Python matplotlib高级绘图详解

Pyplot绘图结构
Aritists
matplotlib API包含有三层：

backend_bases.FigureCanvas : 图表的绘制领域
backend_bases.Renderer : 知道如何在FigureCanvas上如何绘图
artist.Artist : 知道如何使用Renderer在FigureCanvas上绘图
FigureCanvas和Renderer需要处理底层的绘图操作，例如使用wxPython在界面上绘图，或者使用PostScript绘制PDF。Artist则处理所有的高层结构，例如处理图表、文字和曲线等的绘制和布局。通常我们只和Artist打交道，而不需要关心底层的绘制细节。

Artists分为简单类型和容器类型两种。简单类型的Artists为标准的绘图元件，例如Line2D、 Rectangle、 Text、AxesImage 等等。而容器类型则可以包含许多简单类型的Artists，使它们组织成一个整体，例如Axis、 Axes、Figure等。

Figure
Figure代表一个绘制面板，其中可以包涵多个Axes（即多个图表）。

fig = plt.figure()  # an empty figure with no axes
ax = fig.add_axes([0.15, 0.1, 0.7, 0.3])#或者采用一下方式
fig, ax_lst = plt.subplots(2, 2)  # a figure with a 2x2 grid of Axes

Axes
Axes表示一个图表
一个Axes包涵：titlek, xaxis, yaxis

Axis
坐标轴

Artist的属性
下面是Artist对象都具有的一些属性：
alpha : 透明度，值在0到1之间，0为完全透明，1为完全不透明
animated : 布尔值，在绘制动画效果时使用
axes : 此Artist对象所在的Axes对象，可能为None
clip_box : 对象的裁剪框
clip_on : 是否裁剪
clip_path : 裁剪的路径
contains : 判断指定点是否在对象上的函数
figure : 所在的Figure对象，可能为None
label : 文本标签
picker : 控制Artist对象选取
transform : 控制偏移旋转
visible : 是否可见
zorder : 控制绘图顺序

Artist对象的所有属性都通过相应的 get_* 和 set_* 函数进行读写

fig.set_alpha(0.5*fig.get_alpha())

如果你想用一条语句设置多个属性的话，可以使用set函数：

fig.set(alpha=0.5, zorder=2)

使用 matplotlib.pyplot.getp 函数可以方便地输出Artist对象的所有属性名和值。

>>> plt.getp(fig.patch)aa = Truealpha = 1.0animated = Falseantialiased or aa = True

Figure
如前所述，Figure是最大的一个Aritist，它包括整幅图像的所有元素，背景是一个Rectangle对象，用Figure.patch属性表示。
通过调用add_subplot或者add_axes方法往图表中添加Axes(子图)。
PS：这两个方法返回值类型不同

>>> fig = plt.figure()
>>> ax1 = fig.add_subplot(211)
>>> ax2 = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.7, 0.3])
>>> ax1
<matplotlib.axes.AxesSubplot object at 0x056BCA90>
>>> ax2
<matplotlib.axes.Axes object at 0x056BC910>
>>> fig.axes
[<matplotlib.axes.AxesSubplot object at 0x056BCA90>,
<matplotlib.axes.Axes object at 0x056BC910>]

为了支持pylab中的gca()等函数，Figure对象内部保存有当前轴的信息，因此不建议直接对Figure.axes属性进行列表操作，而应该使用add_subplot, add_axes, delaxes等方法进行添加和删除操作。

fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_axes([0.1, 0.45, 0.8, 0.5])
ax2 = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.8, 0.2])
plt.show()

Figure对象可以拥有自己的文字、线条以及图像等简单类型的Artist。缺省的坐标系统为像素点，但是可以通过设置Artist对象的transform属性修改坐标系的转换方式。最常用的Figure对象的坐标系是以左下角为坐标原点(0,0)，右上角为坐标(1,1)。下面的程序创建并添加两条直线到fig中：

>>> from matplotlib.lines import Line2D
>>> fig = plt.figure()
>>> line1 = Line2D([0,1],[0,1], transform=fig.transFigure, figure=fig, color="r")
>>> line2 = Line2D([0,1],[1,0], transform=fig.transFigure, figure=fig, color="g")
>>> fig.lines.extend([line1, line2])
>>> fig.show()

在Figure对象中手工绘制直线

注意为了让所创建的Line2D对象使用fig的坐标，我们将fig.TransFigure赋给Line2D对象的transform属性；为了让Line2D对象知道它是在fig对象中，我们还设置其figure属性为fig；最后还需要将创建的两个Line2D对象添加到fig.lines属性中去。

Figure对象有如下属性包含其它的Artist对象：

axes : Axes对象列表
patch : 作为背景的Rectangle对象
images : FigureImage对象列表，用来显示图片
legends : Legend对象列表
lines : Line2D对象列表
patches : patch对象列表
texts : Text对象列表，用来显示文字

Axes
Axes容器是整个matplotlib库的核心，它包含了组成图表的众多Artist对象，并且有许多方法函数帮助我们创建、修改这些对象。和Figure一样，它有一个patch属性作为背景，
当它是笛卡尔坐标时，patch属性是一个Rectangle对象；
当它是极坐标时，patch属性则是Circle对象。

当你调用Axes的绘图方法（例如plot），它将创建一组Line2D对象，并将所有的关键字参数传递给这些Line2D对象，并将它们添加进Axes.lines属性中，最后返回所创建的Line2D对象列表：

x1 = np.linspace(0.0, 5.0)
x2 = np.linspace(0.0, 3.0)y1 = np.cos(2 * np.pi * x1) * np.exp(-x1)
y2 = np.cos(2 * np.pi * x2)ax1.patch.set_facecolor("green")
ax1.grid(True)
line1 = ax1.plot(x1, y1, 'yo-', label="Test1")
print type(line1)
print line1line2 = ax2.plot(x2, y2, 'r.-', label='Test2')-----
<type 'list'>
[<matplotlib.lines.Line2D object at 0x7fa3ac96e8d0>]

注意:
plot返回的是一个Line2D对象的列表，因为我们可以传递多组X,Y轴的数据，一次绘制多条曲线。

与plot方法类似，绘制直方图的方法bar和绘制柱状统计图的方法hist将创建一个Patch对象的列表，每个元素实际上都是Patch的子类Rectangle，并且将所创建的Patch对象都添加进Axes.patches属性中：

>>> ax = fig.add_subplot(111)
>>> n, bins, rects = ax.hist(np.random.randn(1000), 50, facecolor="blue")
>>> rects
<a list of 50 Patch objects>
>>> rects[0]
<matplotlib.patches.Rectangle object at 0x05BC2350>
>>> ax.patches[0]
<matplotlib.patches.Rectangle object at 0x05BC2350>

一般我们不会直接对Axes.lines或者Axes.patches属性进行操作，而是调用add_line或者add_patch等方法，这些方法帮助我们完成许多属性设置工作：

   >>> fig = plt.figure()>>> ax = fig.add_subplot(111)>>> rect = matplotlib.patches.Rectangle((1,1), width=5, height=12)>>> print rect.get_axes() # rect的axes属性为空None>>> rect.get_transform() # rect的transform属性为缺省值BboxTransformTo(Bbox(array([[  1.,   1.],[  6.,  13.]])))>>> ax.add_patch(rect) # 将rect添加进ax<matplotlib.patches.Rectangle object at 0x05C34E50>>>> rect.get_axes() # 于是rect的axes属性就是ax<matplotlib.axes.AxesSubplot object at 0x05C09CB0>>>> # rect的transform属性和ax的transData相同>>> rect.get_transform()... # 太长，省略>>> ax.transData... # 太长，省略>>> ax.get_xlim() # ax的X轴范围为0到1，无法显示完整的rect(0.0, 1.0)>>> ax.dataLim._get_bounds() # 数据的范围和rect的大小一致(1.0, 1.0, 5.0, 12.0)>>> ax.autoscale_view() # 自动调整坐标轴范围>>> ax.get_xlim() # 于是X轴可以完整显示rect(1.0, 6.0)>>> plt.show()

通过上面的例子我们可以看出，add_patch方法帮助我们设置了rect的axes和transform属性。

下面详细列出Axes包含各种Artist对象的属性：

artists : Artist对象列表
patch : 作为Axes背景的Patch对象，可以是Rectangle或者Circle
collections : Collection对象列表
images : AxesImage对象列表
legends : Legend对象列表
lines : Line2D对象列表
patches : Patch对象列表
texts : Text对象列表
xaxis : XAxis对象
yaxis : YAxis对象

下面列出Axes的创建Artist对象的方法：

6. Axis
Axis容器包括坐标轴上的刻度线、刻度文本、坐标网格以及坐标轴标题等内容。刻度包括主刻度和副刻度，分别通过Axis.get_major_ticks和Axis.get_minor_ticks方法获得。每个刻度线都是一个XTick或者YTick对象，它包括实际的刻度线和刻度文本。为了方便访问刻度线和文本，Axis对象提供了get_ticklabels和get_ticklines方法分别直接获得刻度线和刻度文本

>>> axis.get_ticklocs() # 获得刻度的位置列表
array([ 1. ,  1.5,  2. ,  2.5,  3. ])>>> axis.get_ticklabels() # 获得刻度标签列表
<a list of 5 Text major ticklabel objects>
>>> [x.get_text() for x in axis.get_ticklabels()] # 获得刻度的文本字符串
[u'1.0', u'1.5', u'2.0', u'2.5', u'3.0']>>> axis.get_ticklines() # 获得主刻度线列表，图的上下刻度线共10条
<a list of 10 Line2D ticklines objects>>>> axis.get_ticklines(minor=True) # 获得副刻度线列表
<a list of 0 Line2D ticklines objects>

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