R语言学习笔记——入门篇：第三章-图形初阶

R语言

R语言学习笔记——入门篇：第三章-图形初阶

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一、使用图形

1.1、基础绘图函数：plot( ）

• R中是一种交互式绘图风格
• plot( )：最基础的图形绘制函数，其属于graphics包，会根据不同的数据类型形成不同的图形。
• 语法

plot(a,b,type="value")

• 参数
  • type：以什么样的形式来画a，b之间的关系：
    • “p”：点；
    • “l” ：线；
    • “c”：仅有线，但不连续，在本应画点的地方断开了；
    • “b”：即有点又有线，点与线不相交；
    • “o”：即有点又有线，点与线相交，（overplot）；
    • “h”：抽象成高密度的直方图；
    • “n”：图上没有任何的点，即空图，no plotting.
• 其它格式

格式	注释
plot(x)	以x值为纵坐标，序号为横坐标绘图
plot(x,y)	以x值为横坐标，y值为纵坐标绘制散点图
plot(f)	f是一个因子对象，产生f的直方图
plot(f,y)	f是一个因子对象，y是数值向量，产生y在f各个水平下的箱线图
plot(data.frame)	产生数据框中各变量的分布图
plot(~x1+x2+x3)	对于形如x1+x2+x3的表列，产生各对象的分布图
plot(y~x1+x2+x3)	y可以是任何对象，分别产生y对于x1,x2,x3各对象的图

• 保存格式：

函数	功能
bmp(“filename.bmp”)	BMP文件
jpeg(“filename.jpg”)	JPEG文件
pdf(“filename.pdf”)	PDF文件
png(“filename.png”)	PNG文件
postscript(“filename.ps”)	PostScript文件
svg(“filename.svg”)	SVG文件
win.metafile(“filename.wmf”)	Windows图元文件

• 示例

pdf("mygraph.pdf") # 在当前工作目录下创建一个mygraph.pdf的文件
attach(x) # 绑定数据框x
plot(a,b) # 绘图
abline(lm(a~b)) # 向图形添加一条最优拟合曲线
title("This is a title") # 添加标题
detach(x) # 退出绑定
dev.off # 关闭图形页面（只有关掉后才能保存图形）

1.2、图形控制函数：dev( ）

• 一般在创建新图形时会覆盖掉之前的图片，下面有三种方法可以同时查看多个图片。

  • 方法一：利用 dev.new( ) 函数创建一个新的图形窗口
  • 方法二：利用 previous plot 和 next plot 按钮来查看已经绘制好的图形
  • 方法三：利用函数dev.new( ), dev.next( ), dev.prev( ), dev.set( )和dev.off( )同时打开多个图形窗口，并选择将那个图片输出到那个窗口。

• dev( )：这一类函数可以在多个图形设备之间提供控制功能

• 概念说明：

  • 活跃设备：当前正在操作的设备，同一时间只可能有一个活跃设备；
  • 空设备(null device)：总是打开的，起着占位作用，编号始终是1；
  • 设备可以有各自的名字，同时有编号，从1到63；

• dev相关类函数

  • dev.list()：返回打开的设备的名单列表，但不包含空设备；
  • dev.off()：关闭指定的设备（缺省情况下为当前设备）；
    • 当前设备被关闭后，若还有打开的设备，则紧接着的下一个打开的设备变为当前设备；
    • 返回新打开的活跃设备的名字和编号。
    • 注意：设备1是不能被关闭的，即对设备1进行关闭操作是错误的；
  • graphics.off()：关闭所有打开的设备；
  • dev.set()： 指定一个特定的设备为活跃设备，但若没有那个指定的设备，等同于dev.next();若指定设备的值为1，则打开一个新的设备，并且指定那个设备为活跃设备。
    • 返回新设备的名字和编号。
  • dev.new()：打开一个新的设备。R中经常根据需要自动的打开新的设备，但也能使用跨平台的方式打开更多的设备；
    • 返回新设备的名字和编号。
  • dev.cur()：查看当前的活跃设备；返回包含当前活跃设备的名字和编号的向量；如果是返回值是1,空设备，即没有活跃设备。
  • dev.next()：查看紧随当前活跃进程的下一个进程；返回其名字和编号。
  • dev.prev()：查看当前活跃进程的前一个进程；返回其名字和编号。

补充——直方图函数：hist( )

• hist( )：直方图通过在x轴上建立一定数量的组别，在y轴上显示对应组别的频数来展示数值向量的分布。
• 语法

hist(x, ...)

• 参数

参数	参数说明
breaks	设置每个柱形的间距，即柱宽，实际上就是x轴的等分数，所以breaks越大，柱形宽度越小
freq	若为FALSE，表示y轴(柱形高度)为密度而不是频率
probability	若为FALSE,表示y轴是频率而不是频数
xlim	设置横轴范围
ylim	设置纵轴范围
axes	是否需要画坐标轴
plot	是否需要画图
nclass	改变分类数
density和angle	设置柱形上的斜线密度和角度
border	设置柱形边界的颜色

补充——低级绘图函数：用来修饰图形

函数	功能
points( )	添加点
lines( )	添加线
segments( )	添加线段
abline( )	添加直线
arrows( )	添加带箭头线段
polygon( )	添加封闭多边形
text( )	添加文字

二、示例

Sys.setenv(LANGUAGE = "en")
options(stringsAsFactors = F)
rm(list = ls())
setwd("C:/Users/16748/Desktop")

dose <- c(20,30,40,45,60)
drugA <- c(16,20,27,40,60)
drugB <- c(15,18,25,31,40)

a <- plot(dose,drugA,type = "b")

• 结果：
  

三、利用par（）函数与图形参数美化图形

• R会尽可能的美化图形，但用户仍然可以使用图形参数来调整。
• 方法一：通过par( )函数修改
  • 示例

opar <- par(no.readonly = T) # 备份了当前的图形参数设置
#不加参数no.readonly = T执行par( )将生成一个含有当前参数的列表，但是为只读格式，不能修改
par(lty = 2,pch = 17) # 修改为虚线（lty = 2）实心三角（pch = 17）
a <- plot(dose,drugA,type = "b")
# 绘制图形
par(opar)#还原原始设置

结果：

• 方法二：通过参数值修改
  • 直接在plot时添加参数选项，这种情况下，指定的选项只对这幅图片生效
  • 示例

plot(dose,drugA,type = "b",main = "药物A剂量与响应的折线图",xlab = "剂量",ylab = "响应",lty = 2,pch = 17)

3.1、符号与线条

参数	功能
pch	指定绘制点时使用的符号（具体见下图）
cex	指定符号大小，默认值为1，2表示放大为默认值的两倍
lty	指定线条按类型
lwd	指定线条宽度，默认为1，lwd=2将生成2倍于默认值的线条（具体见下图）

3.2、颜色

• 调节颜色

参数	参数说明
col	默认的绘图颜色。某些函数(如line和pie)可以接受一个含有颜色值的向量并自动循环使用，例如col=c(“red”,“blue”),且需要绘制三条线，前两条分别为红，蓝，第三条会循环，变为红色
col.axis	坐标轴刻度文字的颜色
col.lab	坐标轴标签(名称)的颜色
col.main	标题颜色
col.sub	副标题颜色
fg	图形的前景色
bg	图形的背景色

• 调节颜色：可以通过颜色下标，颜色名称，十六进制颜色，RGB值（红-绿-蓝）或HSV值（色相-饱和度-亮度值）来指定颜色
  • 例如：col=1, col=“white”, col=“#FFFFFF”, col=rgb(1,1,1)和col=hsv(0,0,1)都是表示白色
• 查看颜色：colors( ) 函数，查看所有可用颜色及其编号
• 创建颜色型向量：rainbow( ), heat.colors( ), terrain.colors( ), topo.colors( )和 cm.colors( ) 函数。
  • 例如 rainbow(10) 就可以产生10种连续的颜色。
  • 示例：brewer.pal(n,name)

install.packages("RColorBrewer")
library(RColorBrewer)
n <- 7
m <- 1
c <- brewer.pal(n,"Set1")
barplot(rep(m,n),col = c)
# rep(列值，行值)，值不够会循环

brewer.pal.info #查颜色-列表
display.brewer.all() #查颜色-图例

• 多阶灰度色：grary(n：m)函数，元素值为0-1
  • 示例

mycolors <- rainbow(m)
pie(rep(1,m),labels = mycolors,col = mycolors)
mygrays <- gray(0:m/m)
pie(rep(1,m),labels = mygrays,col = mygrays)

3.3、文本属性

• 字号，字形，字样都可以用图形参数来调整
• 调节文本大小

参数	描述
cex	表示相对于默认大小缩放倍数的数值。默认大小为1，1.5 表示放大为默认值的1.5 倍，0.5 表示缩小为默认值的50%，等等
cex.axis	坐标轴刻度文字的缩放倍数。类似于cex
cex.lab	坐标轴标签（名称）的缩放倍数。类似于cex
cex.main	标题的缩放倍数。类似于cex
cex.sub	副标题的缩放倍数。类似于cex

• 调节字体格式

参数	描述
font	整数。用于指定绘图使用的字体样式。1=常规，2=粗体，3=斜体，4=粗斜体，5=符号字体（以Adobe符号编码表示）
font.axis	坐标轴刻度文字的字体样式
font.lab	坐标轴标签（名称）的字体样式
font.main	标题的字体样式
font.sub	副标题的字体样式
ps	字体磅值（1 磅约为1/72 英寸）。文本的最终大小为ps*cex
family	绘制文本时使用的字体族。标准的取值为serif（衬线）、sans（无衬线）和mono（等宽）

• 字体族（格式）介绍与扩展：Windows系统中,等宽字体映射为TT Courier New，衬线字体映射为TT Times New Roman，无衬线字体则映射为TT Arial(TT代表True Type)。
  • 如果对这些映射满意，就可以使用类似于family="serif"这样的参数获得想要的结果。
  • 或者直接创建新的映射。在Windows中，可以通过windowFont()来创建这类映射（在Mac，用quartzFonts( )）。
  • 示例

windowsFonts(
  A=windowsFont("Arial Black"),
  B=windowsFont("Bookamn Old Style"),
  C=windowsFont("Comic Sans Ms")
)
#在执行上述语句之后，即可以使用A、B、C作为family的值
par(family="A") #制定绘图字体

• 输出时调整字体族：如果以PDF或者PostScript格式输出图形，修改字体族会相对简单。
  • PDF
    • 查找可用字体：names(pdfFonts())
    • 生成图形：pdf(file=“myplot.pdf”,family=“fontname”)
  • PostScript
    • 查找可用字体：names(postscriptFonts())
    • 生成图形：pdf(file=“myplot.ps”,family=“fontname”)

3.4、图形与边界尺寸

• 控制图形尺寸和边界大小的参数

参数	描述
pin	以英寸表示的图形尺寸(宽和高)，如c(4,3)
mai	以数值向量表示的边界的大小，顺序为"下、左、上、右"，单位是英寸
mar	以数值向量表示的边界的大小，顺序为"下、左、上、右"，单位是英分。默认值是从c(5,4,4,2)+0.1

• 注：一英分=1/12英寸=0.21cm
• 示例

par(pin=c(4,3),mai=c(1,.5,1,.2))
# 生成一副4英寸宽，3英寸高，上下边界各1英寸，左边界为0.5英寸，右边界为0.2英寸

四、添加标题，自定义坐标轴和图例

• 许多高级的绘图函数（plot，hist，boxplot等）都允许有设置坐标轴和文本标注的参数选项。
• 参数选项：
  • 标题：main
  • 副标题：sub
  • 坐标轴标签：xlab，ylab
  • 坐标轴范围：xlim，ylim，如xlim=c(0,60)
• 示例：

plot(dose,drugA,type = "b",col = "red",
     lty = 2,pch = 2,lwd = 2,cex = .5,
     main = "Clinical Trials for Drug A",
     sub = "This is hypothetical data",
     xlab = "Dosage",ylab = "Drug Response",
     xlim = c(0,60),ylim = c(0,70))

• 结果：
  
• 注1：不是所有函数都有这类选项
• 注2：有些函数已经包含了默认的标题和标签，需要在plot( )或者par( )中添加ann=FALSE来移除它们。

4.1、标题

• 函数：title( )
• 参数：plot中适用于标题，坐标轴的参数类似添加文本，修改文本格式，修改大小颜色等都可以添加在title( )函数中

4.2、坐标轴

• 函数：axis( )
• 参数：

参数	描述
side	一个整数，指定在图形的哪边绘制坐标轴(1=下，2=左，3=上，4=右)
at	一个数值型向量，表明刻度线绘制的位置
labels	一个字符型向量，表明置于刻度线旁边的标签(如果为NULL,则将直接使用at中的值)
tick	一个逻辑值，表示是否画出坐标轴线和刻度线，默认为TRUE
line	坐标轴距离边距的行数(用于改变所画的图和坐标轴之间的间隔)，line=NA表示没有间隔
pos	坐标轴线绘制位置的坐标(即与另一条坐标轴相交位置的值)
outer	一个逻辑值，设置坐标轴是否画在外部边距中，outer=FALSE表示把坐标轴画在标准边距中
font	文本的字体样式
lty	坐标轴线和刻度线的类型
lwd	坐标轴的线宽
lwd.ticks	刻度线的线宽
tck	刻度线的长度，以相对于绘图区域大小的分数表示(负值表示在图形外侧，正值表示在图形内侧，0表示禁用刻度，1表示绘制网格线)；默认值为-0.01
col	坐标轴的颜色
col.ticks	刻度线的颜色
las	坐标刻度标签的方向。0表示总是平行于坐标轴，1表示总是水平的，2表示总是垂直于坐标轴

• 注：在自定义坐标轴时，应当禁用高级绘图函数自动生成的坐标轴。参数axes=FALSE将禁用全部坐标轴(包括坐标轴框架线，除非添加了frame.plot=TRUE).参数xaxt=“n” 和 yaxt=“n” 将分别禁用X轴或Y轴(会留下框架线，只是去除了刻度)。
• 示例：

x <- c(1:10)
y <- x
plot(x,y,type="b",pch=21,col="red",yaxt="n",lty=3,ann=FALSE) # 绘制x对y的图形
axis(2,at=y,labels=round(y,digits = 2),col.axis="blue",las=2,cex.lab=1,cex.axis=0.7,tck=-0.01) # 绘制y轴，左侧绘制，在1-10上标记刻度线和数值，颜色设置为蓝色大小为0.7，y轴垂直于坐标轴，刻度线为向外0.01大小

• 结果：
  

4.3、参考线

• 函数：abline( )
• 语法：

abline(a = NULL, b = NULL, h = NULL, v = NULL, ...)
# a、 b，截距和斜率，单个值。
# h、v，水平线y值，垂直线x值
# 也可以添加常见的图形参数

• 示例：

abline(h = c(1,5,7),lty = 2,col = "blue")
# 在y轴1，5，7位置添加了蓝色的水平虚线
abline(v = seq(1,10,2),lty = 1,col = "green")
# 在x轴1-10每个2个数值的位置添加了垂直的绿色实线

• 结果
  

4.4、图例

• 函数：legend( )
• 语法：

legend(location, title, legend)

参数	描述
location	有许多方式可以指定图例的位置。1.可以直接给定图例左上角的x,y坐标（直接看坐标轴确认）， 2.也可将此参数设置为locator(1),然后通过鼠标单击给出图例的位置， 3.还可以使用关键字"bottom"、“bottomleft”、“left”、 “topleft”、“top”、“topright”、“right”、 "bottomright"或"center"放置图例，如果使用了上述某个关键字，那么可以同时使用参数inset=指定图例向图形内侧移动的大小(以绘图区域大小的分数表示)
title	图例标题的字符串(可选)
legend	图例标签所组成的字符型向量
fill	颜色值组成的向量，为图例创建颜色填充的盒形，(常见于条形图、箱线图或饼图)
col	颜色值组成的向量，图例标示的是颜色不同的线条
pch	符号代码组成的向量，用于图例标示的是符号不同的点
lwd、lty	宽度值或类型值组成的向量，用于图例标示的是不同的线条宽度或线条类型
angle	阴影线的角度
density	阴影线的密度
bty	图例边框的类型
bg	图例边框的背景色
cex	指定大小
text.col	指定文本颜色
horizen=TRUE	水平放置图例
box.lwd	边框线的宽度
box.lty	边框线的类型
box.col	边框线的颜色

• 示例：

Sys.setenv(LANGUAGE = "en")
options(stringsAsFactors = F)
rm(list = ls())
setwd("C:/Users/16748/Desktop")

dose <- c(20,30,40,45,60)
drugA <- c(16,20,27,40,60)
drugB <- c(15,18,25,31,40)
x <- data.frame(dose,drugA)
opar <- par(no.readonly = TRUE)
png("1.png",width = 480,height = 480)
par(lwd=2,cex=1.5,font.lab=2)
plot(dose,drugA,type="b",pch=15,lty=1,col='red',ylim = c(0,60),
     main="Drug A vs. Drug B",
     xlab="Drug Dosage",ylab="Drug Response")
lines(dose,drugB,type="b",pch=17,lty=2,col="blue")
abline(h=c(30),lwd=1.5,lty=2,col="gray")
library(Hmisc)
minor.tick(nx=3,ny=3,tick.ratio = 0.5)
 legend(20,60,title="Drug Type",c("A","B"),
       lty=c(1,2),pch=c(15,17),col=c("red","blue"))
 text(dose,drugA,row.names(x),cex=0.9,pos=4,offset = .3,col="red")
dev.off()

• 结果：
  

4.5、文本标注

• 函数：text( ), mtext( )
  • text( ): 向绘图区域内部添加文本
  • mtext( ): 向图形的四个边界之一添加文本
• 语法：

text(location,"text to place",pos,...)
mtext("text to place",side,line=n,...)

选项	描述
location	文本的位置参数。可为一对x,y坐标，也可通过指定location为locator(1)使用鼠标交互式地确定摆放位置
pos	文本相对于参数位置的方位。1=下，2=左，3=上，4=右。如果指定了pos，就可以同时指定offset=作为偏移量，以相对于单个字符宽度的比例表示。
side	指定用来放置文本的边。1=下，2=左，3=上，4=右。可以指定参数line=来内移或外移文本，随着值的增加，文本将外移。也可用adj=0将文本向左下对齐，或使用adj=1右上对齐
cex	调整字号
col	调整颜色
font	调整字体样式

• 示例

x <- data.frame(dose,drugA)
text(dose,drugA,row.names(x),cex=0.9,pos=4,offset = .3,col="red")

• 标记图形中的点：text()函数也通常用来标示图形中的点

  • 1、指定一系列x、y作为位置参数
  • 2、以向量形式指定要放置的文本。
  • 注意：x、y和文本标签向量的长度应当相同。

• 获取点的坐标值：locator( )函数

  • 语法：

locator(n,type,...)
# n表示定位点的个数，每单击一次，将获得一个点的位置
# type表示在选择的点绘制指定的图形，默认不绘制

4.6、数学标注

• 函数: plotmath( )
  • 可以为图形主体或边界上的标题、坐标轴名称或文本标注添加数学符号。

补充——次要刻度线

• 函数：minor.tick( )，Hmisc包
• 语法：

minor.tick(nx=n,ny=n,tick.ratio=n)
# nx和ny分别指定了X轴和Y轴每两条主刻度线之间通过次要刻度线划分得到的区间个数。
# tick.ratio表示次要刻度线相对于主刻度线的大小比例，当前主刻度线长度可以使用par("tck")获取

• 示例：

minor.tick(nx=2,ny=3,tick.ratio=0.5)
# 实现在X轴上每两条刻度线之间添加1条次要刻度线，在Y轴的每两条主刻度线之间添加2条次要刻度线，次要刻度线是主刻度线的一半。

补充——网格线

• 函数：grid( )
• 语法：

grid(nx=number1, ny=number2)
# nx水平线的数量
# ny垂直线的数量

• 示例：

grid(nx=5,ny=5,col="grey",lty=2,lwd=2)

五、图形的组合

• 将一副图片的空间按行（列）划分为多个窗格，将多幅图片拼接起来
• 拼接方法：par( )函数, layout( )函数

5.1、par( )函数

• 图形参数：mfrow，mfcol

mfrow=c(nrows,ncols)
# 创建按行填充、行数为nrows、列数为ncols的图形矩阵
mfcol=c(nrows,ncols)
# 按列填充矩阵

• 示例：

Sys.setenv(LANGUAGE = "en")
options(stringsAsFactors = F)
rm(list = ls())
setwd("C:/Users/16748/Desktop")

png("1.png",width = 480,height = 480)
opar <- par(no.readonly = TRUE)
par(mfrow=c(2,2))
dose <- c(20,30,40,45,60)
drugA <- c(16,20,27,40,60)
drugB <- c(15,18,25,31,40)

plot(dose,drugA,type = "b",main = "药物A剂量与响应的折线图",xlab = "剂量",ylab = "响应")
plot(dose,drugB,type = "b",main = "药物B剂量与响应的折线图",xlab = "剂量",ylab = "响应")

hist(dose,main="Histogram of dose")
boxplot(dose,main="Boxplot of dose")
par(opar)
dev.off()

• 结果：
  

5.2、layout( )函数

• 图形参数：创建一个矩形matrix( ) 来划分区间，widths,heights参数来调整区间大小。

layout(matrix(vector, nrow = number_of_rows, ncol = number_of_columns , byrow = TRUE/FALSE, dimnames = list(rownames,colnames)),widths=c( ),heights=c( ))
# vector:数组中的数据，数据
# nrow行的维数
# ncol列的维数
# byrow表明矩阵按行填充（TURE）或按列填充（FALSE）
# dimnames:可选，各维度名称标签，各维度名称

# widths=各列宽值组成的一个向量
# heights=各行高度值组成的一个向量

• 示例：

Sys.setenv(LANGUAGE = "en")
options(stringsAsFactors = F)
rm(list = ls())
setwd("C:/Users/16748/Desktop")

png("1.png",width = 480,height = 480)
layout(matrix(c(1,1,2,3),2,2,byrow = TRUE),widths = c(3,1),heights = c(1,2))
dose <- c(20,30,40,45,60)
drugA <- c(16,20,27,40,60)
drugB <- c(15,18,25,31,40)
hist(dose)
hist(drugA)
hist(drugB)
dev.off()
#第一行图形是第二行图形高度的1/2,第一列图形的宽度是第二列图形宽度的2倍

• 结果：
  

5.3、图形布局的精细控制

• 图形参数：fig( )
• 原理：
  fig( )会创建一个完整的绘图空间（所以要确保添加new=TRUE参数），左下角为(0,0)，右上角为(1,1)，fig( )形如一个c（x1,x2,y1,y2）的数值向量
  
• 示例：

Sys.setenv(LANGUAGE = "en")
options(stringsAsFactors = F)
rm(list = ls())
setwd("C:/Users/16748/Desktop")

png("1.png",width = 480,height = 480)
opar <- par(no.readonly = TRUE)
dose <- c(20,30,40,45,60)
drugA <- c(16,20,27,40,60)
drugB <- c(15,18,25,31,40)
par(fig = c(0,0.8,0,0.8))
plot(dose,drugA,type = "b",main = "药物A剂量与响应的折线图",xlab = "剂量",ylab = "响应")
par(fig = c(0,0.8,0.55,1),new = T)
boxplot(drugA,horizontal = T,axes = F)
par(fig = c(0.65,1,0,0.8),new = T)
boxplot(drugB,horizontal = T,axes = F)

mtext("Enhanced Scatterplot",side=3,outer=T,line=-3)
# 用oma指定四个外边空的行数。
# 用mtext加outer=T指定在外边空添加文本。
# 如果没有outer=T则在内边空添加文本。
par(opar)
dev.off()

• 结果：