0.0192871,	-1.2529297,	-0.5146484,
0.0031738,	-0.1552734,	-1.0761719,
0.0915527,	-0.1540527,	-1.0302734,
0.1247559,	-0.1457520,	-1.0219727,
0.0351562,	-0.1464844,	-1.0195312,
0.0625000,	-0.1503906,	-1.0310059,
-0.0339355,	-0.5021973,	-0.8676758,
-0.0546875,	-0.7507324,	0.7204590,
0.0048828,	-0.0019531,	0.9763184,
0.0043945,	0.0031738,	0.9875488,
0.0021973,	0.0000000,	0.9934082,
0.0051270,	0.0007324,	0.9934082,

グラフを工夫すれば以下のような絵もえられます。

これを利用すれば、物体の方向の監視や制御ができそうです。ひも付きだけど

・温度の測定

上記のデータシートを見れば温度のaddressから、以下のコードで計測できる。
しかし、計測値と温度の関係式は感度などが個別の素子でことなるから、係数は独自に校正する必要がある。
以下では、単純に室温を再現するもっとも簡単な式で算出している。

get_temp.py

import smbus
import time

address = 0x68
channel = 1
bus     = smbus.SMBus(channel)

# レジスタをリセットする
bus.write_i2c_block_data(address, 0x6B, [0x80])
time.sleep(0.1)     

# PWR_MGMT_1をクリア
bus.write_i2c_block_data(address, 0x6B, [0x00])
time.sleep(0.1)

# 生データを取得する
while True:
    data    = bus.read_i2c_block_data(address, 0x41 ,2)
    raw    = data[0] << 8 | data[1]    # 上位ビットが先
    Temp_real=(raw/130)
    print( "%+8.7f" % Temp_real + "   ",)
    time.sleep(1)

ネット上には以下の係数が使われているコードがあるが、参考でしかない。

Temperature=((data-21)/333.87)+21;

temperature = ((float) tempCount) / 333.87f + 21.0f; // Temperature in degrees Centigrade

Temperature=(data/340)+36.53;
あくまで以下の3個のパラメータを利用する温度範囲で決めるべきである。
※通常は、０℃、１００℃、３７℃、室温などが使われるが、センサーが水にふれたくないので工夫が必要だ
　TEMP＿OUTが計測値

\textrm{TEMP_degC} = \frac{\textrm{TEMP_OUT – RoomTemp_Offset}}{\textrm{Temp_Sensitivity}} + \textrm{21degC} \\

例）　\textrm{temp} = \frac{\textrm{raw-21}}{333.87} + 21

・角速度の測定

データシートから上の延長で計測できるのは、gyroである。
４３ー４８を測定すればよい。
測定パラメータ条件は以下のとおり
　●ジャイロ
　・測定レンジ ±250 / ±500 / ±1000 / ±2000dps（°/sec）
　・分解能：16ビット
　・出力レート：4～8000Hz

#!/usr/bin/python -u
# -*- coding: utf-8 -*-

import smbus
import time
import matplotlib.pyplot as plt

address = 0x68
channel = 1
bus     = smbus.SMBus(channel)


#unsignedを、signedに変換(16ビット限定）
def u2s(unsigneddata):
    if unsigneddata & (0x01 << 15) : 
        return -1 * ((unsigneddata ^ 0xffff) + 1)
    return unsigneddata

if __name__ == "__main__":
    # レジスタをリセットする
    bus.write_i2c_block_data(address, 0x6B, [0x80])
    time.sleep(0.1)     

    # PWR_MGMT_1をクリア
    bus.write_i2c_block_data(address, 0x6B, [0x00])
    time.sleep(0.1)

    # センサのレンジを±1000degps default; ±250degpsにする
    #bus.write_i2c_block_data(address, 0x1B, [0x10])

    data    = bus.read_i2c_block_data(address, 0x43 ,6)
    rawX0    = -(250 / 0x8000) * u2s(data[0] << 8 | data[1])
    rawY0    = -(250 / 0x8000) * u2s(data[2] << 8 | data[3])
    rawZ0    = -(250 / 0x8000) * u2s(data[4] << 8 | data[5])
    print ('|acc_X,| acc_Y,| acc_Z: |')
    print ('|:--:|:--:|:--:|')
    print ('|{0:.7f},|{1:.7f},|{2:.7f},|'.format(rawX0, rawY0, rawZ0))
    sk =0
    plt.plot(sk,rawX0, 'ro', label = 'gyro_X')
    plt.plot(sk,rawY0, 'bo', label = 'gyro_Y')
    plt.plot(sk,rawZ0, 'go', label = 'gyro_Z')
    plt.legend()
    # データを取得する
    try:
        while True:
            data    = bus.read_i2c_block_data(address, 0x43 ,6)
            rawX    = (250 / 0x8000) * u2s(data[0] << 8 | data[1]) + rawX0
            rawY    = (250 / 0x8000) * u2s(data[2] << 8 | data[3]) + rawY0
            rawZ    = (250 / 0x8000) * u2s(data[4] << 8 | data[5]) + rawZ0
            print ('|{0:.7f},|{1:.7f},|{2:.7f},|'.format(rawX, rawY, rawZ))
            plt.plot(sk,rawX, 'ro')
            plt.plot(sk,rawY, 'bo')
            plt.plot(sk,rawZ, 'go')
            plt.pause(1)
            sk += 1
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        plt.savefig('gyro{}.png'.format(sk))

以下は適当に動かしたときの図

・地磁気の測定

　●コンパス（AK8963）
　・測定レンジ：±4800μT
　・分解能：14ビット/16ビット
　・連続変換モードあり
AK8963データシート
地磁気の並びは上のものとは異なり、番号が若い方からL→Hに並んでいる。

名前	アドレス	READ/WRITE	内容	ビット幅	説明
WIA	00H	READ	デバイスID	8
INFO	01H	READ	インフォメーション	8
ST1	02H	READ	ステータス1	8	データステータス
HXL	03H	READ	測定データ	8	X軸データ
HXH	04H			8
HYL	05H			8	Y軸データ
HYH	06H			8
HZL	07H			8	Z軸データ
HZH	08H			8
ST2	09H	READ	ステータス2	8	データステータス

#mpu9250.py より引用
#https://qiita.com/K-Ponta/items/507b1a655a3489663bc8
#!/usr/bin/python3 -u
# -*- coding: utf-8 -*-

import smbus
import time
import matplotlib.pyplot as plt

class SL_MPU9250:
    # 定数宣言
    REG_PWR_MGMT_1      = 0x6B
    REG_INT_PIN_CFG     = 0x37

    MAG_MODE_POWERDOWN  = 0         # 磁気センサpower down
    MAG_MODE_SERIAL_2   = 2         # 磁気センサ100Hz連続測定モード

    MAG_ACCESS          = False     # 磁気センサへのアクセス可否
    MAG_MODE            = 0         # 磁気センサモード
    MAG_BIT             = 14        # 磁気センサが出力するbit数

    magRange            = 4912      # 'μT'  

    # コンストラクタ
    def __init__(self, address, channel):
        self.address    = address
        self.channel    = channel
        self.bus        = smbus.SMBus(self.channel)
        self.addrAK8963 = 0x0C
        # Sensor initialization
        self.resetRegister()
        self.powerWakeUp()
        self.magCoefficient16   = self.magRange   / 32760.0   # センシングされたDecimal値をμTに変換する係数(16bit時)

    # レジスタを初期設定に戻します。
    def resetRegister(self):
        if self.MAG_ACCESS == True:
            self.bus.write_i2c_block_data(self.addrAK8963, 0x0B, [0x01])    
        self.bus.write_i2c_block_data(self.address, 0x6B, [0x80])
        time.sleep(0.1)
        # DLPF設定
        self.bus.write_i2c_block_data(self.address, 0x1A, [0x00])
        self.MAG_ACCESS = False
        time.sleep(0.1)

    # レジスタをセンシング可能な状態にします。
    def powerWakeUp(self):
        # PWR_MGMT_1をクリア
        self.bus.write_i2c_block_data(self.address, self.REG_PWR_MGMT_1, [0x00])
        time.sleep(0.1)
        # I2Cで磁気センサ機能(AK8963)へアクセスできるようにする(BYPASS_EN=1)
        self.bus.write_i2c_block_data(self.address, self.REG_INT_PIN_CFG, [0x02])
        self.MAG_ACCESS = True
        time.sleep(0.1)

    # 磁気センサのレジスタを設定する
    def setMagRegister(self, _mode, _bit):      
        if self.MAG_ACCESS == False:
            # 磁気センサへのアクセスが有効になっていないので例外を上げる
            raise Exception('001 Access to a sensor is invalid.')

        _writeData  = 0x00
        # 測定モードの設定
        if _mode=='100Hz':        # 連続測定モード２
            _writeData      = 0x06
            self.MAG_MODE   = self.MAG_MODE_SERIAL_2

        #　出力するbit数 
        # _bit='16bit'      # 16bit 出力
        _writeData      = _writeData | 0x10
        self.MAG_BIT    = 16

        self.bus.write_i2c_block_data(self.addrAK8963, 0x0A, [_writeData])

    #センサからのデータはそのまま使おうとするとunsignedとして扱われるため、signedに変換(16ビット限定）
    def u2s(self,unsigneddata):
        if unsigneddata & (0x01 << 15) : 
            return -1 * ((unsigneddata ^ 0xffff) + 1)
        return unsigneddata

    def getMag(self):
        if self.MAG_ACCESS == False:
            # 磁気センサが有効ではない。
            raise Exception('002 Access to a sensor is invalid.')

        # 事前処理
        if self.MAG_MODE==self.MAG_MODE_SERIAL_2:
            status  = self.bus.read_i2c_block_data(self.addrAK8963, 0x02 ,1)
            if (status[0] & 0x02) == 0x02:
                # データオーバーランがあるので再度センシング
                self.bus.read_i2c_block_data(self.addrAK8963, 0x09 ,1)

        # ST1レジスタを確認してデータ読み出しが可能か確認する。
        status  = self.bus.read_i2c_block_data(self.addrAK8963, 0x02 ,1)
        while (status[0] & 0x01) != 0x01:
            # データレディ状態まで待つ
            time.sleep(0.01)
            status  = self.bus.read_i2c_block_data(self.addrAK8963, 0x02 ,1)

        # データ読み出し
        data    = self.bus.read_i2c_block_data(self.addrAK8963, 0x03 ,7)
        rawX    = self.u2s(data[1] << 8 | data[0])  # 下位bitが先
        rawY    = self.u2s(data[3] << 8 | data[2])  # 下位bitが先
        rawZ    = self.u2s(data[5] << 8 | data[4])  # 下位bitが先
        st2     = data[6]

        # オーバーフローチェック
        if (st2 & 0x08) == 0x08:
            # オーバーフローのため正しい値が得られていない
            raise Exception('004 Mag sensor over flow')

        # μTへの変換
        rawX    = rawX * self.magCoefficient16
        rawY    = rawY * self.magCoefficient16
        rawZ    = rawZ * self.magCoefficient16

        return rawX, rawY, rawZ


if __name__ == "__main__":
    sensor  = SL_MPU9250(0x68,1)
    sk =0
    try:
        sensor.resetRegister()
        sensor.powerWakeUp()
        sensor.setMagRegister('100Hz','16bit')
        print ('|i|mag_X,| mag_Y,| mag_Z: |')
        print ('|:--:|:--:|:--:|:--:|')
        mag     = sensor.getMag()
        plt.plot(sk,mag[0], 'ro', label = 'mag_X')
        plt.plot(sk,mag[1], 'bo', label = 'mag_Y')
        plt.plot(sk,mag[2], 'go', label = 'mag_Z')
        plt.legend()
        while True:
            now     = time.time()
            mag     = sensor.getMag()
            print ('|{0:d},|{1[0]:.7f},|{1[1]:.7f},|{1[2]:.7f},|'.format(sk,mag))
            plt.plot(sk,mag[0], 'ro')
            plt.plot(sk,mag[1], 'bo')
            plt.plot(sk,mag[2], 'go')
            plt.pause(1)
            sk += 1
            sleepTime       = 0.5 - (time.time() - now)
            if sleepTime < 0.:
                continue
            time.sleep(sleepTime)|

    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        plt.savefig('mag{}.png'.format(sk))

センサーをぐるぐる方向をかえてみる、さて北はどっちだ？

なんか分け分からないなと思ったが、このあたりの地磁気の偏角９度、伏角５０度もあるんだね。
水平成分３０μT　鉛直成分　３６μT　全磁力　４６．５μTなので大体測れていそうです。
磁気図@国土地理院

i	mag_X,	mag_Y,	mag_Z:
0,	16.4932845,	25.7894994,	-1.4993895,
1,	15.5936508,	25.7894994,	-0.8996337,
2,	16.1934066,	25.7894994,	-0.2998779,
3,	16.9431013,	26.8390720,	-0.1499389,
4,	17.2429792,	25.3396825,	-0.7496947,
5,	15.8935287,	25.4896215,	-1.7992674,
6,	17.6927961,	25.4896215,	-0.2998779,
7,	16.0434676,	25.0398046,	-0.4498168,
8,	17.3929182,	24.5899878,	-0.5997558,
9,	16.6432234,	27.1389499,	-0.1499389,
10,	18.2925519,	31.1873016,	-2.0991453,
11,	19.1921856,	32.6866911,	0.0000000,
12,	20.3916972,	34.4859585,	-1.1995116,
13,	21.7411477,	37.0349206,	0.1499389,
14,	23.9902320,	35.9853480,	0.0000000,
15,	24.4400488,	37.3347985,	-0.7496947,
16,	22.7907204,	37.1848596,	0.2998779,
17,	23.2405372,	36.4351648,	0.1499389,
18,	22.7907204,	37.1848596,	-0.2998779,
19,	21.7411477,	34.9357753,	-0.7496947,
20,	27.8886447,	39.2840049,	-0.8996337,
21,	34.0361416,	45.7313797,	-1.6493284,
22,	34.7858364,	44.6818071,	-0.2998779,
23,	36.5851038,	45.2815629,	-1.1995116,
24,	39.7338217,	45.7313797,	-1.6493284,
25,	38.6842491,	45.8813187,	0.0000000,
26,	38.9841270,	44.9816850,	-2.0991453,
27,	38.5343101,	45.1316239,	-0.1499389,
28,	39.2840049,	43.4822955,	0.0000000,
29,	39.5838828,	44.6818071,	-0.8996337,
30,	39.8837607,	44.0820513,	-1.4993895,
31,	35.6854701,	44.3819292,	-1.7992674,
32,	40.6334554,	45.7313797,	-0.7496947,
33,	40.6334554,	44.5318681,	0.1499389,
34,	42.5826618,	44.0820513,	-2.3990232,
35,	41.9829060,	44.9816850,	-1.1995116,
36,	41.0832723,	45.2815629,	-1.1995116,
37,	40.6334554,	45.7313797,	-1.3494505,
38,	41.2332112,	46.0312576,	-2.5489621,
39,	40.7833944,	44.3819292,	-2.3990232,
40,	40.4835165,	45.8813187,	-2.6989011,
41,	41.0832723,	44.6818071,	-1.1995116,
42,	36.7350427,	42.7326007,	1.6493284,
43,	35.2356532,	43.9321123,	-1.3494505,
44,	36.4351648,	49.6297924,	-10.3457875,
45,	40.3335775,	46.3311355,	-41.2332112,
46,	44.2319902,	44.5318681,	-40.6334554,
47,	45.1316239,	41.2332112,	-42.7326007,
48,	44.3819292,	41.3831502,	-41.3831502,
49,	45.5814408,	40.7833944,	-42.8825397,
50,	44.6818071,	41.3831502,	-44.0820513,
51,	44.9816850,	39.8837607,	-44.0820513,
52,	44.9816850,	40.4835165,	-44.6818071,
53,	37.3347985,	50.2295482,	-13.0446886,
54,	35.3855922,	44.6818071,	-2.3990232,
55,	42.2827839,	18.8923077,	14.6940171,
56,	41.6830281,	6.2974359,	12.5948718,
57,	42.5826618,	0.2998779,	9.8959707,
58,	39.8837607,	2.0991453,	10.1958486,
59,	39.2840049,	1.1995116,	10.1958486,
60,	39.8837607,	2.0991453,	11.0954823,
61,	40.7833944,	7.1970696,	12.2949939,
62,	40.3335775,	9.1462759,	12.7448107,
63,	37.3347985,	15.7435897,	14.2442002,
64,	40.4835165,	46.7809524,	-2.3990232,
65,	40.7833944,	46.7809524,	-1.7992674,
66,	44.6818071,	44.9816850,	-1.1995116,
67,	48.5802198,	47.9804640,	-4.1982906,
68,	46.0312576,	39.7338217,	-45.4315018,
69,	47.5306471,	38.8341880,	-46.0312576,
70,	46.7809524,	38.6842491,	-46.4810745,
71,	45.8813187,	38.0844933,	-47.0808303,
72,	46.4810745,	37.1848596,	-46.4810745,
73,	48.1304029,	38.8341880,	-46.6310134,
74,	47.9804640,	38.6842491,	-44.6818071,
75,	48.2803419,	38.0844933,	-45.5814408,
76,	43.3323565,	43.3323565,	-43.6322344,
77,	25.1897436,	40.1836386,	-39.5838828,
78,	25.0398046,	47.8305250,	-27.4388278,
79,	17.8427350,	38.5343101,	-30.1377289,
80,	16.0434676,	38.5343101,	-24.4400488,
81,	16.6432234,	39.1340659,	-25.3396825,
82,	16.3433455,	39.7338217,	-24.4400488,
83,	16.9431013,	40.0336996,	-24.1401709,
84,	16.7931624,	38.3843712,	-23.6903541,
85,	17.3929182,	41.3831502,	-26.3892552,
86,	18.1426129,	38.5343101,	-23.8402930,
87,	16.0434676,	22.9406593,	-0.7496947,
88,	16.6432234,	23.2405372,	-0.7496947,
89,	16.7931624,	22.7907204,	0.8996337,
90,	15.8935287,	22.7907204,	-0.5997558,
91,	16.4932845,	23.9902320,	-0.5997558,
92,	17.0930403,	22.7907204,	0.5997558,
93,	17.2429792,	24.1401709,	-0.1499389,
94,	15.8935287,	23.6903541,	0.5997558,
95,	17.2429792,	24.1401709,	-0.4498168,
96,	16.3433455,	23.2405372,	-0.7496947,
97,	16.9431013,	23.5404151,	-0.1499389,
98,	16.6432234,	24.1401709,	-1.0495726,

以下の図のX-Y-Z-軸をよくみて回転しつつ測らないとほんとのところは分からないという印象です。

まとめ

・MPU9250　9軸センサーをRasPi4で動かしてみた
・加速度センサーは一応測れているようだ
・温度と角速度、そして地磁気は測れたが、もう一つしっくりしない

・いずれにしても、もう少し信頼できるよう校正したいと思う
・これらを利用したおもちゃを動かしてみたい

はじめに

PythonでGUI開発をするためのライブラリ「PySide2」の基本的な使い方を、いくつかの段階に分けて説明していきます。

当ページは投稿者が今までに記載したページの総リンクになります。

環境

以下の通りになります。

• Windows 10
• Python 3.8以降

目次

はじめに

PythonでGUI開発をするためのライブラリ「PySide2」の基本的な使い方を、いくつかの段階に分けて説明していきます。

当ページではPySide2のウィンドウについて説明しています。

環境

下記の通りになります。

• Windows10
• Python 3.8以降

知っておきたい用語

事前に知っておきたい用語とその意味をかみ砕いて説明します。
既に知っている方は飛ばしてください。

ウィンドウ（Window）

ウェブブラウザやメモ帳などを起動したら、ディスプレイに表示される枠のこと。
言葉よりも見た方が圧倒的に分かりやすいので、以下にウィンドウの参考画像を示します。

ウィジェット（Widget）

ウィンドウの中に表示されているボタンやチェックボックス、入力欄、表示欄など何らかの機能を持った枠のこと。

ザックリ言えば「クリックしたり、選択できる範囲」のことです。

PySide2でウィンドウ操作

ウィンドウを表示する

サンプルプログラム

ウィンドウを表示するだけのプログラムを以下に記載します。
また、以下のコードはサンプルとしてではなく、PySide2のテンプレートやおまじないだと思って暗記しちゃってください。

# PySide2のモジュールを読み込む
from PySide2 import QtWidgets


# ウィンドウの見た目と各機能（今はウィンドウだけ）
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()


# アプリの実行と終了
app = QtWidgets.QApplication()
window = MainWindow()
window.show()
app.exec_()

実行結果

プログラム解説

モジュールの読み込み

PySide2を使用できるように、PySide2モジュールを読み込んでます。

# PySide2のモジュールを読み込む
from PySide2 import QtWidgets

ちなみにQtWidgetsはPySide2のユーザインタフェース（見た目）を処理するモジュールです。

他にどんなモジュールが存在するのか気になる方は、以下のURLを参照してみてください。
Qt Modules

アプリの起動と終了

サンプルプログラムのミソの部分です。

# ウィンドウの見た目と各機能（今はウィンドウだけ）
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):  # QtWidgets.QWidgetを必ず継承
    def __init__(self):
        super().__init__()     # 今は気にしなくて良い


# アプリの実行と終了
app = QtWidgets.QApplication() # PySide2で作ったアプリの実行
window = MainWindow()
window.show()                  # ウィンドウを表示
app.exec_()                    # PySide2で作ったアプリの終了

ポイントごとに説明していきます。
まず、以下の2文について。

app = QtWidgets.QApplication() # PySide2で作ったアプリの実行

...(略)

app.exec_()                    # PySide2で作ったアプリの終了

QtWidgets.QApplication()でPySide2を実行します。
「PySide2を使っていくよ」って宣言するようなものです。

.exec_()メソッドは、QtWidgets.QApplication()で実行したPySide2のアプリを終了します。

次に、ウィンドウの処理になります。

class MainWindow(QtWidgets.QWidget):  # QtWidgets.QWidgetを必ず継承

...(略)

window = MainWindow()
window.show()                  # ウィンドウを表示

class MainWindow(QtWidgets.QWidget):のようにQtWidgets.QWidgetを継承したクラスであれば.show()メソッドを実行するだけでウィンドウを表示できます。

起動時のサイズと位置

サンプルプログラム

# PySide2のモジュールを読み込む
from PySide2 import QtWidgets


# ウィンドウの見た目と各機能
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setGeometry(1000, 500, 400, 300)


# アプリの実行と終了
app = QtWidgets.QApplication()
window = MainWindow()
window.show()
app.exec_()

実行結果

プログラム解説

サンプルプログラムのミソの部分です。

# ウィンドウの見た目と各機能
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setGeometry(1000, 500, 400, 300)   # サイズと位置を決定

self.setGeometry(...)で起動時のウィンドウサイズと位置を指定できます。
self.setGeometry(...)の仕様は以下の通りです。

書式:
    QtWidgets.QWidget.setGeometry(x, y, width, height)
引数:
    x: 起動時の x 座標
    y: 起動時の y 座標
    width: 起動時のウィンドウの横幅
    height: 起動時のウィンドウの高さ

ちなみにsetGeometry(x,y,w,h)を使用しない場合、「使用しているPC環境」または「使用ディスプレイ」によって自動的に設定されます。

タイトル

サンプルプログラム

# PySide2のモジュールを読み込む
from PySide2 import QtWidgets


# ウィンドウの見た目と各機能
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setWindowTitle("PySide2をゼロから学んでいく")


# アプリの実行と終了
app = QtWidgets.QApplication()
window = MainWindow()
window.show()
app.exec_()

実行結果

プログラム解説

サンプルプログラムのミソの部分です。

# ウィンドウの見た目と各機能
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setWindowTitle("PySide2をゼロから学んでいく")

self.setWindowTitle(...)でタイトルを指定できます。
self.setWindowTitle(...)の仕様は以下の通りです。

書式:
    QtWidgets.QWidget.setWindowTitle("title")
引数:
    title: ウィンドウタイトルに指定した文字列

背景色を変更する

サンプルプログラム

# PySide2のモジュールを読み込む
from PySide2 import QtWidgets


# ウィンドウの見た目と各機能
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setStyleSheet("background-color:gray")


# アプリの実行と終了
app = QtWidgets.QApplication()
window = MainWindow()
window.show()
app.exec_()

実行結果

プログラム解説

サンプルプログラムのミソの部分です。

# ウィンドウの見た目と各機能
class MainWindow(QtWidgets.QWidget):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.setStyleSheet("background-color:gray")  # 背景を灰色にする

self.setStyleSheet(...)で背景色を指定できます。
self.setStyleSheet(...)の仕様は以下の通りです。

書式:
    QtWidgets.QWidget.setStyleSheet("background-color:<背景色>")
引数:
    background-color:<背景色>
        <背景色>に設定したいカラーコードを指定します。

        サンプルプログラムのように"gray"とスペルで指定することもできるが、
        "background-color:#ff0000"のようにRGB形式でも指定できます。

<背景色>の指定するカラーコードの詳細は以下のURLから調べられます。
http://www.netyasun.com/home/color.html

参考

PySide2のモジュール（公式リファレンス）

• PySide2モジュールのリファレンス
  https://doc.qt.io/qtforpython-5/api.html

• 製造業出身のデータサイエンティストがお送りする記事
• 今回はAutoMLライブラリー（TPOT）を使ってみました。

はじめに

過去にAutoMLのライブラリーはPyCaretを使いましたが、今回は別のライブラリー（TPOT）を使ってみました。

TPOTを使ってみる

今回もUCI Machine Learning Repositoryで公開されているボストン住宅の価格データを用いて実施します。

# ライブラリーのインポート
from tpot import TPOTRegressor
from sklearn.datasets import fetch_california_housing
from sklearn.model_selection import train_test_split
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

# ボストンの住宅価格データ
from sklearn.datasets import load_boston

# 評価指標
from sklearn.metrics import r2_score
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
from sklearn.metrics import mean_squared_error


# データセットの読込み
boston = load_boston()

# 説明変数の格納
X = pd.DataFrame(boston.data, columns = boston.feature_names)
# 目的変数の追加
y = pd.DataFrame(boston.target)

# 学習データと評価データの分割
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X,
                                                    y,
                                                    train_size=0.8,
                                                    test_size=0.2,
                                                    random_state=10
                                                   )

次にTPOTRegressorの設定をします。
TPOTは遺伝的プログラミングを使っているそうです。要は遺伝的アルゴリズムの拡張だと思っておければ良いのかなと思います。詳細はTPOTを見てください。

# TPOTRegressorの設定
tpot = TPOTRegressor(scoring='neg_mean_absolute_error',
                     generations=5,
                     population_size=25,
                     random_state=42,
                     verbosity=2,
                     n_jobs=-1
                    )

tpot.fit(X_train, y_train)

最終的な結果を確認します。

tpot.fitted_pipeline_

得られた結果は下記です。

Pipeline(steps=[('robustscaler', RobustScaler()),
                ('randomforestregressor',
                 RandomForestRegressor(max_features=0.7500000000000001,
                                       min_samples_split=9, random_state=42))])

自動で選ばれたのはランダムフォレストらしいですね。
他のモデルの結果が分かるPyCaretと比べると少し不便ですね。

あとは、予測を行います。

y_pred = tpot.predict(X_test)


plt.figure(figsize=(5, 5))
plt.scatter(y_pred,y_test,alpha=0.5)
plt.xlabel('y_pred')
plt.ylabel('y_test')

最後に評価指標を計算します。

# 評価
def calculate_scores(true, pred):
    """全ての評価指標を計算する

    Parameters
    ----------
    true (np.array)       : 実測値
    pred (np.array)       : 予測値

    Returns
    -------
    scores (pd.DataFrame) : 各評価指標を纏めた結果

    """
    scores = {}
    scores = pd.DataFrame({'R2': r2_score(true, pred),
                          'MAE': mean_absolute_error(true, pred),
                          'MSE': mean_squared_error(true, pred),
                          'RMSE': np.sqrt(mean_squared_error(true, pred))},
                           index = ['scores'])
    return scores

scores = calculate_scores(y_test, y_pred)
print(scores)

評価指標の一覧は下記です。

              R2       MAE        MSE      RMSE
scores  0.848905  2.728567  15.801663  3.975131

さいごに

最後まで読んで頂き、ありがとうございました。
個人的にはPyCaretの方が機能が充実していて良かったですね。
それでも、AutoMLのライブラリーが色々あるのは良いですね。便利です。

訂正要望がありましたら、ご連絡頂けますと幸いです。

データ収集(icrawlerで効率よく簡単に！)

#日向坂メンバーリストを作成する!(いちいち書くのは面倒くさいので、スクレイピングしました!)

from selenium import webdriver
from webdriver_manager.chrome import ChromeDriverManager
import time

brower = webdriver.Chrome(ChromeDriverManager().install())
brower.get("https://www.hinatazaka46.com/s/official/search/artist?ima=0000")

# 「brower.find_element_by_class_name」ではなく、「brower.find_elements_by_class_name」にして複数のクラスを取得することに注意!
menber_names = brower.find_elements_by_class_name("c-member__name")

menber_names_list = []

for menber_name in menber_names:
    #メンバーの名前以外にも空白が含まれてたので、余計な空白を削除するため条件設定
    if len(menber_name.text) >= 2:
        menber_names_list.append(menber_name.text)

import os# …①(ファイルやディレクトリの存在確認・指定したパスのファイル名の取得・パスやファイル名の結合)
import glob# …②(引数に指定されたパターンにマッチするファイルパス名を"全て"取得)
import random# …③(引数に指定されたリストからランダムで複数の要素を取得)
import shutil# …④(ファイル・ディレクトリを移動する)
from icrawler.builtin import GoogleImageCrawler# …⑤(Google画像検索からデータを収集するためのモジュール)

# 画像を保存するルートディレクトリパス
root_dir = 'hinatazaka46_images/'

# 収集画像データ数
data_count = 100

def crawl_image(hinatazaka_name, datacount, root_dir):

    crawler = GoogleImageCrawler(storage={'root_dir':root_dir + hinatazaka_name + '/train'}) 
    # (画像を保村するフォルダを指定)

    filters = dict(
                    size='large',
                    type='photo'
                  )
    # 

    # クローリングの実行　
    crawler.crawl(
                    keyword=hinatazaka_name, #検索ワード
                    filters=filters, #画像の検索条件
                    max_num=datacount #収集したい最大画像枚数
                 )

    # 前回実行時のtestディレクトリが存在する場合、ファイルをすべて削除する
    if os.path.isdir(root_dir + hinatazaka_name + '/test'):
        shutil.rmtree(root_dir + hinatazaka_name + '/test')
    os.makedirs(root_dir + hinatazaka_name + '/test')


    # ダウンロードファイルをリストとして、全て取得
    filelist = glob.glob(root_dir + hinatazaka_name + '/train/*')
    # ダウンロード数の2割をtestデータとして抽出
    test_ratio = 0.2
    testfiles = random.sample(filelist, int(len(filelist) * test_ratio))

    for testfile in testfiles:
        shutil.move(testfile, root_dir + hinatazaka_name + '/test/')

# 日向坂メンバーの人数分だけクローリングを実行
for hinatazaka_name in menber_names_list:
    crawl_image(hinatazaka_name, data_count, root_dir)

上図のようにフォルダも自動的に作成されました!

モデル構築

Microsoft Azureの画像認識サービスである"Custom Vision Service"を利用して簡単に作成します！

リソースグループの作成

"新規"をクリック!

・サブスクリプション："無料使用版"
・リソース グループ："hiantazaka46"
・リージョン："(Asia Pacific)東日本"

リソースの作成!

Custom Visionを選択して、"Custom Visionリソース"を作成する!

上記のurlにアクセスして、"モデル構築用のプロジェクト"を作成する!

その後、訓練データをラベルごとに貼り付けて、"Train"を開始する！

そして、"Performance"の"Prediction URL"からAPIを利用するのに必要な情報をコピーする!(赤線の２つ!)

API利用

import glob
import requests
import json
from azure.cognitiveservices.vision.customvision.prediction import CustomVisionPredictionClient

#各自で取得(赤線の部分をそれぞれペースト)
base_url = '??????????????????'
prediction_key = '?????????????????????'

root_dir = 'hinatazaka46_images/'

# 検証対象のメンバ一覧
for member in menber_names_list:
    testfiles = glob.glob(root_dir + member + '/test/*')
    data_count = len(testfiles)
    true_count = 0

    for testfile in testfiles:
        headers = {
            'Content-Type': 'application/json',    
            'Prediction-Key': prediction_key
        }

        params = {}
        predicts = {}
        data = open(testfile, 'rb').read()
        response = requests.post(base_url, headers=headers, params=params, data=data)
        results = json.loads(response.text)

        try:
            # 予測結果のタグの数だけループ
            for prediction in results['predictions']:
                # 予測した魚とその確率を紐づけて格納
                predicts[prediction['tagName']] = prediction['probability']
            # 一番確率の高い魚を予測結果として選択
            prediction_result = max(predicts, key=predicts.get)

            # 予測結果が合っていれば正解数を増やす
            if fishname == prediction_result:
                true_count += 1

        #画像サイズ > 6MB だとCustom Vision の制限にひっかりエラーが出るまで握り潰し
        except KeyError:
            data_count -= 1
            continue

    # 正解率の算出

    print("true_count:",true_count,"data_count:",data_count)
    accuracy = (true_count / data_count) * 100
    print('メンバー名:' + fishname)
    print('正解率:' + str(accuracy) + '%')

最後に

一応、Microsoft Azureの画像認識サービス(Azure Custom Vision)が提供する"API"を利用して、日向坂メンバーの顔認識分析ができました。

今回初めてこのAPIを利用してみて、"ノンプログラミングでモデル構築が行えること"・"モデル構築が速い"といったメリットを肌で感じました!

反省点として、予測精度がそこまで高くないことが挙げられます。
この改善点としては、"データ数の拡大"、"写真の顔の部分のみを抽出"をすることで予測精度がより高くなるのではないかと思いました！！

またね!!!!!!!!!

参考文献

①"import os"について

②"import glob"について

③"import random"について

④"import shutil"について

⑤"import GoogleImageCrawler"について

目的

clock(datetime.datetime.now())

てやったら、

ってなるものを作ります。

• 盤面の上部にカレンダー
  • 本日の日付に下線
  • 土曜日は青
  • 日曜日は赤
  • 祝日は取り消し線
• 盤面の下部に曜日、年月日、時刻

アナログ時計

アナログ時計は色んな人が記事を作成されているのでそんなに難しくありませんでしたが、針の形状にこだわって時間がかかりました。

針のデザイン

ひとまず、「0時0分0秒」の状態をmatplotlibで描きます。

In[1]:

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import datetime
plt.rcParams['font.family']='Consolas'

plt.figure(figsize=(4,4),dpi=60)
plt.axes().set_aspect('equal');plt.xlim(-10,10);plt.ylim(-10,10)
plt.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, wspace=0, hspace=0)
H = np.array([(-0.6,-0.7),(-0.30,5.0),(0.30,5.0),(0.6,-0.7),(-0.6,-0.7)])
M = np.array([(-0.6,-0.7),(-0.20,7.5),(0.20,7.5),(0.6,-0.7),(-0.6,-0.7)])
S = np.array([(-0.3,-0.7),(-0.10,8.5),(0.10,8.5),(0.3,-0.7),(-0.3,-0.7)])
plt.fill(*list(zip(*H)),color='red',alpha=0.3)
plt.plot(*list(zip(*H)),color='orange',alpha=0.2)
plt.fill(*list(zip(*M)),color='red',alpha=0.2)
plt.plot(*list(zip(*M)),color='orange',alpha=0.2)
plt.fill(*list(zip(*S)),color='red',alpha=0.1)
plt.plot(*list(zip(*S)),color='orange',alpha=0.2)
plt.show()
plt.clf()
plt.close()

Out[1]:

時刻の取得

datetimeで一発です。

In[2]:

now = datetime.datetime.now()
now

Out[2]:
datetime.datetime(2021, 4, 3, 17, 23, 25, 19735)

---

曜日の文字列は'%A'でした(初めて知った)。

In[3]:

now.strftime('%A\n%Y-%m-%d\n%H:%M:%S')

Out[3]:
'Saturday\n2021-04-03\n17:23:25'

---

In[4]:

h,m,s = now.strftime('%H,%M,%S').split(',')
h,m,s

Out[4]:
('17', '23', '25')

---

なめらかに回転させたいので時刻を小数にします。好みの問題ですが、秒針はカチコチした動きでいいのでこのままにします。コンマ何秒を反映させたい場合は、'%S'を'%S.%f'とします。

In[5]:

h,m,s = now.strftime('%H,%M,%S').split(',')
s = float(s)
m = float(m)+float(s)/60
h = float(h)+float(m)/60
h,m,s

Out[5]:
(17.39027777777778, 23.416666666666668, 25.0)

時刻を角度で表す

時刻の数値から0時0分0秒からの時間経過を角度に置き換えます。

• 時針は12段階で1回転($2\pi$)
• 分針は60段階で1回転($2\pi$)
• 秒針は60段階で1回転($2\pi$)

In[6]:

h *= 2*np.pi/12
m *= 2*np.pi/60
s *= 2*np.pi/60
h,m,s

Out[6]:
(9.10552815175875, 2.4521875990520328, 2.617993877991494)

時間経過がラジアンに置き換わりましたので、この角度でOut[1]の各画像を回します。

針を回転させる

def rotate(a,theta):
    return np.dot(a,np.array([
            (np.cos(theta),-np.sin(theta)),
            (np.sin(theta), np.cos(theta))]))

座標を回転させるアフィン変換の行列をかけるだけです。時計回りなので、おなじみの行列とは正負が逆になっています。

In[7]:

plt.figure(figsize=(4,4),dpi=60)
plt.axes().set_aspect('equal');plt.xlim(-10,10);plt.ylim(-10,10)
plt.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, wspace=0, hspace=0)
plt.title(now)
h,m,s = now.strftime('%H,%M,%S').split(',')
s = float(s)
m = float(m)+float(s)/60
h = float(h)+float(m)/60
plt.fill(*list(zip(*rotate(H,h*2*np.pi/12))),color='red',alpha=0.3)
plt.plot(*list(zip(*rotate(H,h*2*np.pi/12))),color='orange',alpha=0.2)
plt.fill(*list(zip(*rotate(M,m*2*np.pi/60))),color='red',alpha=0.2)
plt.plot(*list(zip(*rotate(M,m*2*np.pi/60))),color='orange',alpha=0.2)
plt.fill(*list(zip(*rotate(S,s*2*np.pi/60))),color='red',alpha=0.1)
plt.plot(*list(zip(*rotate(S,s*2*np.pi/60))),color='orange',alpha=0.2)
plt.show()
plt.clf()
plt.close()

Out[7]:

これだけでもおよそ時計として機能しています。

文字盤

盤面を囲む点と真ん中のポッチを勘でデザインします。

In[8]:

plt.figure(figsize=(4,4),dpi=60)
plt.axes().set_aspect('equal');plt.xlim(-10,10);plt.ylim(-10,10)
plt.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, wspace=0, hspace=0)
plt.fill(*list(zip(*np.array([(-0.2,9.0),(0,8.5),(0.2,9.0),(-0.2,9.0)]))),
         color='red',alpha=0.5)
plt.fill(*list(zip(*np.array([(-0.1,9.3),(-0.1,9.5),(0.1,9.5),(0.1,9.3),(-0.1,9.3)]))),
         color='blue',alpha=0.5)
plt.fill(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='yellow')
plt.plot(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='black',alpha=0.4)
plt.show()
plt.clf()
plt.close()

Out[8]:

青で示した印が1分、赤で示した印が5分ごとに出るようにしたいです。真ん中のポッチはないと寂しいです。

文字盤の文字

60段階のforループで一気に書こうと思いましたがよく考えたら、てっぺんは0じゃなくて12なんですね。

In[9]:

[str(degree//5) for degree in range(0,60,5)]

Out[9]:
['0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '10', '11']

上記では駄目ですので0のときだけ12に置き換えます。

In[10]:

[str(12 if degree==0 else degree//5) for degree in range(0,60,5)]

Out[10]:
['12', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '10', '11']

これを12を座標(0,9.5)の位置に置いて、計回りに30度回るたびに描けばよいと思いました。

In[11]:

plt.figure(figsize=(4,4),dpi=60)
plt.axes().set_aspect('equal');plt.xlim(-10,10);plt.ylim(-10,10)
plt.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, wspace=0, hspace=0)
for degree in np.arange(60):
    if degree % 5 == 0:
        plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
            [(-0.2,9.0),(0,8.5),(0.2,9.0),(-0.2,9.0)]),
            np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.1)
        plt.text(*[e for e_ in zip(*rotate(np.array([(0,9.5)]),
            np.pi*degree/30)) for e in e_],
            str(12 if degree==0 else degree//5),
            color='black',va='center',ha='center',fontsize=13,alpha=0.3)
    else:
        plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
            [(-0.1,9.3),(-0.1,9.5),(0.1,9.5),(0.1,9.3),(-0.1,9.3)]),
            np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.05)
plt.fill(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='white')
plt.plot(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='black',alpha=0.4)
plt.show()
plt.clf()
plt.close()

Out[11]:

雰囲気が出てきました。
[e for e_ in zip(*rotate(np.array([(0,9.5)]), np.pi*degree/30)) for e in e_]のところですが、tupleやlistの各要素のカッコを外すためのPythonのトリックみたいなやつです。

たとえば[inner for outer in [[(0),(9.5)]] for inner in outer]は[0, 9.5]を返します(最初にこれに気づいた人はすごいなと思います)。

ここまでのコードをまとめて実行すると下記の画像になります。時計としては完成しています。

In[12]:

plt.figure(figsize=(4,4),dpi=60)
plt.axes().set_aspect('equal');plt.xlim(-10,10);plt.ylim(-10,10)
plt.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, wspace=0, hspace=0)
plt.title(now)
plt.fill(*list(zip(*rotate(H,h*2*np.pi/12))),color='red',alpha=0.3)
plt.plot(*list(zip(*rotate(H,h*2*np.pi/12))),color='orange',alpha=0.2)
plt.fill(*list(zip(*rotate(M,m*2*np.pi/60))),color='red',alpha=0.2)
plt.plot(*list(zip(*rotate(M,m*2*np.pi/60))),color='orange',alpha=0.2)
plt.fill(*list(zip(*rotate(S,s*2*np.pi/60))),color='red',alpha=0.1)
plt.plot(*list(zip(*rotate(S,s*2*np.pi/60))),color='orange',alpha=0.2)
for degree in np.arange(60):
    if degree % 5 == 0:
        plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
            [(-0.2,9.0),(0,8.5),(0.2,9.0),(-0.2,9.0)]),
            np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.1)
        plt.text(*[e for e_ in zip(*rotate(np.array([(0,9.5)]),
            np.pi*degree/30)) for e in e_],
            str(12 if degree==0 else degree//5),
            color='black',va='center',ha='center',fontsize=13,alpha=0.3)
    else:
        plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
            [(-0.1,9.3),(-0.1,9.5),(0.1,9.5),(0.1,9.3),(-0.1,9.3)]),
            np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.05)
plt.fill(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='white')
plt.plot(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='black',alpha=0.4)
plt.show()
plt.clf()
plt.close()

Out[12]:

カレンダー

使うのは下記の人たちです。localeを指定しないと、曜日の文字列が「土曜日」になったり「Saturday」になったり環境に依存する結果になります。

Consolasは等幅フォントなので曜日や祝日の部分以外を空白に置換して色を変えながら重ねて表示すると、見慣れたカラーのカレンダーが得られるはずです。

import calendar, re, locale
import pandas as pd
locale.setlocale(locale.LC_ALL, 'en_US.UTF-8')

上記により、日本の祝日の一覧は下記で定義します。

holidays = [datetime.datetime.strptime(d,'%Y/%m/%d').date()
    for d in pd.read_csv('https://www8.cao.go.jp/chosei/shukujitsu/syukujitsu.csv',
        encoding='cp932')['国民の祝日・休日月日']]

Calendarの機能により任意の月のこよみが文字列で得られます。

In[13]:

print(calendar.TextCalendar(calendar.SUNDAY).formatmonth(2021,4))

Out[13]:

     April 2021
Su Mo Tu We Th Fr Sa
             1  2  3
 4  5  6  7  8  9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30

このままだと扱いにくいので、1行ずつに分割します。

In[14]:

cld = [e.ljust(20) for e in calendar.TextCalendar(calendar.SUNDAY).formatmonth(
    *[int(e) for e in now.strftime('%Y %m').split()]).splitlines()]
cld

Out[14]:

['     April 2021     ',
 'Su Mo Tu We Th Fr Sa',
 '             1  2  3',
 ' 4  5  6  7  8  9 10',
 '11 12 13 14 15 16 17',
 '18 19 20 21 22 23 24',
 '25 26 27 28 29 30   ']

日曜日

In[15]:

[' '*20]+[e[:2].ljust(20) for e in cld[1:]]

Out[15]:

['                    ',
 'Su                  ',
 '                    ',
 ' 4                  ',
 '11                  ',
 '18                  ',
 '25                  ']

土曜日

In[16]:

[' '*20]+[e[-2:].rjust(20) for e in cld[1:]]

Out[16]:

['                    ',
 '                  Sa',
 '                   3',
 '                  10',
 '                  17',
 '                  24',
 '                    ']

平日

In[17]:

[' '*20]+['  '+e[2:17].ljust(18) for e in cld[1:]]

Out[17]:

['                    ',
 '   Mo Tu We Th Fr   ',
 '             1  2   ',
 '    5  6  7  8  9   ',
 '   12 13 14 15 16   ',
 '   19 20 21 22 23   ',
 '   26 27 28 29 30   ']

祝日

単なる文字列のままでは置換の範囲が定まらないので日付部分をカッコで囲った新しい文字列を考えます。

In[18]:

day = '\n'.join(cld[2:])
day = re.sub(r'(?P<date>\d+)',r'(\g<date>)',day)
day = re.sub(r' \((?P<date>\d)\)',r'( \g<date>)',day)
print(day)

Out[18]:

            ( 1) ( 2) ( 3)
( 4) ( 5) ( 6) ( 7) ( 8) ( 9) (10)
(11) (12) (13) (14) (15) (16) (17)
(18) (19) (20) (21) (22) (23) (24)
(25) (26) (27) (28) (29) (30)   

---

祝日の一覧はholidaysに入れたので、当月の日付に該当する文字列のみをマーキングします。2021年4月の祝日は29日のみです。

In[19]:

holiday = day
for h in [h.day for h in holidays if (h.year,h.month)==(now.year,now.month)]:
    holiday = holiday.replace('('+str(h).rjust(2)+')',('='*len(str(h))).rjust(2))
holiday = re.sub(r'\( ?\d+\)','  ',holiday)
[' '*20]*2+holiday.splitlines()

Out[19]:

['                    ',
 '                    ',
 '                    ',
 '                    ',
 '                    ',
 '                    ',
 '            ==      ']

29日の位置だけに==が入りました。日付が1桁だったら=となるように調整しています。

当日

祝日とほとんど同じ処理です。

In[20]:

today = re.sub(r'\( ?\d+\)','  ',
    day.replace('('+str(now.day).rjust(2)+')',('_'*len(str(now.day))).rjust(2)))
[' '*20]*2+today.splitlines()

Out[20]:

['                    ',
 '                    ',
 '                   _',
 '                    ',
 '                    ',
 '                    ',
 '                    ']

文字盤の完成

針の部分を除いて表示すると、こんな感じになりました。

In[21]:

plt.figure(figsize=(4,4),dpi=60)
plt.axes().set_aspect('equal');plt.xlim(-10,10);plt.ylim(-10,10)
plt.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, wspace=0, hspace=0)
plt.title(now)
for degree in np.arange(60):
    if degree % 5 == 0:
        plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
            [(-0.2,9.0),(0,8.5),(0.2,9.0),(-0.2,9.0)]),
            np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.1)
        plt.text(*[e for e_ in zip(*rotate(np.array([(0,9.5)]),
            np.pi*degree/30)) for e in e_],
            str(12 if degree==0 else degree//5),
            color='black',va='center',ha='center',fontsize=13,alpha=0.3)
    else:
        plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
            [(-0.1,9.3),(-0.1,9.5),(0.1,9.5),(0.1,9.3),(-0.1,9.3)]),
            np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.05)
plt.fill(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='white')
plt.plot(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
    for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/100)])),color='black',alpha=0.4)

holidays = [datetime.datetime.strptime(d,'%Y/%m/%d').date()
    for d in pd.read_csv('https://www8.cao.go.jp/chosei/shukujitsu/syukujitsu.csv',
        encoding='cp932')['国民の祝日・休日月日']]

locale.setlocale(locale.LC_ALL, 'en_US.UTF-8')
cld = [e.ljust(20) for e in calendar.TextCalendar(calendar.SUNDAY).formatmonth(
    *[int(e) for e in now.strftime('%Y %m').split()]).splitlines()]
day = '\n'.join(cld[2:])
day = re.sub(r'(?P<date>\d+)',r'(\g<date>)',day)
day = re.sub(r' \((?P<date>\d)\)',r'( \g<date>)',day)

# 祝日の記号
holiday = day
for h in [h.day for h in holidays if (h.year,h.month)==(now.year,now.month)]:
    holiday = holiday.replace('('+str(h).rjust(2)+')',('='*len(str(h))).rjust(2))
holiday = re.sub(r'\( ?\d+\)','  ',holiday)
plt.text(0, 4.6,'\n'.join([' '*20]*2+holiday.splitlines()),va='center',ha='center',
        fontsize=14,fontweight='bold',color='red')

# 本日の記号
today = re.sub(r'\( ?\d+\)','  ',
        day.replace('('+str(now.day).rjust(2)+')',('_'*len(str(now.day))).rjust(2)))
plt.text(0, 4.6,'\n'.join([' '*20]*2+today.splitlines()),va='center',ha='center',
        fontsize=14,fontweight='bold',color='black')
# 年月
plt.text(0, 4.6,'\n'.join(cld[:1]+[' '*20]*6),va='center',ha='center',
        fontsize=14,fontweight='bold',color='black',alpha=0.6)
# 日曜日
plt.text(0, 4.6,'\n'.join([' '*20]+[e[:2].ljust(20) for e in cld[1:]]),va='center',ha='center',
        fontsize=14,fontweight='bold',color='red',alpha=0.6)
# 土曜日
plt.text(0, 4.6,'\n'.join([' '*20]+[e[-2:].rjust(20) for e in cld[1:]]),va='center',ha='center',
        fontsize=14,fontweight='bold',color='blue',alpha=0.6)
# 平日
plt.text(0, 4.6,'\n'.join([' '*20]+['  '+e[2:17].ljust(18) for e in cld[1:]]),va='center',ha='center',
        fontsize=14,fontweight='bold',color='black',alpha=0.6)
# 曜日・年月日・時刻
plt.text(0,-4.2,now.strftime('%A\n%Y-%m-%d\n%H:%M:%S'),va='center',ha='center',
        fontsize=30,fontweight='bold',color='black', alpha=0.5)

plt.show()
plt.clf()
plt.close()

Out[21]:

コード全体

任意の時刻をカレンダー付きのアナログ時計の盤面の画像としてバッファを返す関数を作ります。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import pandas as pd
import datetime, calendar, re, locale
from io import BytesIO
from PIL import Image
plt.rcParams['font.family']='Consolas'

holidays = [datetime.datetime.strptime(d,'%Y/%m/%d').date()
    for d in pd.read_csv('https://www8.cao.go.jp/chosei/shukujitsu/syukujitsu.csv',
        encoding='cp932')['国民の祝日・休日月日']]

def clock(now):
    def rotate(a,theta):
        return np.dot(a,np.array([
                (np.cos(theta),-np.sin(theta)),
                (np.sin(theta), np.cos(theta))]))

    plt.figure(figsize=(4,4),dpi=60)
    plt.axes().set_aspect('equal');plt.xlim(-10,10);plt.ylim(-10,10)
    plt.subplots_adjust(left=0, right=1, bottom=0, top=1, wspace=0, hspace=0)
    plt.axis('off')
    plt.tight_layout()

    # 針
    h,m,s = now.strftime('%H,%M,%S').split(',')
    s = float(s)
    m = float(m)+float(s)/60
    h = float(h)+float(m)/60
    H = np.array([(-0.6,-0.7),(-0.30,5.0),(0.30,5.0),(0.6,-0.7),(-0.6,-0.7)])
    M = np.array([(-0.6,-0.7),(-0.20,7.5),(0.20,7.5),(0.6,-0.7),(-0.6,-0.7)])
    S = np.array([(-0.3,-0.7),(-0.10,8.5),(0.10,8.5),(0.3,-0.7),(-0.3,-0.7)])
    plt.fill(*list(zip(*rotate(H,h*2*np.pi/12))),color='red',alpha=0.3)
    plt.plot(*list(zip(*rotate(H,h*2*np.pi/12))),color='orange',alpha=0.2)
    plt.fill(*list(zip(*rotate(M,m*2*np.pi/60))),color='red',alpha=0.2)
    plt.plot(*list(zip(*rotate(M,m*2*np.pi/60))),color='orange',alpha=0.2)
    plt.fill(*list(zip(*rotate(S,s*2*np.pi/60))),color='red',alpha=0.1)
    plt.plot(*list(zip(*rotate(S,s*2*np.pi/60))),color='orange',alpha=0.2)

    # 文字盤
    for degree in np.arange(60):
        if degree % 5 == 0:
            plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
                [(-0.2,9.0),(0,8.5),(0.2,9.0),(-0.2,9.0)]),
                np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.10)
            plt.text(*[e for e_ in zip(*rotate(np.array([(0,9.5)]),
                np.pi*degree/30)) for e in e_],
                str(12 if degree==0 else degree//5),
                color='black',va='center',ha='center',fontsize=13,alpha=0.3)
        else:
            plt.fill(*list(zip(*rotate(np.array(
                [(-0.1,9.3),(-0.1,9.5),(0.1,9.5),(0.1,9.3),(-0.1,9.3)]),
                np.pi*degree/30))),color='black',alpha=0.05)
    # 中心円
    plt.fill(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
        for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/1000)])),color='white')
    plt.plot(*list(zip(*[np.dot(0.3,(np.cos(theta),np.sin(theta)))
        for theta in 2*np.pi*np.arange(0,1,1/1000)])),color='black',alpha=0.4)

    # カレンダー
    locale.setlocale(locale.LC_ALL, 'en_US.UTF-8')
    cld = [e.ljust(20) for e in calendar.TextCalendar(calendar.SUNDAY).formatmonth(
        *[int(e) for e in now.strftime('%Y %m').split()]).splitlines()]
    day = '\n'.join(cld[2:])
    day = re.sub(r'(?P<date>\d+)',r'(\g<date>)',day)
    day = re.sub(r' \((?P<date>\d)\)',r'( \g<date>)',day)

    # 祝日の記号
    holiday = day
    for h in [h.day for h in holidays if (h.year,h.month)==(now.year,now.month)]:
        holiday = holiday.replace('('+str(h).rjust(2)+')',('='*len(str(h))).rjust(2))
    holiday = re.sub(r'\( ?\d+\)','  ',holiday)
    plt.text(0, 4.2,'\n'.join([' '*20]*2+holiday.splitlines()),va='center',ha='center',
            fontsize=14,fontweight='bold',color='red')
    # 本日の記号
    today = re.sub(r'\( ?\d+\)','  ',
            day.replace('('+str(now.day).rjust(2)+')',('_'*len(str(now.day))).rjust(2)))
    plt.text(0, 4.2,'\n'.join([' '*20]*2+today.splitlines()),va='center',ha='center',
            fontsize=14,fontweight='bold',color='black')
    # 年月
    plt.text(0, 4.2,'\n'.join(cld[:1]+[' '*20]*6),va='center',ha='center',
            fontsize=14,fontweight='bold',color='black',alpha=0.6)
    # 日曜日
    plt.text(0, 4.2,'\n'.join([' '*20]+[e[:2].ljust(20) for e in cld[1:]]),va='center',ha='center',
            fontsize=14,fontweight='bold',color='red',alpha=0.6)
    # 土曜日
    plt.text(0, 4.2,'\n'.join([' '*20]+[e[-2:].rjust(20) for e in cld[1:]]),va='center',ha='center',
            fontsize=14,fontweight='bold',color='blue',alpha=0.6)
    # 平日
    plt.text(0, 4.2,'\n'.join([' '*20]+['  '+e[2:17].ljust(18) for e in cld[1:]]),va='center',ha='center',
            fontsize=14,fontweight='bold',color='black',alpha=0.6)

    # 曜日・年月日・時刻
    plt.text(0,-4.2,now.strftime('%A\n%Y-%m-%d\n%H:%M:%S'),va='center',ha='center',
            fontsize=28,fontweight='bold',color='black', alpha=0.5)

    buf = BytesIO()
    plt.savefig(buf,format='jpg')
    plt.clf()
    plt.close()
    return Image.open(buf)

動作確認

Jupyterで確認しているので、画像はブラウザにすぐ表示されます。

In[22]:

clock(now)

Out[22]:

年度が変わった瞬間を早送りでループするアニメーションを作りました。

In[23]:

images = []
now = datetime.datetime(2021,3,31,23,58,20)
for i in range(200):
    images.append(clock(now+datetime.timedelta(seconds=i)))

from IPython.display import HTML
import base64

buf = BytesIO()
images[0].save(buf, format='gif', save_all=True, append_images=images[1:], duration=50, loop=0)
HTML('<img src="data:image/gif;base64,'+base64.encodebytes(buf.getvalue()).decode('utf8')+'"/>')

Out[23]:

きちんと日付をまたいだ時にカレンダーが更新されています。