Rustでグラフをplotするライブラリのまとめ

- はじめに -

Rustでグラフを描画したいと思った時に調べたクレートとその実装、機能のまとめた時のメモ。

現状はplottersを使っておけば間違いなさそうだが、目的によっては機能で選択する場合もありそう。

- 前提知識 -

グラフの描画までの機能としては、matplotlibのようにaxisやviewを構造体として持っているライブラリもあれば、受け取った配列をそのままgnuplotのスクリプトに変換するライブラリもある。
詳細は後述するが、当然この構造に依存してインターフェースが変わったり、出来ること出来ないことがある。

plotを想定したグラフデータの出力方法は大きく3つに分かれる。
SVG等を通して画像ファイルとして出力する方法、jsやwasmやhtmlテンプレートエンジンを利用してHTMLベースで出力する方法、テキストベース(アスキーアート)として表示する方法である。

また、Jupyter NotebookのRust Kernelとして現状開発が継続しているものにevcxrというライブラリがあり、こちらに出力する事が出来るかも差別化の点に入る。
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OpenCV等の画像処理系ライブラリを用いてもグラフの描画はもちろん行えるが、今回はグラフ描画を軸としたライブラリの調査であり対象とはしない。

- グラフ描画クレートざっくりまとめ -

2021/09/21時点での大まかな実装とライブラリをまとめる

plotters

A rust drawing library for high quality data plotting for both WASM and native, statically and realtimely 🦀 📈🚀
latest commit: 2021/09/17, star: 1.5K
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最も開発が活発である
一般的なplotに加えて複数plot、3次元plot、Animationをサポート
matplotlibに似た思想のAPIを持つ
- matplotlibにおけるfigure、axesとDrawingArea、ChartContextの対応と考えて良さそう
  - title等の持たれ方が若干異なるがptl.figureが柔軟すぎると考えれば良さそう
描画先 (backend)
- 画像描画のクレートをbackendと呼びそれらとの間にcoordinator層を挟んでいる
  - plotters内における論理座標系とバックエンド座標系の変換を行う
  - https://github.com/38/plotters/tree/master/src/coord
- Bitmap BackendとSVG Backendがデフォルトで入る
  - coordから受け取った座標をgifクレート/svgクレート用の画像フォーマットに変換する機構が別のクレートで書かれている
  - https://github.com/plotters-rs/plotters-svg
  - https://github.com/plotters-rs/plotters-bitmap
- HTML5 Canvas Backend
  - ブラウザのAPIを叩くwasm-bindgenのweb_sysを利用してcanvasを操作するwasmを生成する
  - https://github.com/plotters-rs/plotters-canvas
- GTK/Cairo Backend
  - cairoのrustバインディングであるgtk-rsを叩く形. GNOME上で使えそう
  - https://github.com/plotters-rs/plotters-cairo
- piston、text Backened
  - 一応pistonやtextのbackendのベースが存在（開発は進んでいなさそうなので必要なら自分で）
  - https://github.com/PistonDevelopers/piston_window
  - https://github.com/plotters-rs/plotters-text
evcxr_figureメソッドがありjupyter notebook上に描画できる
- SVGフォーマットをEVCXR_CONTENTでwrapする簡易なもの
- 他のクレートでも同等の実装で簡単にevcxr出力できそう
- https://github.com/38/plotters/blob/96d51844ea2febc36dae5f07901db54f10b90c08/src/evcxr.rs
plottersのみplotters-rsプロジェクト配下にない(今後移行されていくかも?)
チュートリアルに空の部分が多くメンテナになるチャンス
- https://github.com/plotters-rs/guide
- https://plotters-rs.github.io/book/intro/introduction.html

以下参考に成り得る文献

RustのドローイングライブラリPlottersの紹介 | MoT Lab (Mobility Technologies Engineering Blog) https://lab.mo-t.com/blog/rust-plotters
RustのPlottersでグラフ描画を試す - Qiita https://qiita.com/showchan33/items/0b58b598c5e0e7bf1689
petgraph_review https://timothy.hobbs.cz/rust-play/petgraph_review.html
evcxr_jupyterによるRust on Notebook | lab note https://lab.ar90n.net/rust/jupyter/2020/11/15/rust-on-nodebook-with-evcxr-jupyter.html
evcxr-jupyter-integration https://plotters-rs.github.io/plotters-doc-data/evcxr-jupyter-integration.html

plotly

Plotly for Rust
latest commit: 2021/07/15, star: 467
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d3.jsとstack.glを利用しグラフを描画する著名なplotly.jsのwrapper
- https://plotly.com/javascript/
plotly公式ではない
ndarrayから直接plotする機能がある
plotly-xxxxx.min.jsをクレート内に含みrust実装のテンプレートエンジンであるaskamaを経由して画像をレンダリングしている
画像ファイルへの変換においてはkaleidoというプロジェクトをwrapしている
- png, jpeg, webp, svg, pdf, epsに変換する
- https://github.com/plotly/Kaleido
- https://github.com/igiagkiozis/plotly/tree/master/plotly_kaleido
notebook_display, lab_displayなるメソッドでjupyter notebookに描画できる
- テンプレートエンジンで生成したHTMLをそのままEVCXR_CONTENTに変換している
- https://github.com/igiagkiozis/plotly/blob/master/plotly/src/plot.rs#L282
チュートリアルが存在する
- https://igiagkiozis.github.io/plotly/content/plotly_rs.html

plotlib

Data plotting library for Rust
latest commit: 2021/02/01, star: 335
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非常にmatplotlibを意識したであろう実装になっている
開発は滞り気味
Vecやndarrayに対応
自前でaxisやviewの構造体を持っている
textでの描画、svgクレートを使った画像での描画に対応
- ドキュメントにはpng対応と書いてあるが未開発っぽい
- https://github.com/milliams/plotlib/issues/39
matplotlibに似た思想のAPIを持つ
- matplotlibにおけるfigure、axesがview, plotに当たる

以下参考に成り得る文献

Rustでグラフをプロットする - Qiita https://qiita.com/termoshtt/items/e07f2f1714fccd750b55
グラフをプロットする(plotlib crate)｜Rustで数値計算 https://zenn.dev/termoshtt/books/b4bce1b9ea5e6853cb07/viewer/plotlib

poloto

A simple 2D plotting library that outputs graphs to SVG that can be styled using CSS.
latest commit: 2021/09/17, star: 28
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SVGをCSSでイジれる事をウリにしたクレート
2021年1月から開発
描画が綺麗
taggerなるhtmlやSVGを生成できるテンプレートエンジンを使っている
- https://github.com/tiby312/tagger
- 対応するHTMLにCSSを流してrenderingしてSVGに変換している
  - https://github.com/tiby312/poloto/blob/master/src/render/mod.rs
APIとして対応はしていないがstdoutにEVCXR_CONTENTとしてレンダリングしたものを流せばevcxrでも表示できる
Broad-Phase Collision Detectionを行うbroccoliなるクレートのドキュメントで使われている
- https://tiby312.github.io/broccoli_report/overview.html
- これ用に作ったっぽい
CSS適応が簡単で描画が綺麗だが覚えるまでが割と大変そう

以下参考に成り得る文献

Rust for Data Science: Tutorial 1 - DEV Community https://dev.to/davidedelpapa/rust-for-data-science-tutorial-1-4g5j

rustplotlib

A pure Rust visualization library inspired by D3.js
latest commit: 2021/07/13, star: 1116
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D3.jsをまるっとrustで書き直している
- plotly.jsのベースがD3.jsなので思想はかなりplotlyに近い
- https://plotly.com/javascript/
描画がかなり綺麗な印象
最後はsvgクレートでSVGに書き出している (.to_svg)
発想としてはかなり壮大なプロジェクトだが、更新はしばらく止まっていそう
multiviewなどに未対応だが今後開発されるかは実装を見る限り微妙そう
- 対応するplot形式を沢山作る方針っぽい

RustGnuplot

A Rust library for drawing plots, powered by Gnuplot
latest commit: 2021/09/01, star: 324
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gnuplotのwrapper
画像用の配列を文字列に変換した後gnuplotコマンドを叩く実装になっている
- https://github.com/SiegeLord/RustGnuplot/blob/master/gnuplot/src/figure.rs#L345
- なのでgnuplotコマンドのinstallが別途必要

以下参考に成り得る文献

[Rust] 練習で正規分布描いてみた [gnuplot] - MATHGRAM https://www.mathgram.xyz/entry/rust/gd
Rustで機械学習（rusty-machine, RustGnuplot） - TSUGULOG https://yoshitsugu.net/posts/2017-11-14-beginning-machine-learning-with-rust.html

preexplorer

Externalize easily the plotting process from Rust to gnuplot.
latest commit: 2021/09/06, star: 4
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gnuplotのwrapper
やっている事はRustGnuplotと同じ
- gnuplotコマンド用のスクリプトを生成して叩く
- https://github.com/saona-raimundo/preexplorer/blob/master/src/traits.rs#L865
- なのでgnuplotコマンドのinstallが別途必要

vega_lite_4.rs

rust api for vega-lite v4
latest commit: 2021/01/22, star: 7
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Pythonで言う所のAltair
Vega Lite(vega-lite.js)にJsonAPIがあるのでそれを叩くための実装を用意したもの
- https://vega.github.io/vega-lite/
- vega-lite.jsが入ったHTMLをテンプレートエンジンでビルドしている
- https://github.com/procyon-rs/vega_lite_4.rs/blob/master/src/show_vega.rs
nalgebraやndarray、rulinalg等の主要な行列ライブラリに対応している
showtaを作っている人と同じ
- https://github.com/procyon-rs/showata
  - HTMLを生成するためのツール
  - jupyter notebook上に描画する事を目的としている
  - tableと画像をHTMLに変換するためのツール
- showtaを経由してevcxrで表示できる
version4に対応したもので、vega_lite_3.rsも存在する

dataplotlib

Scientific plotting library for Rust
latest commit: 2017/10/14, star: 57
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SDLを叩けるようにしたクレートがあり、それらを利用して画像として描画する
- https://github.com/coder543/sdl2_mt
- https://github.com/Rust-SDL2/rust-sdl2
aptなりbrewなりでsdl2.0が扱える環境が必要
更新は止まっている

chord_rs

Rust crate for creating beautiful interactive Chord Diagrams.
latest commit: 2021/01/07, star: 22
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Chord Diagramsを描画するためだけのクレート
Chord PROなるAPIを叩くclientであり、描画機構については分からない

- アスキーアート系のクレート -

plotlib等でも対応しているが、CLIなどで扱えるようにtext形式でplotするクレートがいくつかある。以下簡単に。

loony-bean/textplots-rs: Terminal plotting library for Rust https://github.com/loony-bean/textplots-rs
orhanbalci/rasciigraph: Zero dependency Rust crate to make lightweight ASCII line graph ╭┈╯ in command line apps with no other dependencies. https://github.com/orhanbalci/rasciigraph
jakobhellermann/piechart: a rust crate for drawing fancy pie charts in the terminal https://github.com/jakobhellermann/piechart
milliams/plot: Command-line plotting tool written in Rust https://github.com/milliams/plot

plotという強気の命名がここにある