グラフを描画する ¶

本稿では NetworkX のグラフインスタンスをグラフィカルに描画する方法について記す。 NetworkX の描画機能は、以下で紹介する外部パッケージのいずれかの力を借りて実現している。

ここで紹介する外部パッケージのいずれを採用するにせよ、グラフ描画の編集については最終的には手作業が入りがちだ。自作プログラムが出力した dot ファイルの記述をそのまま Graphviz のプロセッサーにかけると、ほとんどの場合にこちらの想定した形状になってくれていない。それでテキストエディターで dot のコードを修正することになる。例えば、完全グラフのデモなら、ノードが正多角形を構成するような描画になるように dot を編集するのだ。

Matplotlib との連携 ¶

関数 nx.draw_networkx 系統の描画関数だけでグラフをウィンドウに描画するコードの例を示す。日本語テキストが描画可能であることを示したいので、ノードラベルをすべて日本語文字列とした。

#!/usr/bin/env python
"""drawing_mpl.py: Demonstrate nx.draw_networkx.
"""
import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.font_manager import FontProperties
#from matplotlib.text import Text

def main():
    """Display a graph with Matplotlib."""

    G = nx.DiGraph()
    G.add_edge('賢者の石', '金塊', weight=1)
    G.add_edge('賢者の石', 'オリハルコン', weight=1)
    G.add_edge('賢者の石', 'せかいじゅのしずく', weight=1)
    G.reverse(False)

    pos = nx.shell_layout(G)

    # Draw edge labels.
    edge_labels = {(i, j): w['weight'] for i, j, w in G.edges(data=True)}
    nx.draw_networkx_edge_labels(G, pos, edge_labels=edge_labels)

    # Draw the graph.
    nx.draw(G, pos, nodelist=[], node_color='w')

    # Draw node labels.
    text_items = nx.draw_networkx_labels(G, pos)

    # Change the font for node labels.
    font_prop = FontProperties(fname=r'C:\WINDOWS\Fonts\meiryo.ttc')
    for t in text_items.values():
        t.set_fontproperties(font_prop)

    # Display with Matplotlib.
    plt.show()

if __name__ == '__main__':
    main()

コードの解説は正直に言って自信がない。

G.reverse については深い意味はなく、グラフの辺の向きをアイテムの生成方向にしたかっただけ。
nx.shell_layout は勘。キーワード引数の指定が面倒なため、デフォルト任せ。
グラフ描画のメインは nx.draw なのだが、普通は nx.draw_networkx を使ったほうがよさそうだ。ここではエッジラベルとノードラベルの描画をそれぞれ細かく指示したかったので、単純版である nx.draw を採用した。
ノードラベルは日本語なので、適切なフォントをセットする必要がある。どうも Matplotlib のインスタンスを直接操作せねばならぬようなので、このようにした。

実行結果を次に示す：

PyGraphviz との連携 ¶

Python 3.5 環境では、現時点で PyGraphviz を利用するには自分でビルドをする必要がありそうだ。

bash$ git clone https://github.com/pygraphviz/pygraphviz.git
Cloning into 'pygraphviz'...
中略
Checking connectivity... done.

bash$ cd pygraphviz
bash$ pip install -e .
Obtaining file:///D:/home/yojyo/devel/pygraphviz
Installing collected packages: pygraphviz
  Running setup.py develop for pygraphviz
    中略
    building 'pygraphviz._graphviz' extension
    error: Unable to find vcvarsall.bat

Warning

こちらは最新環境では試していない。

pydot との連携 ¶

本家の pydot は Python3 に対応していない。それゆえ NetworkX からの連携は公式にはできないことになっている。本稿では、そこを何とかクリアする。

Python3 動作版 pydot のセットアップ ¶

試行錯誤した結果、どうも nlhepler 版 pydot を利用するのがもっとも安定した動作実績を得られることがわかった。バージョンは 1.0.29 だ。

bash$ git clone https://github.com/nlhepler/pydot.git
bash$ cd pydot
bash$ pip install -e .

パッケージ nxpydot のセットアップ ¶

別の方法を見つけたので記す。それは nxpydot というサードパーティー製パッケージを利用するやり方だ。本稿ではこちらを採用する。

bash$ pip install nxpydot
Collecting nxpydot
  Downloading nxpydot-0.1-py3-none-any.whl
Collecting pydotplus (from nxpydot)
  Downloading pydotplus-2.0.2.tar.gz (278kB)
    ...
Requirement already satisfied (use --upgrade to upgrade): pyparsing>=2.0.1 in d:\miniconda3\lib\site-packages (from pydotplus->nxpydot)
Building wheels for collected packages: pydotplus
  Running setup.py bdist_wheel for pydotplus ... done
  ...
Successfully built pydotplus
Installing collected packages: pydotplus, nxpydot
Successfully installed nxpydot-0.1 pydotplus-2.0.2

モジュール `networkx.nx_pydot` の関数の動作確認 ¶

以上の環境で、簡単な NetworkX のグラフインスタンスを作成し、モジュール networkx.nx_pydot がエクスポートしている各関数の動作を確認した。

>>> N = nx.complete_graph(5)
>>> P = nx.nx_pydot.to_pydot(N)
>>> path = 'D:/Temp/nx_pydot.dot'
>>> nx.nx_pydot.write_dot(N, path)
>>> # etc.

現時点での利用可否状況は次のような感じだと思う：

関数	呼び出し結果
`nx.nx_pydot.from_pydot(P)`	OK
`nx.nx_pydot.to_pydot(N, ...)`	OK
`nx.nx_pydot.write_dot(P, path)`	OK
`nx.nx_pydot.read_dot(path)`	OK
`nx.nx_pydot.pydot_layout(G, ...)`	OK

テキストファイルの内容はこのようになる：

strict graph "complete_graph(5)" {
0;
1;
2;
3;
4;
0 -- 1;
0 -- 2;
0 -- 3;
0 -- 4;
1 -- 2;
1 -- 3;
1 -- 4;
2 -- 3;
2 -- 4;
3 -- 4;
}

形状別描画手引 ¶

完全グラフを正多角形の頂点に描画したい ¶

完全グラフを描画するには、描画関数 nx.draw_circular 一発で済ませるか、あるいはレイアウト関数 nx.circular_layout と汎用描画関数の組み合わせのどちらかを利用したい。ここでは後者の例を示す。コード中の if ブロックの else の処理は自力でグラフノードの座標を指示する一例であるが、出来合いのものを利用するのが望ましい。実物の nx.circular_layout の実装はもっとスマートだ。

#!/usr/bin/env python
"""drawing_comp.py: demonstrate NetworkX (circular_layout).
"""
import colorsys

import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt
from numpy import (array, cos, sin, float32, pi)

num_nodes = 17
G = nx.complete_graph(num_nodes)

if False:
    pos = nx.circular_layout(G)
else:
    pos = {}
    for i in range(num_nodes):
        theta = 2 * pi * i / num_nodes
        pos[i] = array([cos(theta), sin(theta)], dtype=float32)

# Node colors.
ncolors = [colorsys.hsv_to_rgb(h / num_nodes, 1.0, 1.0)
           for h in range(num_nodes)]

nx.draw_networkx(G, pos, node_color=ncolors)
plt.axes().set_aspect('equal', 'datalim')
plt.show()

正多角形を描くだけのサンプルではビジュアル的にさみしいので、点の色に変化をつけてみた。

コード中の set_aspect うんぬんは Matplotlib 側の事情による。私の環境では、この呼び出しを行わないとプロットの座標系の縦横比が 1 : 1 にならない。

実行結果は次のようになるはずだ。仮に自力で点の座標を指示すると、原点を中止とする単位円周上に配列される。もっとも、グラフを図示するときには点の物理的な座標は気にしないはずなので、plt.axis('off') する等して座標軸の描画をやめるとよい。

木を描画したい ¶

結論から言うと Graphviz 任せになる。コツは関数 nx.pydot_layout のキーワード引数 prog を下のように指示することのようだ。

#!/usr/bin/env python
"""drawing_tree.py: draw a tree graph with pydot_layout.
"""
import colorsys

import networkx as nx
import matplotlib.pyplot as plt

# A tree graph is given.
branching = 2
height = 5
G = nx.balanced_tree(branching, height)

#pos = nx.spring_layout(G) # default; bad
#pos = nx.shell_layout(G) # bad
#pos = nx.spectral_layout(G) # poor
pos = nx.nx_pydot.pydot_layout(G, prog='dot') # good

# Node colors.
ncolors = []
height += 1
for i in range(height):
    ncolors.extend(
        [colorsys.hsv_to_rgb(i / height, 1.0, 1.0)] * branching ** i)

nx.draw_networkx(G, pos, node_color=ncolors)

#plt.axes().set_aspect('equal', 'datalim')
plt.axis('off')
plt.show()

実行結果は次のようになるはずだ。例によって議論の本筋とは無関係にノードを着色してある。