Python 实现将 Excel 数据绘制成精美图像
实验介绍
本课程实现使用 Python 从 Excel 读取数据，并使用 Matplotlib 绘制成二维图像。这一过程中，将通过一系列操作来美化图像，最终得到一个可以出版级别的图像。本课程对于需要书写实验报告，学位论文，发表文章，做报告的学员具有较大价值。
知识点
- 使用 xlrd 扩展包读取 Excel 数据
- 使用 Matplotlib 绘制二维图像
- 显示 LaTeX 风格公式
- 坐标点处透明化
接下来，我们将通过实践操作，带领大家使用 Python 实现从 Excel 读取数据绘制成精美图像。
首先，我们来绘制一个非常简单的正弦函数，代码如下：
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
x = np.linspace(0, 10, 500)
dashes = [10, 5, 100, 5] # 10 points on, 5 off, 100 on, 5 off
fig, ax = plt.subplots()
line1, = ax.plot(x, np.sin(x), '--', linewidth=2,
label='Dashes set retroactively')
line1.set_dashes(dashes)
line2, = ax.plot(x, -1 * np.sin(x), dashes=[30, 5, 10, 5],
label='Dashes set proactively')
ax.legend(loc='lower right')
测试 xlrd 扩展包
xlrd 顾名思义，就是 Excel 文件的后缀名 .xl 文件 read 的扩展包。这个包只能读取文件，不能写入。写入需要使用另外一个包。但是这个包，其实也能读取.xlsx文件。
从 Excel 中读取数据的过程比较简单，首先从 xlrd 包导入 open_workbook，然后打开 Excel 文件，把每个 sheet 里的每一行每一列数据都读取出来即可。很明显，这是个循环过程。
## 下载所需示例数据
## 1. https://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/791/my_data.xlsx
## 2. https://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/791/phase_detector.xlsx
## 3. https://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/791/phase_detector2.xlsx
from xlrd import open_workbook
x_data1 = []
y_data1 = []
wb = open_workbook('phase_detector.xlsx')
for s in wb.sheets():
print('Sheet:', s.name)
for row in range(s.nrows):
print('the row is:', row)
values = []
for col in range(s.ncols):
values.append(s.cell(row, col).value)
print(values)
x_data1.append(values[0])
y_data1.append(values[1])
如果安装包没有问题，这段代码应该能打印出 Excel 表中的数据内容。解释一下这段代码：
- 打开一个 Excel 文件后，首先对文件内的
sheet进行循环，这是最外层循环。 - 在每个
sheet内，进行第二次循环，行循环。 - 在每行内，进行列循环，这是第三层循环。
在最内层列循环内，取出行列值，复制到新建的 values 列表内，很明显，源数据有几列，values 列表就有几个元素。我们例子中的 Excel 文件有两列，分别对应角度和 DC 值。所以在列循环结束后，我们将取得的数据保存到 x_data1 和 y_data1 这两个列表中。
绘制图像 V1
第一个版本的功能很简单，从 Excel 中读取数据，然后绘制成图像。同样先下载所需数据：
def read_xlsx(name):
wb = open_workbook(name)
x_data = []
y_data = []
for s in wb.sheets():
for row in range(s.nrows):
values = []
for col in range(s.ncols):
values.append(s.cell(row, col).value)
x_data.append(values[0])
y_data.append(values[1])
return x_data, y_data
x_data, y_data = read_xlsx('my_data.xlsx')
plt.plot(x_data, y_data, 'bo-', label=u"Phase curve", linewidth=1)
plt.title(u"TR14 phase detector")
plt.legend()
plt.xlabel(u"input-deg")
plt.ylabel(u"output-V")
从 Excel 中读取数据的程序，上面已经解释过了。这段代码后面的函数是 Matplotlib 绘图的基本格式，此处的输入格式为：plt.plot(x 轴数据, y 轴数据, 曲线类型, 图例说明, 曲线线宽)。图片顶部的名称，由 plt.title(u"TR14 phase detector") 语句定义。最后，使用 plt.legend() 使能显示图例。
绘制图像 V2
这个图只绘制了一个表格的数据，我们一共有三个表格。但是就这个一个已经够丑了，我们先来美化一下。首先，坐标轴的问题：横轴的 0 点对应着纵轴的 8，这个明显不行。我们来移动一下坐标轴，使之 0 点重合：
from pylab import gca
plt.plot(x_data, y_data, 'bo-', label=u"Phase curve", linewidth=1)
plt.title(u"TR14 phase detector")
plt.legend()
ax = gca()
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
plt.xlabel(u"input-deg")
plt.ylabel(u"output-V")
好的，移动坐标轴后，图片稍微顺眼了一点，我们也能明显的看出来，图像与横轴的交点大约在 180 度附近。
解释一下移动坐标轴的代码：我们要移动坐标轴，首先要把旧的坐标拆了。怎么拆呢？原图是上下左右四面都有边界刻度的图像，我们首先把右边界拆了不要了，使用语句 ax.spines['right'].set_color('none')。
把右边界的颜色设置为不可见，右边界就拆掉了。同理，再把上边界拆掉 ax.spines['top'].set_color('none')。
拆完之后，就只剩下我们关心的左边界和下边界了，这俩就是 x 轴和 y 轴。然后我们移动这两个轴，使他们的零点对应起来：
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
这样，就完成了坐标轴的移动。
绘制图像 V3
我们能不能给图像过零点加个标记呢？显示的告诉看图者，过零点在哪，就免去看完图还得猜，要么就要问作报告的人。
plt.plot(x_data, y_data, 'bo-', label=u"Phase curve", linewidth=1)
plt.annotate('zero point', xy=(180, 0), xytext=(60, 3),
arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),)
plt.title(u"TR14 phase detector")
plt.legend()
ax = gca()
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
plt.xlabel(u"input-deg")
plt.ylabel(u"output-V")
好的，加上标注的图片，显示效果更好了。标注的添加，使用 plt.annotate(标注文字, 标注的数据点, 标注文字坐标, 箭头形状) 语句。这其中，标注的数据点是我们感兴趣的，需要说明的数据，而标注文字坐标，需要我们根据效果进行调节，既不能遮挡原曲线，又要醒目。
绘制图像 V4
我们把三组数据都画在这幅图上，方便对比，此外，再加上一组理想数据进行对照。这一次我们再做些改进，把横坐标的单位用 LaTeX 引擎显示；不光标记零点，把两边的非线性区也标记出来；
plt.annotate('Close loop point', size=18, xy=(180, 0.1), xycoords='data',
xytext=(-100, 40), textcoords='offset points',
arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2")
)
plt.annotate(' ', xy=(0, -0.1), xycoords='data',
xytext=(200, -90), textcoords='offset points',
arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=-.2")
)
plt.annotate('Zero point in non-monotonic region', size=18, xy=(360, 0), xycoords='data',
xytext=(-290, -110), textcoords='offset points',
arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2")
)
plt.plot(x_data, y_data, 'b', label=u"Faster D latch and XOR", linewidth=2)
x_data1, y_data1 = read_xlsx('phase_detector.xlsx')
plt.plot(x_data1, y_data1, 'g', label=u"Original", linewidth=2)
x_data2, y_data2 = read_xlsx('phase_detector2.xlsx')
plt.plot(x_data2, y_data2, 'r', label=u"Move the pullup resistor", linewidth=2)
x_data3 = []
y_data3 = []
for i in range(360):
x_data3.append(i)
y_data3.append((i-180)*0.052-0.092)
plt.plot(x_data3, y_data3, 'c', label=u"The Ideal Curve", linewidth=2)
plt.title(u"$2\pi$ phase detector", size=20)
plt.legend(loc=0) # 显示 label
# 移动坐标轴代码
ax = gca()
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
plt.xlabel(u"$\phi/deg$", size=20)
plt.ylabel(u"$DC/V$", size=20)
LaTeX 表示数学公式，使用 $$ 表示两个符号之间的内容是数学符号。圆周率就可以简单表示为 $\pi$，简单到哭，显示效果却很好看。同样的，$\phi$ 表示角度符号，书写和读音相近，很好记。
对于圆周率，角度公式这类数学符号，使用 LaTeX 来表示，是非常方便的。这张图比起上面的要好看得多了。但是，依然觉得还是有些丑。好像用平滑线画出来的图像，并不如用点线画出来的好看。而且点线更能反映实际的数据点。此外，我们的图像跟坐标轴重叠的地方，把坐标和数字都挡住了，看着不太美。
图中的理想曲线的数据，是根据电路原理纯计算出来的，要讲清楚需要较大篇幅，这里就不展开了，只是为了配合比较而用，这部分代码，大家知道即可：
for i in range(360):
x_data3.append(i)
y_data3.append((i-180)*0.052-0.092)
plt.plot(x_data3, y_data3, 'c', label=u"The Ideal Curve", linewidth=2)
绘制图像 V5
我们再就上述问题，进行优化。优化的过程包括：改变横坐标的显示，使用弧度显示；优化图像与横坐标相交的部分，透明显示；增加网络标度。
plt.annotate('The favorite close loop point', size=16, xy=(1, 0.1), xycoords='data',
xytext=(-180, 40), textcoords='offset points',
arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2")
)
plt.annotate(' ', xy=(0.02, -0.2), xycoords='data',
xytext=(200, -90), textcoords='offset points',
arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=-.2")
)
plt.annotate('Zero point in non-monotonic region', size=16, xy=(1.97, -0.3), xycoords='data',
xytext=(-290, -110), textcoords='offset points',
arrowprops=dict(arrowstyle="->", connectionstyle="arc3,rad=.2")
)
plt.plot(x_data, y_data, 'bo--', label=u"Faster D latch and XOR", linewidth=2)
plt.plot(x_data3, y_data3, 'c', label=u"The Ideal Curve", linewidth=2)
plt.title(u"$2\pi$ phase detector", size=20)
plt.legend(loc=0) # 显示 label
# 移动坐标轴代码
ax = gca()
ax.spines['right'].set_color('none')
ax.spines['top'].set_color('none')
ax.xaxis.set_ticks_position('bottom')
ax.spines['bottom'].set_position(('data', 0))
ax.yaxis.set_ticks_position('left')
ax.spines['left'].set_position(('data', 0))
plt.xlabel(u"$\phi/rad$", size=20) # 角度单位为 pi
plt.ylabel(u"$DC/V$", size=20)
plt.xticks([0, 0.5, 1, 1.5, 2], [r'$0$', r'$\pi/2$',
r'$\pi$', r'$1.5\pi$', r'$2\pi$'], size=16)
for label in ax.get_xticklabels() + ax.get_yticklabels():
label.set_bbox(dict(facecolor='white', edgecolor='None', alpha=0.65))
plt.grid(True)
与我们最开始那张图比起来，是不是有种脱胎换骨的感觉？这其中，对图像与坐标轴相交的部分，做了透明化处理，代码为：
for label in ax.get_xticklabels() + ax.get_yticklabels():
label.set_bbox(dict(facecolor='white', edgecolor='None', alpha=0.65))
透明度由其中的参数 alpha=0.65 控制，如果想更透明，就把这个数改到更小，0 代表完全透明，1 代表不透明。而改变横轴坐标显示方式的代码为：
plt.xticks([0, 0.5, 1, 1.5, 2], [r'$0$', r'$\pi/2$',
r'$\pi$', r'$1.5\pi$', r'$2\pi$'], size=16)
这里直接手动指定 x 轴的标度。依然是使用 LaTeX 引擎来表示数学公式。
实验总结
本次实验使用 Python 的绘图包 Matplotlib 绘制了一副图像。图像的数据来源于 Excel 数据表。与使用数据表画图相比，通过程序控制绘图，得到了更加灵活和精细的控制，最终绘制除了一幅精美的图像。