绘图: matplotlib核心剖析
作者：Vamei 出處：http://www.cnblogs.com/vamei 歡迎轉載，也請保留這段聲明。謝謝！
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matplotlib是基于Python語言的開源項目，旨在為Python提供一個數據繪圖包。我將在這篇文章中介紹matplotlib API的核心對象，并介紹如何使用這些對象來實現繪圖。實際上，matplotlib的對象體系嚴謹而有趣，為使用者提供了巨大的發揮空間。用戶在熟悉了核心對象之后，可以輕易的定制圖像。matplotlib的對象體系也是計算機圖形學的一個優秀范例。即使你不是Python程序員，你也可以從文中了解一些通用的圖形繪制原則。
matplotlib使用numpy進行數組運算，并調用一系列其他的Python庫來實現硬件交互。matplotlib的核心是一套由對象構成的繪圖API。
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matplotlib項目是由John D. Hunter發起的。John D. Hunter由于癌癥于去年過世，但他發為社區作出的無比貢獻將永遠留存。
John D. Hunter
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你需要安裝Python, numpy和matplotlib。(可以到python.org下載Python編譯器。相關Python包的安裝，請參看我的Python小技巧)
matplotlib的官網是：?http://matplotlib.org/? 官網有豐富的圖例和文檔說明。
matplotlib在github的地址為：https://github.com/matplotlib?歡迎有興趣的開發者fork。
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函數式繪圖
matplotlib是受MATLAB的啟發構建的。MATLAB是數據繪圖領域廣泛使用的語言和工具。MATLAB語言是面向過程的。利用函數的調用，MATLAB中可以輕松的利用一行命令來繪制直線，然后再用一系列的函數調整結果。
matplotlib有一套完全仿照MATLAB的函數形式的繪圖接口，在matplotlib.pyplot模塊中。這套函數接口方便MATLAB用戶過度到matplotlib包。下面，我們調用該模塊繪制一條直線。
# a strait line: use pyplot functionsfrom matplotlib.pyplot import *plot([0, 1], [0, 1]) # plot a line from (0, 0) to (1, 1) title("a strait line") xlabel("x value") ylabel("y value") savefig("demo.jpg")
上面的每一條命令都很簡單，你可以從函數名讀出該函數所要實現的功能。比如plot為畫線，title為增加標題。最終保存的demo.jpg如下：
上面的函數式調用很方便。在Python特殊方法與多范式中，我們已經談到，Python中的函數式編程是通過封裝對象實現的。matplotlib中的函數式調用其實也是如此。matplotlib本質上還是構建對象來構建圖像。函數式編程將構建對象的過程封裝在函數中，從而讓我們覺得很方便。
在matplotlib.pyplot中，你還可以找到下面的繪圖函數。如果你經常使用數據繪圖程序，應該會很熟悉這些圖形：
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繪圖程序如下：
View Code 上面用到的marvin.jpg是下圖，請保存到當地電腦：
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函數式編程創造了一個仿真MATLAB的工作環境，并有許多成形的繪圖函數。如果只是作為Matplotlib的一般用戶(非開發者)，pyplot可以滿足大部分的需求。
(當然，matplotlib是免費而開源的，MATLAB昂貴而封閉。這是不“仿真”的地方)
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面向對象編程
盡管函數式繪圖很便利，但利用函數式編程會有以下缺點：
1) 增加了一層“函數”調用，降低了效率。
2) 隸屬關系被函數掩蓋。整個matplotlib包是由一系列有組織有隸屬關系的對象構成的。函數掩蓋了原有的隸屬關系，將事情變得復雜。
3) 細節被函數掩蓋。pyplot并不能完全復制對象體系的所有功能，圖像的許多細節調中最終還要回到對象。
4) 每件事情都可以有至少兩種方式完成，用戶很容易混淆。
而對于開發者來說，了解對象是參與到Matplotlib項目的第一步。
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我們將上面的直線繪圖更改為面向對象式(OO, object-oriented)的，為此，我們引入兩個類:?Figure和FigureCanvas。(函數式編程也調用了這些類，只是調用的過程被函數調用所遮掩。)
# object-oriented plotfrom matplotlib.figure import Figure from matplotlib.backends.backend_agg import FigureCanvasAgg as FigureCanvasfig = Figure() canvas = FigureCanvas(fig) ax = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.8, 0.8])line, = ax.plot([0,1], [0,1]) ax.set_title("a straight line (OO)") ax.set_xlabel("x value") ax.set_ylabel("y value")canvas.print_figure('demo.jpg')
新的demo.jpg如下：
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理解對象
上面的例子中，我們至少構建了四個對象： fig, canvas, ax, line。它們分別屬于Figure類，FigureCanvas類，Axes類和Line2D類。(使用obj.__class__.__name__來查詢對象所屬的類)
在深入各個對象之前，我們先來做一個比喻。看下面一個圖片：
這個圖片是用KTurtle繪制。參看把你的孩子打造成為碼農
可以看到，圖中有一個房子，房子上有窗戶和門，窗戶上有條紋，門上有把手，此外圖像外還有一只小烏龜。我們所提到的房子，窗戶，門，條紋，把手，都可以稱其為對象。不同的對象之間有依附關系，比如窗戶和門屬于房子，而把手屬于門。烏龜和房子則是并行的兩個對象。此外，整個圖像外有一個方框，用來表明可繪圖的范圍，所有上面提到的元素都依附于該方框。
這就是用面向對象的方式來理解一個圖像。事實上，對象是描述圖像的最自然的方式，面向對象編程最成功的領域就是在計算機圖形方面。
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我們先來看什么是Figure和Axes對象。在matplotlib中，整個圖像為一個Figure對象。在Figure對象中可以包含一個，或者多個Axes對象。每個Axes對象都是一個擁有自己坐標系統的繪圖區域。其邏輯關系如下：
轉過頭來看直線圖。整個圖像是fig對象。我們的繪圖中只有一個坐標系區域，也就是ax。此外還有以下對象。(括號中表示對象的基本類型)
Title為標題。Axis為坐標軸，Label為坐標軸標注。Tick為刻度線，Tick Label為刻度注釋。各個對象之間有下面的對象隸屬關系：
(yaxis同樣有tick, label和tick label，沒有畫出)
盡管data是數據繪圖的關鍵部分，也就是數據本身的圖形化顯示，但是必須和xaxis, yaxis, title一起，才能真正構成一個繪圖區域axes。一個單純的，無法讀出刻度的線是沒有意義的。xaxis, yaxis, title合起來構成了數據的輔助部分(data guide)。
上面元素又包含有多種圖形元素。比如說，我們的data對象是一條線(Line2D)。title, tick label和label都是文本(Text)，而tick是由短線(Line 2D)和tick label構成，xaxis由坐標軸的線和tick以及label構成，ax由xaxis, yaxis, title, data構成，ax自身又構成了fig的一部分。上面的每個對象，無論是Line2D, Text還是fig，它們都來自于一個叫做Artist的基類。
OO繪圖的原程序還有一個canvas對象。它代表了真正進行繪圖的后端(backend)。Artist只是在程序邏輯上的繪圖，它必須連接后端繪圖程序才能真正在屏幕上繪制出來(或者保存為文件)。我們可以將canvas理解為繪圖的物理(或者說硬件)實現。
在OO繪圖程序中，我們并沒有真正看到title, tick, tick label, xaxis, yaxis對象，而是使用ax.set_*的方法間接設置了這些對象。但這些對象是真實存在的，你可以從上層對象中找到其“真身”。比如，fig.axes[0].xaxis就是我們上面途中的xaxis對象。我們可以通過fig -> axes[0] (也就是ax) -> xaxis的順序找到它。因此，重復我們剛才已經說過的，一個fig就構成了一個完整的圖像。對于每個Artist類的對象，都有findobj()方法，來顯示該對象所包含的所有下層對象。
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坐標
坐標是計算機繪圖的基礎。計算機屏幕是由一個個像素點構成的。想要在屏幕上顯示圖像，計算機必須告訴屏幕每個像素點上顯示什么。所以，最貼近硬件的坐標體系是以像素為單位的坐標體系。我們可以通過具體說明像素位置來標明顯示器上的某一點。這叫做顯示坐標(display coordinate)，以像素為單位。
然而，像素坐標不容易被納入繪圖邏輯。相同的程序，在不同的顯示器上就要調整像素值，以保證圖像不變形。所以一般情況下，還會有圖像坐標和數據坐標。
圖像坐標將一張圖的左下角視為原點，將圖像的x方向和y方向總長度都看做1。x方向的0.2就是指20%的圖像在x方向的總長，y方向0.8的長度指80%的y方向總長。(0.5, 0.5)是圖像的中點，(1, 1)指圖像的右上角。比如下面的程序，我們在使用add_axes時，傳遞的參數中，前兩個元素為axes的左下角在fig的圖像坐標上的位置，后兩個元素指axes在fig的圖像坐標上x方向和y方向的長度。fig的圖像坐標稱為Figure坐標，儲存在為fig.transFigure
(類似的，每個axes，比如ax1，有屬于自己的圖像坐標。它以ax1繪圖區域總長作為1，稱為Axes坐標。也就是ax1.transAxes。(0.5, 0.5)就表示在Axes的中心。Axes坐標和Figure坐標原理相似，只是所用的基準區域不同。)
# object-oriented plot from matplotlib.figure import Figure from matplotlib.backends.backend_agg import FigureCanvasAgg as FigureCanvasfig = Figure() canvas = FigureCanvas(fig)# first axes ax1 = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.2, 0.2]) line, = ax1.plot([0,1], [0,1]) ax1.set_title("ax1")# second axes ax2 = fig.add_axes([0.4, 0.3, 0.4, 0.5]) sca = ax2.scatter([1,3,5],[2,1,2]) ax2.set_title("ax2")canvas.print_figure('demo.jpg')我們在繪圖，比如使用plot的時候，繪制了兩點間的連線。這兩點分別為(0, 0)和(1, 1)。(plot中的第一個表為兩個x坐標，第二個表為兩個y坐標)。這時使用的坐標系為數據坐標系(ax1.transData)。我們可以通過繪出的坐標軸讀出數據坐標的位置。
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如果繪制的是具體數據，那么數據坐標符合我們的需求。如果繪制的是標題這樣的附加信息，那么Axes坐標符合符合我們的需求。如果是整個圖像的注解，那么Figure坐標更符合需求。每一個Artist對象都有一個transform屬性，用于查詢和改變所使用的坐標系統。如果為顯示坐標，transform屬性為None。
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深入基礎
在上面的例子中，無論是使用plot繪制線，還是scatter繪制散點，它們依然是比較成熟的函數。matplotlib實際上提供了更大的自由度，允許用戶以更基礎的方式來繪制圖形，比如下面，我們繪制一個五邊形。
# object-oriented plotfrom matplotlib.figure import Figure from matplotlib.backends.backend_agg import FigureCanvasAgg as FigureCanvasfig = Figure() canvas = FigureCanvas(fig) ax = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.8, 0.8])from matplotlib.path import Path import matplotlib.patches as patchesverts = [(0., 0.), (0., 1.),(0.5, 1.5),(1., 1.),(1., 0.),(0., 0.),]codes = [Path.MOVETO,Path.LINETO,Path.LINETO,Path.LINETO,Path.LINETO,Path.CLOSEPOLY,]path = Path(verts, codes)patch = patches.PathPatch(path, facecolor='coral') ax.add_patch(patch) ax.set_xlim(-0.5,2) ax.set_ylim(-0.5,2)canvas.print_figure('demo.jpg')在上面的程序中。我們首先確定頂點，然后構建了一個path對象，這個對象實際上就是5個頂點的連線。在codes中，我們先使用MOVETO將畫筆移動到起點，然后依次用直線連接(LINETO)(我們也可以用曲線來連線，比如CURVE4，但這里沒有用到)。 在path建立了封閉的5邊形后，我們在path的基礎上構建了patch對象，是一個圖形塊。patch的背景顏色選為coral。最后，我們將這個patch對象添加到預先準備好的ax上，就完成了整個繪圖。
上面的過程中，我們就好像拿著一個畫筆的小孩，一步步畫出心目中的圖畫。這就是深入理解matplotlib的魅力所在——創造你自己的數據繪圖函數！
(將上面的程序封裝到函數中，保留頂點以及其它參數接口，就構成了一個五邊形繪圖函數。O(∩_∩)O~ 我們也創造了新的“一鍵繪圖”)
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可以相像，一個plot函數如何用path對象實現。
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總結
我們已經了解了matplotlib的最重要的方面，它們是：
1) pyplot函數繪圖借口
2) 對象如何組合成為圖像
3) 坐標系統
希望我的講解沒有消耗完你對matplotlib的興趣。事實上，matplotlib是發展相當迅猛的繪圖包，而它的開放性也讓它成為了解計算機圖形學的一個好接口。利用開放的核心對象，你可以隨心的定制自己的數據繪圖，而不用受制于高層的調用函數。謝謝John D. Hunter。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的绘图: matplotlib核心剖析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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