datawhale-matplotlib-02

【来源】：https://datawhalechina.github.io/fantastic-matplotlib/第二回：艺术画笔见乾坤/index.html#object-container

1. API

matplotlib用Artist对象在画布(canvas)上绘制(Render)图形。
就和人作画的步骤类似：

1. 准备一块画布或画纸
2. 准备好颜料、画笔等制图工具
3. 作画

所以matplotlib有三个层次的API：

项目	Value
matplotlib.backend_bases.FigureCanvas	代表了绘图区，所有的图像都是在绘图区完成的
matplotlib.backend_bases.Renderer	代表了渲染器，可以近似理解为画笔，控制如何在 FigureCanvas 上画图。
matplotlib.artist.Artist	代表了具体的图表组件，即调用了Renderer的接口在Canvas上作图。

前两者处理程序和计算机的底层交互的事项，第三项Artist就是具体的调用接口来做出我们想要的图，比如图形、文本、线条的设定。所以通常来说，我们95%的时间，都是用来和matplotlib.artist.Artist类打交道的。

2. Artist

Artist有两种类型：primitives 和containers。

primitive是基本要素，它包含一些我们要在绘图区作图用到的标准图形对象，如曲线Line2D，文字text，矩形Rectangle，图像image等。

container是容器，来装primitive，包括图形figure、坐标系Axes和坐标轴Axis。

可视化中常见的artist类可以参考这张表格

Axes helper method	Artist	Container
bar - bar charts	Rectangle	ax.patches
errorbar - error bar plots	Line2D and Rectangle	ax.lines and ax.patches
fill - shared area	Polygon	ax.patches
hist - histograms	Rectangle	ax.patches
imshow - image data	AxesImage	ax.images
plot - xy plots	Line2D	ax.lines
scatter - scatter charts	PolyCollection	ax.collections

1. 第一列表示matplotlib中子图上的辅助方法，可以理解为可视化中不同种类的图表类型，如柱状图，折线图，直方图等。这些图表都可以用这些辅助方法直接画出来，属于更高层级的抽象。

2. 第二列表示不同图表背后的artist类，比如折线图方法plot在底层用到的就是Line2D这一artist类。

3. 第三列是第二列的列表容器，例如所有在子图中创建的Line2D对象都会被自动收集到ax.lines返回的列表中。

其实在很多时候，我们只用记住第一列的辅助方法进行绘图即可，而无需关注具体底层使用了哪些类，但是了解底层类有助于我们绘制一些复杂的图表，因此也很有必要了解。

3. Primitives

容器中可能会包含多种基本要素-primitives。
常用的 primitives 的类型有：曲线-Line2D，矩形-Rectangle，多边形-Polygon，图像-image 等

3.1 Line2D

matplotlib中曲线的绘制，主要是通过类 matplotlib.lines.Line2D 来完成的。

matplotlib中line的含义：它表示的可以是连接所有顶点的实线样式，也可以是每个顶点的标记。此外，这条线也会受到绘画风格的影响，比如，我们可以创建虚线。

它的构造函数：

class matplotlib.lines.Line2D()

其中常用的的参数有：

• xdata:需要绘制的line中点的在x轴上的取值，若忽略，则默认为range(1,len(ydata)+1)
• ydata:需要绘制的line中点的在y轴上的取值
• linewidth:线条的宽度
• linestyle:线型
• color:线条的颜色
• marker:点的标记，详细可参考markers API
• markersize:标记的size

其他详细参数可参考Line2D官方文档

3.1.1 设置Line2D的属性

有三种方法可以用设置线的属性。

1. 直接在plot()函数中设置

# 1) 直接在plot()函数中设置
x = range(0,5)
y = [2,5,7,8,10]
plt.plot(x,y, linewidth=10); # 设置线的粗细参数为10

2. 通过获得线对象，操作线对象

# 2) 通过获得线对象，对线对象进行设置
x = range(0,5)
y = [2,5,7,8,10]
line, = plt.plot(x, y, '-') # 这里等号坐标的line,是一个列表解包的操作，目的是获取plt.plot返回列表中的Line2D对象
line.set_antialiased(False); # 关闭抗锯齿功能

3. 获得线属性，使用setp()函数设置

# 3) 获得线属性，使用setp()函数设置
x = range(0,5)
y = [2,5,7,8,10]
lines = plt.plot(x, y)
plt.setp(lines, color='r', linewidth=10);

3.1.2 绘制直线line

有两种方法可以绘制直线line

1. 直接使用plot方法绘制

# 1. plot方法绘制
x = range(0,5)
y1 = [2,5,7,8,10]
y2= [3,6,8,9,11]

fig,ax= plt.subplots()
ax.plot(x,y1)
ax.plot(x,y2)
print(ax.lines); # 通过直接使用辅助方法画线，打印ax.lines后可以看到在matplotlib在底层创建了两个Line2D对象

2. 也可以使用更底层的Line2D对象绘制

# 2. Line2D对象绘制

x = range(0,5)
y1 = [2,5,7,8,10]
y2= [3,6,8,9,11]
fig,ax= plt.subplots()
lines = [Line2D(x, y1), Line2D(x, y2,color='orange')]  # 显式创建Line2D对象
for line in lines:
  ax.add_line(line) # 使用add_line方法将创建的Line2D添加到子图中
ax.set_xlim(0,4)
ax.set_ylim(2, 11);

3.1.3 errorbar绘制误差折线图

pyplot里有个专门绘制误差线的功能，通过errorbar类实现，详见官方文档

类似的，更底层的也有axes.Axes.errorbar

3.2 patches

matplotlib.patches.Patch类是二维图形类，并且它是众多二维图形的父类，它的所有子类见matplotlib.patches API ，常见的子类有矩形，多边形和楔形。

3.2.1 Rectangle-矩形

Rectangle矩形类在官网中的定义是： 通过锚点xy及其宽度和高度生成。即xy控制锚点，width和height分别控制宽和高。

在实际中最常见的矩形图是hist直方图和bar柱状图。

hist----直方图

可以使用pyplot.hist或Rectangle矩形类绘制直方图。

pyplot.hist

matplotlib.pyplot.hist(x,bins=None,range=None, density=None, bottom=None, histtype=‘bar’, align=‘mid’, log=False, color=None, label=None, stacked=False, normed=None)

下面是一些常用的参数：

• x: 数据集，最终的直方图将对数据集进行统计
• bins: 统计的区间分布
• range: tuple, 显示的区间，range在没有给出bins时生效
• density: bool，默认为false，显示的是频数统计结果，为True则显示频率统计结果，这里需要注意，频率统计结果=区间数目/(总数*区间宽度)，和normed效果一致，官方推荐使用density
• histtype: 可选{‘bar’, ‘barstacked’, ‘step’, ‘stepfilled’}之一，默认为bar，推荐使用默认配置，step使用的是梯状，stepfilled则会对梯状内部进行填充，效果与bar类似
• align: 可选{‘left’, ‘mid’, ‘right’}之一，默认为’mid’，控制柱状图的水平分布，left或者right，会有部分空白区域，推荐使用默认
• log: bool，默认False,即y坐标轴是否选择指数刻度
• stacked: bool，默认为False，是否为堆积状图

# hist绘制直方图
x=np.random.randint(0,100,100) #生成[0-100)之间的100个数据,即 数据集 
bins=np.arange(0,101,10) #设置连续的边界值，即直方图的分布区间[0,10),[10,20)... 
plt.hist(x,bins,color='fuchsia',alpha=0.5)#alpha设置透明度，0为完全透明 
plt.xlabel('scores') 
plt.ylabel('count') 
plt.xlim(0,100); #设置x轴分布范围 plt.show()

Rectangle矩形类绘制直方图

# Rectangle矩形类绘制直方图
df = pd.DataFrame(columns = ['data'])
df.loc[:,'data'] = x
df['fenzu'] = pd.cut(df['data'], bins=bins, right = False,include_lowest=True)

df_cnt = df['fenzu'].value_counts().reset_index()
df_cnt.loc[:,'mini'] = df_cnt['index'].astype(str).map(lambda x:re.findall('\[(.*)\,',x)[0]).astype(int)
df_cnt.loc[:,'maxi'] = df_cnt['index'].astype(str).map(lambda x:re.findall('\,(.*)\)',x)[0]).astype(int)
df_cnt.loc[:,'width'] = df_cnt['maxi']- df_cnt['mini']
df_cnt.sort_values('mini',ascending = True,inplace = True)
df_cnt.reset_index(inplace = True,drop = True)

#用Rectangle把hist绘制出来

fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(111)

for i in df_cnt.index:
    rect =  plt.Rectangle((df_cnt.loc[i,'mini'],0),df_cnt.loc[i,'width'],df_cnt.loc[i,'fenzu'])
    ax1.add_patch(rect)

ax1.set_xlim(0, 100)
ax1.set_ylim(0, 16);

bar----柱状图

可以使用pyplot.bar或Rectangle矩形类绘制柱状图

pyplot.bar

matplotlib.pyplot.bar(left, height, alpha=1, width=0.8, color=, edgecolor=, label=, lw=3)

下面是一些常用的参数：

• left：x轴的位置序列，一般采用range函数产生一个序列，但是有时候可以是字符串
• height：y轴的数值序列，也就是柱形图的高度，一般就是我们需要展示的数据；
• alpha：透明度，值越小越透明
• width：为柱形图的宽度，一般这是为0.8即可；
• color或facecolor：柱形图填充的颜色；
• edgecolor：图形边缘颜色
• label：解释每个图像代表的含义，这个参数是为legend()函数做铺垫的，表示该次bar的标签

# bar绘制柱状图
y = range(1,17)
plt.bar(np.arange(16), y, alpha=0.5, width=0.5, color='yellow', edgecolor='red', label='The First Bar', lw=3);

Rectangle矩形类绘制柱状图

# Rectangle矩形类绘制柱状图
fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(111)

for i in range(1,17):
    rect =  plt.Rectangle((i+0.25,0),0.5,i)
    ax1.add_patch(rect)
ax1.set_xlim(0, 16)
ax1.set_ylim(0, 16);

3.2.2 Polygon-多边形

matplotlib.patches.Polygon类是多边形类。它的构造函数：

class matplotlib.patches.Polygon(xy, closed=True, **kwargs)

xy是一个N×2的numpy array，为多边形的顶点。
closed为True则指定多边形将起点和终点重合从而显式关闭多边形。

pyplot.fill

pyplot.fill基于xy绘制一个填充的多边形，它的定义：

matplotlib.pyplot.fill(*args, data=None, **kwargs)

参数说明 : 关于x、y和color的序列，其中color是可选的参数，每个多边形都是由其节点的x和y位置列表定义的，后面可以选择一个颜色说明符。您可以通过提供多个x、y、[颜色]组来绘制多个多边形。

# 用fill来绘制图形
x = np.linspace(0, 5 * np.pi, 1000) 
y1 = np.sin(x)
y2 = np.sin(2 * x) 
plt.fill(x, y1, color = "g", alpha = 0.3);

3.2.3 Wedge-契形

matplotlib.patches.Wedge类是楔型类。它的构造函数：

class matplotlib.patches.Wedge(center, r, theta1, theta2, width=None, **kwargs)

一个Wedge-楔型 是以坐标x,y为中心，半径为r，从θ1扫到θ2(单位是度)。
如果宽度给定，则从内半径r -宽度到外半径r画出部分楔形。wedge中比较常见的是绘制饼状图。

pyplot.pie

matplotlib.pyplot.pie(x, explode=None, labels=None, colors=None, autopct=None, pctdistance=0.6, shadow=False, labeldistance=1.1, startangle=0, radius=1, counterclock=True, wedgeprops=None, textprops=None, center=0, 0, frame=False, rotatelabels=False, *, normalize=None, data=None)

制作数据x的饼图，每个楔子的面积用x/sum(x)表示。
其中最主要的参数是前4个：

• x：楔型的形状，一维数组。
• explode：如果不是等于None，则是一个len(x)数组，它指定用于偏移每个楔形块的半径的分数。
• labels：用于指定每个楔型块的标记，取值是列表或为None。
• colors：饼图循环使用的颜色序列。如果取值为None，将使用当前活动循环中的颜色。
• startangle：饼状图开始的绘制的角度。

# pie绘制饼状图
labels = 'Frogs', 'Hogs', 'Dogs', 'Logs'
sizes = [15, 30, 45, 10] 
explode = (0, 0.1, 0, 0) 
fig1, ax1 = plt.subplots() 
ax1.pie(sizes, explode=explode, labels=labels, autopct='%1.1f%%', shadow=True, startangle=90) 
ax1.axis('equal'); # Equal aspect ratio ensures that pie is drawn as a circle. 

wedge类绘制饼图

# wedge绘制饼图
fig = plt.figure(figsize=(5,5))
ax1 = fig.add_subplot(111)
theta1 = 0
sizes = [15, 30, 45, 10] 
patches = []
patches += [
    Wedge((0.5, 0.5), .4, 0, 54),           
    Wedge((0.5, 0.5), .4, 54, 162),  
    Wedge((0.5, 0.5), .4, 162, 324),           
    Wedge((0.5, 0.5), .4, 324, 360),  
]
colors = 100 * np.random.rand(len(patches))
p = PatchCollection(patches, alpha=0.8)
p.set_array(colors)
ax1.add_collection(p);

3.3 collections

collections类是用来绘制一组对象的集合，collections有许多不同的子类，如RegularPolyCollection, CircleCollection, Pathcollection, 分别对应不同的集合子类型。

3.3.1 PathCollection与scatter方法

其中比较常用的就是散点图，它是属于PathCollection子类，scatter方法提供了该类的封装，根据x与y绘制不同大小或颜色标记的散点图。 它的构造方法：

Axes.scatter(self, x, y, s=None, c=None, marker=None, cmap=None, norm=None, vmin=None, vmax=None, alpha=None, linewidths=None, verts=, edgecolors=None, *, plotnonfinite=False, data=None, **kwargs)

其中最主要的参数是前5个：

• x：数据点x轴的位置
• y：数据点y轴的位置
• s：尺寸大小
• c：可以是单个颜色格式的字符串，也可以是一系列颜色
• marker: 标记的类型

# 用scatter绘制散点图
x = [0,2,4,6,8,10] 
y = [10]*len(x) 
s = [20*2**n for n in range(len(x))] 
plt.scatter(x,y,s=s) ;

3.4 image

images是matplotlib中绘制image图像的类

3.4.1 pyplot.imshow

pyplot.imshow可以根据数组绘制成图像。数组对应的是空间内的像素位置和像素点的值，interpolation参数可以设置不同的差值方法，具体效果如下。

methods = [None, 'none', 'nearest', 'bilinear', 'bicubic', 'spline16',
           'spline36', 'hanning', 'hamming', 'hermite', 'kaiser', 'quadric',
           'catrom', 'gaussian', 'bessel', 'mitchell', 'sinc', 'lanczos']


grid = np.random.rand(4, 4)

fig, axs = plt.subplots(nrows=3, ncols=6, figsize=(9, 6),
                        subplot_kw={'xticks': [], 'yticks': []})

for ax, interp_method in zip(axs.flat, methods):
    ax.imshow(grid, interpolation=interp_method, cmap='viridis')
    ax.set_title(str(interp_method))

plt.tight_layout();

4 Container

容器会包含一些primitives，并且容器还有它自身的属性。
比如Axes Artist，它是一种容器，它包含了很多primitives，比如Line2D，Text；同时，它也有自身的属性，比如xscal，用来控制X轴是linear还是log的。

4.1 Figure

matplotlib.figure.Figure是Artist最顶层的container对象容器，它包含了图表中的所有元素。一张图表的背景就是在Figure.patch的一个矩形Rectangle。
当我们向图表添加Figure.add_subplot()或者Figure.add_axes()元素时，这些都会被添加到Figure.axes列表中。

fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(211) # 作一幅2*1的图，选择第1个子图
ax2 = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.7, 0.3]) # 位置参数，四个数分别代表了(left,bottom,width,height)
print(ax1) 
print(fig.axes) # fig.axes 中包含了subplot和axes两个实例, 刚刚添加的

由于Figure维持了current axes，因此你不应该手动的从Figure.axes列表中添加删除元素，而是要通过Figure.add_subplot()、Figure.add_axes()来添加元素，通过Figure.delaxes()来删除元素。但是你可以迭代或者访问Figure.axes中的Axes，然后修改这个Axes的属性。

比如下面的遍历axes里的内容，并且添加网格线：

fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(211)

for ax in fig.axes:
    ax.grid(True)

Figure也有它自己的text、line、patch、image。你可以直接通过add primitive语句直接添加。但是注意Figure默认的坐标系是以像素为单位，你可能需要转换成figure坐标系：(0,0)表示左下点，(1,1)表示右上点。

Figure容器的常见属性：
Figure.patch属性：Figure的背景矩形
Figure.axes属性：一个Axes实例的列表（包括Subplot)
Figure.images属性：一个FigureImages patch列表
Figure.lines属性：一个Line2D实例的列表（很少使用）
Figure.legends属性：一个Figure Legend实例列表（不同于Axes.legends)
Figure.texts属性：一个Figure Text实例列表

4.2 Axes

matplotlib.axes.Axes是matplotlib的核心。大量的用于绘图的Artist存放在它内部，并且它有许多辅助方法来创建和添加Artist给它自己，而且它也有许多赋值方法来访问和修改这些Artist。

和Figure容器类似，Axes包含了一个patch属性，对于笛卡尔坐标系而言，它是一个Rectangle；对于极坐标而言，它是一个Circle。这个patch属性决定了绘图区域的形状、背景和边框。

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)
rect = ax.patch  # axes的patch是一个Rectangle实例
rect.set_facecolor('green')

Axes有许多方法用于绘图，如.plot()、.text()、.hist()、.imshow()等方法用于创建大多数常见的primitive(如Line2D，Rectangle，Text，Image等等）。在primitives中已经涉及，不再赘述。

Subplot就是一个特殊的Axes，其实例是位于网格中某个区域的Subplot实例。其实你也可以在任意区域创建Axes，通过Figure.add_axes([left,bottom,width,height])来创建一个任意区域的Axes，其中left,bottom,width,height都是[0—1]之间的浮点数，他们代表了相对于Figure的坐标。

你不应该直接通过Axes.lines和Axes.patches列表来添加图表。因为当创建或添加一个对象到图表中时，Axes会做许多自动化的工作:
它会设置Artist中figure和axes的属性，同时默认Axes的转换；
它也会检视Artist中的数据，来更新数据结构，这样数据范围和呈现方式可以根据作图范围自动调整。

你也可以使用Axes的辅助方法.add_line()和.add_patch()方法来直接添加。

另外Axes还包含两个最重要的Artist container：

ax.xaxis：XAxis对象的实例，用于处理x轴tick以及label的绘制
ax.yaxis：YAxis对象的实例，用于处理y轴tick以及label的绘制
会在下面章节详细说明。

Axes容器的常见属性有：
artists: Artist实例列表
patch: Axes所在的矩形实例
collections: Collection实例
images: Axes图像
legends: Legend 实例
lines: Line2D 实例
patches: Patch 实例
texts: Text 实例
xaxis: matplotlib.axis.XAxis 实例
yaxis: matplotlib.axis.YAxis 实例

4.3 Axis

matplotlib.axis.Axis实例处理tick line、grid line、tick label以及axis label的绘制，它包括坐标轴上的刻度线、刻度label、坐标网格、坐标轴标题。通常你可以独立的配置y轴的左边刻度以及右边的刻度，也可以独立地配置x轴的上边刻度以及下边的刻度。

刻度包括主刻度和次刻度，它们都是Tick刻度对象。

Axis也存储了用于自适应，平移以及缩放的data_interval和view_interval。它还有Locator实例和Formatter实例用于控制刻度线的位置以及刻度label。

每个Axis都有一个label属性，也有主刻度列表和次刻度列表。这些ticks是axis.XTick和axis.YTick实例，它们包含着line primitive以及text primitive用来渲染刻度线以及刻度文本。

刻度是动态创建的，只有在需要创建的时候才创建（比如缩放的时候）。Axis也提供了一些辅助方法来获取刻度文本、刻度线位置等等：
常见的如下：

# 不用print，直接显示结果
from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity = "all"

fig, ax = plt.subplots()
x = range(0,5)
y = [2,5,7,8,10]
plt.plot(x, y, '-')

axis = ax.xaxis # axis为X轴对象
axis.get_ticklocs()     # 获取刻度线位置
axis.get_ticklabels()   # 获取刻度label列表(一个Text实例的列表）。 可以通过minor=True|False关键字参数控制输出minor还是major的tick label。
axis.get_ticklines()    # 获取刻度线列表(一个Line2D实例的列表）。 可以通过minor=True|False关键字参数控制输出minor还是major的tick line。
axis.get_data_interval()# 获取轴刻度间隔
axis.get_view_interval()# 获取轴视角（位置）的间隔

​

下面的例子展示了如何调整一些轴和刻度的属性(忽略美观度，仅作调整参考)：

fig = plt.figure() # 创建一个新图表
rect = fig.patch   # 矩形实例并将其设为黄色
rect.set_facecolor('lightgoldenrodyellow')

ax1 = fig.add_axes([0.1, 0.3, 0.4, 0.4]) # 创一个axes对象，从(0.1,0.3)的位置开始，宽和高都为0.4，
rect = ax1.patch   # ax1的矩形设为灰色
rect.set_facecolor('lightslategray')


for label in ax1.xaxis.get_ticklabels(): 
    # 调用x轴刻度标签实例，是一个text实例
    label.set_color('red') # 颜色
    label.set_rotation(45) # 旋转角度
    label.set_fontsize(16) # 字体大小

for line in ax1.yaxis.get_ticklines():
    # 调用y轴刻度线条实例, 是一个Line2D实例
    line.set_markeredgecolor('green')    # 颜色
    line.set_markersize(25)    # marker大小
    line.set_markeredgewidth(2)# marker粗细

4.4 Tick

matplotlib.axis.Tick是从Figure到Axes到Axis到Tick中最末端的容器对象。
Tick包含了tick、grid line实例以及对应的label。

所有的这些都可以通过Tick的属性获取，常见的tick属性有
Tick.tick1line：Line2D实例
Tick.tick2line：Line2D实例
Tick.gridline：Line2D实例
Tick.label1：Text实例
Tick.label2：Text实例

y轴分为左右两个，因此tick1对应左侧的轴；tick2对应右侧的轴。
x轴分为上下两个，因此tick1对应下侧的轴；tick2对应上侧的轴。

下面的例子展示了，如何将Y轴右边轴设为主轴，并将标签设置为美元符号且为绿色：

fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(100*np.random.rand(20))

# 设置ticker的显示格式
formatter = matplotlib.ticker.FormatStrFormatter('$%1.2f')
ax.yaxis.set_major_formatter(formatter)

# 设置ticker的参数，右侧为主轴，颜色为绿色
ax.yaxis.set_tick_params(which='major', labelcolor='green',
                         labelleft=False, labelright=True);