[Fortranのはじめ方] Part25: ファイルによるデータ可視化ツールとの連携（例：Gnuplot）

はじめに

Fortranは数値計算に非常に強力な言語ですが、計算結果を数値の羅列だけで理解するのは難しい場合があります 。そこで、計算結果をグラフなどで「見える化」することが重要になります。

このステップでは、Fortranプログラムで生成したデータをファイルに出力し、それをGnuplotのような外部の可視化ツールで読み込んでグラフ化する方法を学びます。これにより、計算結果の分析や理解が格段に進みます。

1. Fortranからファイルへのデータ出力

Gnuplotなどの可視化ツールでデータを読み込むためには、特定の形式でファイルに出力する必要があります。一般的には、以下のようなテキストファイル形式がよく使われます。

• スペース区切り: 各列のデータをスペースで区切る形式。
• タブ区切り: 各列のデータをタブ文字で区切る形式。
• CSV (Comma Separated Values): 各列のデータをカンマで区切る形式。

FortranのWRITE文を使って、これらの形式でデータを出力できます。例えば、x座標とy座標のデータをスペース区切りで`output.dat`というファイルに出力する簡単な例を見てみましょう。

program write_data
  implicit none
  integer :: i
  real :: x, y
  integer, parameter :: data_unit = 10

  ! ファイルを開く (ステータスが 'unknown' の場合、新規作成される)
  open(unit=data_unit, file='output.dat', status='unknown', action='write')

  ! 簡単なデータを書き込む (例: y = x^2)
  do i = 1, 10
    x = real(i) * 0.5
    y = x**2
    ! WRITE文でスペース区切りで出力
    write(data_unit, *) x, y
  end do

  ! ファイルを閉じる
  close(data_unit)

  print *, 'データファイル "output.dat" を作成しました。'

end program write_data

2. Gnuplotの基本的な使い方

Gnuplotは、コマンドラインベースのグラフ作成ツールです。多くのOS（Windows, macOS, Linux）で利用できます。

インストール後、ターミナル（コマンドプロンプト）でgnuplotと入力すると起動します。

$ gnuplot

        G N U P L O T
        Version 5.4 patchlevel 8    last modified 2023-06-07

        Copyright (C) 1986-1993, 1998, 2004, 2007-2023
        Thomas Williams, Colin Kelley and many others

        gnuplot home:     http://www.gnuplot.info
        faq, bugs, etc:   type "help FAQ"
        immediate help:   type "help"  (plot window: hit 'h')

Terminal type is now 'qt'
gnuplot>

基本的なプロットコマンドはplotです。先ほどFortranで作成した`output.dat`ファイルをプロットするには、次のように入力します。

gnuplot> plot 'output.dat' with linespoints

これにより、`output.dat`の1列目をx軸、2列目をy軸として、線と点でグラフが表示されます。with linespoints (または w lp) は描画スタイルを指定するオプションです。他にもwith lines (線のみ), with points (点のみ) などがあります。

グラフにタイトルや軸ラベルを追加することもできます。

gnuplot> set title 'y = x^2 のグラフ'
gnuplot> set xlabel 'x軸'
gnuplot> set ylabel 'y軸'
gnuplot> replot  # 設定を反映して再描画

Gnuplotを終了するにはexitまたはquitと入力します。

3. FortranとGnuplotの連携方法

FortranプログラムとGnuplotを連携させる主な方法は2つあります。

方法1: Gnuplotスクリプトを使う

一連のGnuplotコマンドをテキストファイル（例: `plot_script.gp`）に記述しておき、Gnuplotでそのスクリプトを実行する方法です。

plot_script.gp の例:

# Gnuplot スクリプトファイル
set terminal pngcairo size 800,600 enhanced font 'Arial,10' # 出力形式(PNG)とサイズ指定
set output 'graph.png' # 出力ファイル名

set title 'y = x^2 のグラフ'
set xlabel 'x軸'
set ylabel 'y軸'
set grid # グリッド線を表示

plot 'output.dat' with linespoints title '計算結果' lw 2 pt 7 # lw:線の太さ, pt:点の種類

このスクリプトを実行するには、ターミナルで以下のように入力します。

$ gnuplot plot_script.gp

これにより、`graph.png`という名前でグラフの画像ファイルが生成されます。

手順:

1. Fortranプログラムを実行してデータファイル (`output.dat`) を生成する。
2. Gnuplotスクリプト (`plot_script.gp`) を用意する。
3. ターミナルで `gnuplot plot_script.gp` を実行する。

この方法は、手動でグラフ化する場合や、決まった形式のグラフを繰り返し作成する場合に適しています。

方法2: FortranからSYSTEMサブルーチンでGnuplotを呼び出す

Fortranプログラム内からOSのコマンドを実行できるSYSTEMサブルーチン（または類似の非標準拡張）を使って、Gnuplotを直接呼び出す方法です。これにより、データ生成からグラフ化までをFortranプログラム内で完結させることができます 。

program call_gnuplot
  implicit none
  integer :: i, stat
  real :: x, y
  integer, parameter :: data_unit = 10
  character(len=200) :: command_str

  ! --- データファイルの作成 (内容は先ほどと同じ) ---
  open(unit=data_unit, file='output.dat', status='unknown', action='write')
  do i = 1, 10
    x = real(i) * 0.5
    y = x**2
    write(data_unit, *) x, y
  end do
  close(data_unit)
  print *, 'データファイル "output.dat" を作成しました。'

  ! --- Gnuplotコマンドを文字列として作成 ---
  ! 1. ターミナル設定 (PNG出力)
  command_str = "set terminal pngcairo size 800,600; "
  ! 2. 出力ファイル名設定
  command_str = trim(command_str) // "set output 'graph_from_fortran.png'; "
  ! 3. タイトル・ラベル設定
  command_str = trim(command_str) // "set title 'SYSTEM Call Plot'; set xlabel 'X'; set ylabel 'Y'; "
  ! 4. プロットコマンド
  command_str = trim(command_str) // "plot 'output.dat' with linespoints title 'Data';"

  ! --- SYSTEMサブルーチンでGnuplotを実行 ---
  ! gnuplot に -e オプションでコマンド文字列を渡す
  call system("gnuplot -e """ // trim(command_str) // """")

  ! systemサブルーチンの戻り値を確認 (処理系による)
  ! if (stat /= 0) then
  !   print *, 'Gnuplot の実行に失敗しました。'
  ! end if

  print *, 'Gnuplot を呼び出して "graph_from_fortran.png" を作成しました。'

end program call_gnuplot

4. 実践例: sin関数のグラフ化

もう少し具体的な例として、sin関数 \(y = \sin(x)\) のデータをFortranで計算・出力し、Gnuplotでグラフ化してみましょう。

Fortranプログラム (sin_data.f90):

program generate_sin_data
  implicit none
  integer :: i
  real :: x, y
  real, parameter :: pi = acos(-1.0) ! 円周率
  integer, parameter :: data_unit = 10
  integer, parameter :: n_points = 100 ! データ点数

  open(unit=data_unit, file='sin_data.dat', status='replace', action='write')

  ! 0 から 4*pi までを n_points 個の点で計算
  do i = 0, n_points
    x = real(i) / real(n_points) * 4.0 * pi
    y = sin(x)
    write(data_unit, '(F10.6, 1X, F10.6)') x, y ! 固定書式で出力
  end do

  close(data_unit)

  print *, '"sin_data.dat" を作成しました。'

end program generate_sin_data

このプログラムをコンパイル・実行すると、`sin_data.dat`ファイルが生成されます。

# コンパイル (gfortranの場合)
$ gfortran sin_data.f90 -o sin_data
# 実行
$ ./sin_data
 "sin_data.dat" を作成しました。

次に、このデータをプロットするためのGnuplotスクリプト (`plot_sin.gp`) を作成します。

Gnuplotスクリプト (plot_sin.gp):

set terminal pngcairo size 800,400
set output 'sin_graph.png'

set title 'sin(x) のグラフ (0 <= x <= 4*pi)'
set xlabel 'x'
set ylabel 'sin(x)'
set grid
set xrange [0:4*pi] # x軸の範囲指定
set yrange [-1.1:1.1] # y軸の範囲指定
set xtics ("0" 0, "π" pi, "2π" 2*pi, "3π" 3*pi, "4π" 4*pi) # x軸の目盛り設定

plot 'sin_data.dat' using 1:2 with lines title 'Fortran 計算結果' lw 2

最後に、Gnuplotでこのスクリプトを実行します。

$ gnuplot plot_sin.gp

これで、カレントディレクトリに `sin_graph.png` というファイル名で sin 関数のグラフが生成されているはずです 。

5. その他の可視化ツール

Gnuplotは非常に強力で広く使われているツールですが、他にもFortranと連携できる可視化ツールは存在します。

どのツールを選択するかは、作成したいグラフの種類、必要な機能、使い慣れている環境などによって異なります。まずはGnuplotから試してみるのがおすすめです。

まとめ

このステップでは、Fortranプログラムで計算した結果をファイルに出力し、Gnuplotを使ってグラフとして可視化する方法を学びました。

• FortranのWRITE文で、スペース区切りなどのテキストファイルにデータを出力する。
• Gnuplotの基本的な使い方（plotコマンド、各種設定）を理解する。
• Gnuplotスクリプトを作成して、定型的なグラフ作成を自動化する。
• (応用) FortranのSYSTEMサブルーチンを使って、プログラム内からGnuplotを呼び出す。

計算結果を視覚的に表現することで、データの傾向や特徴を直感的に把握できるようになります。これは、デバッグ、結果の解釈、そして他者への説明において非常に役立ちます 。

次のステップ（ミニプロジェクト）では、ここで学んだ知識も活用しながら、より実践的なプログラム作成に挑戦してみましょう！

参考情報

• Gnuplot official website: http://www.gnuplot.info/ – 公式サイト。ドキュメントやデモがあります。
• Gnuplot ドキュメント日本語訳: (特定の最新公式訳サイトは変動する可能性がありますが、検索すると有志による翻訳が見つかることがあります) – Gnuplotの使い方を日本語で学ぶ際に役立ちます。
• Fortran 標準の `execute_command_line` サブルーチン: Fortran 2008 で標準化されたサブルーチンで、`SYSTEM` と同様にOSコマンドを実行できます。より標準的で推奨される方法です。使い方を調べてみましょう。 (例: `call execute_command_line(“gnuplot plot_script.gp”)`)