linux中使用gnuplot使您的数据可视化

基础

通过在 shell 命令提示符中输入 gnuplot 启动 gnuplot。您首先看到提示符号 >。该提示符是进入 gnuplot

的输入点；Linux 用户将习惯于这种方式。例如，您可以使用方向键来查找以前输入的命令历史记录，然后编辑和重新执行这些命令；Home 和 End

键与平时使用没有区别。可以对 gnuplot 进行重新编译以便使用 GNU readline 库在输入提示符上来回移动，但类似于默认函数。

Gnuplot 提供了广泛的在线帮助，如果您要做任何有用的事情，则肯定会用到这些在线帮助。语法是统一的：通过输入 help图 1. sin(x)

我们刚刚创建了可能是最简单的图。让我们看看如何以不同方法定制该图。假设我们只想看到一个正弦曲线周期。我们通过限制图的默认 x

范围来完成此操作。使用表示法 [min:max] 来指定范围。要仅指定最小值，使用 [min:]；要仅指定最大值，使用

[:max]。数学上称此为所谓的“闭”区间表示法。

这里我们使用 [-pi:pi] 得到一个正弦曲线周期：

清单 1. 从 -pi 到 +pi 的 sin(x)

set xrange [-pi:pi]

replot

reset图 2. 重绘正弦曲线图

我们刚才使用了 replot 命令，它执行先前的 plot

命令。当您绘制曲线图且需要不断对该图进行修改以添加想要的特征时，此命令会非常有用。另外，replot 使您可以添加更多的图。尝试输入

replot cos(x)。依照语法，该命令等同于 plot sin(x), cos(x)。Replot

就是获取先前的绘图字符串，添加必要的逗号，然后附加输入给它的其余部分。

使用的最后一个命令 reset 对于绘制正弦曲线不是必要的。它移除先前所有 set 命令的效果并恢复默认值。因此，在本例中，它将使用默认 x 范围。

现在让我们尝试一些更奇特的东西：plot sin(x)/x。您应该看到如下所示图形：图 3. sin(x)/x

从刚才这三个简单的例子，您可以看到 gnuplot 能够理解 pi

并具有丰富的自带数学函数词汇表。它甚至知道非常有用的管理正态分布的统计函数，以及深奥的特殊函数，如朗伯、贝塞尔、beta 和 gamma

函数(还有更多！)，这些函数通常仅在 mathematica 等功能齐全的数学工具中才会有。根据经验，语法与 C 中的语法相似，C

中的语法又与平常数学中使用的语法相似。(一个重要的不同是指数的表示法：为了方便，x 的 y 次幂写为 x**y)。

接着，将图命名为(“My First Graph”)，并命名轴(x 轴是“angle, in degrees”，y 轴是“sin(angle)”)。

清单 2. 命名图和轴

set title "My first graph"

set xlabel "Angle, /n in degrees"

set ylabel "sin(angle)"

plot sin(x)

注意 xlabel 中的 /n 会产生新的一行。一般来说，gnuplot 在双引号内的字符串中进行类似于 C 的反斜杠处理。Windows

用户注意：如果您想文件名使用双引号括起来的字符串表示，则必须使用两个反斜杠：如

"c://developerworks"(或者可以使用一个正斜杠："c:/developerworks")。

现在，我

们注意到 x 轴实际没有标记为度数，看起来不是很好。要修改此问题，通过调整 x 轴上的 tic 标记，使指定的(主)标记仅以 90

度增加和辅标记以 45 度增加。主 tics 的“级别”为 0，这是默认值；辅 tics 的级别为 1。每个点分别由一个 3

元组指定："label"(放在引号中)、

和

。

清单 3. 改变轴上 tic 并设置网格

set xrange [-pi:pi]　　　　　　　　　　　 # we want only one cycle

set xtics ("0" 0, 　　　　"90" pi/2, "-90" -pi/2, "" pi/4 1, "" -pi/4 1,　"" 3*pi/4 1, "" -3*pi/4 1)

set grid

set xlabel "Angle,/n in degrees"

set ylabel "sin(angle)"

plot sin(x)图 4. 带有 tics、标题、网格和标签的轴的 sin(x)

注意对 +45 度和 -45 度辅标记使用了空标签 ("")。还要注意我们不必以任何顺序列出点。像 gnuplot

中的其他所有项一样，xtics 命令功能非常多，具有方便的选项，用于以固定增量创建 tic

标记(在对数标度中为正常倍数)，以及用于时间相关数据的特殊格式。查看 help set xtics 中的例子可以获得更多信息。

作为边注，注意我们使用反斜杠将 xtics 命令扩展成多个输入行。这样可以使比较长或比较复杂的命令更易读懂。

我们还用 set grid 来设置网格，该命令使您可以从数量上查看图。到现在为止，我们大量地使用了 set 命令。Gnuplot

有一种撤销设置的统一方法：在 gnuplot 4.0 中，命令是 unset。例如，如果您不想要网格，使用 unset grid。4.0

以前的版本，命令是 set nogrid。

顺便说一下，我们提供的所有例子都可以在交互模式或批处理模式下运行。要以交互

模式运行，在提示符中输入每个命令。要以批处理模式运行，将命令输入或添加到文本文件中，然后在 gnuplot 提示符中使用 load

'filename' 读入文件，或者在 shell 提示符下将其作为参数提供给 gnuplot：$ gnuplot

filename。使用第二种方法，gnuplot

会在执行输入文件中的所有命令后退出，所以当直接绘图到文件中(请参见下一节)时，采用批处理模式执行特别有效。如果在屏幕上绘图时使用第二种方法，输出

窗口一出现(当 gnuplot 退出时)就会消失，所以您需要使用显式的“pause -1”命令(请参阅 help pause)来保持窗口。

批处理模式操作中使用的 Gnuplot 命令文件往往停留一会，从而帮助使用注释来提高可读性。# 后面的直到行结束的内容是注释。所以在示例清单 3 中，gnuplot 不处理 we want only one cycle。

终端设备 ―― 题外话

在启动时，您可能注意到终端类型设置为 X11。Gnuplot 采用标准设计，可以在多个终端设备上绘图。这包括直接打印到多种打印机中，包括

Epson、HP 和 Imagen 打印机。它甚至可以在伪设备中绘图，如 postscript 和

png。这主要涉及生成输出文件，而不是可查看文件或打印输出。这是将您的图表包含在其他报表中的一种技巧。虽然我还没有发现在 Windows 中与在

Linux 中有什么不同，本文档建议您在设置输出文件名之前先设置终端类型：

清单 4. 设置输出和终端类型

set terminal png　　　　 # gnuplot recommends setting terminal before output

set output "output.png"　# The output filename; to be set after setting

# terminal

replot

现在，文件 output.png

中有了您刚才绘制的图，且可以包含在一个更大的报表中。许多普遍使用的排版和制图程序都有专门的终端，这些程序包括 Adobe

Illustrator(set term aifm)、Corel Draw(set term corel)、AutoCad(set term

dxf)和多种 LaTex 相关的终端(eepic、latex、pstricks、texdraw、tpic 等等)。您还可以得到

PostScript、enhanced PostScript (eps) 或 Adobe PDF 格式的文件。您的 gnuplot

版本可能没有编译所有的终端驱动程序 ―― 例如，Windows 用户不需要 Xll 终端，Linux 用户不需要 Windows

终端。类似地，出于法律原因，gnuplot 4.0 移除了对 gif 终端的支持。

所有终端在能力上都不相同。其中的一

些(如 LaTeX)可能不支持文本的旋转，所以如果您像我们前面那样设置 ylabel，在不同的终端中可能显示不一样。换句话说，您可以在

LaTeX 的特定终端中使用 LaTex 命令。例如，set ylabel "$sin(//theta)$"(注意我们使用两个反斜杠产生一个

LaTex 所需的反斜杠 ―― gnuplot 在将双引号中所括的字符串传送到终端驱动程序之前，先对其进行反斜杠处理)。现在，您可以使用

/input{output.tex} 将输出文件包含在 LaTeX 文件中。要在 PostScript 终端中获得相同的结果，使用相应的

PostScript 命令：{/Symbol q}。在 enhanced PostScript 和 LaTeX 中，您可以使用表示法

x^{superscript} 和 x_{subscript} 得到上标文字。还要注意缩写的终端绘制数据图

虽然本教程只是出于说明目的，大部分内容都集中于绘制正弦曲线，您很可能很想对试验数据、销售数据或其他类似数据绘图。在这一节，我们将使用 IBM 的股票价格作为数据集合说明如何绘制不同的图(本例的原始数据包含在参考资料部分中)：

　　表 1. IBM 股票价格

大多数数据集合都是数字列，但是这个数据集合有所不同，因为 x 轴是时间数据。下列代码告诉 gnuplot 如何读取和格式化 x 轴上的时间数据(有关详细信息，请参阅 help time/data 和 help set timefmt)：

清单 8. 设置时序数据

set xdata time　# The x axis data is time

set timefmt "%d-%b-%y"# The dates in the file look like 10-Jun-04

set format x "%b %d"# On the x-axis, we want tics like Jun 10

一旦设置完成，可以使用下列命令对开盘价绘图。我们选择在不同的开盘价之间使用直线插值法，并使用 linespoints 样式，而不只是 points：

plot ["31-May-04":"11-Jun-04"] 'ibm.dat' using 1:2 with linespoints图 8. 绘制开盘价图

象往常一样，["31-May-04":"11-Jun-04"] 显式设置了 xrange，但不是完全必要的。注意范围的 min 和 max 需要指定为符合 timefmt 的字符串。

取决于使用的绘图样式，gnuplot 在绘制一个点时最多可以使用六个不同的编号。当读入记录时，列从 1 开始编号。using 1:2 告诉 plot 命令使用第一列作为 x 轴，第二列作为 y 轴。所以要绘制收盘价图，我们将使用 using 1:5。

每次 gnuplot 看到新的数据分隔符时，列编号就会增加。默认情况下，数据分隔符为空格。所以如果时间格式中间有空格(例如 10 Jun

04，而不是 10-Jun-04)，我们将需要使用 using 1:4 代替 1:2。对于 x

轴，我们仅需要指定数据开始的第一列。Gnuplot 能够智能地使用 timefmt 字符串读取其他列。

using

使您可以添加两个以上的冒号，用于指定特定绘图样式可能需要的任何其他列。您还可以使用 $n 表示第 n

列，从而对二进制表达式进行绘图。在一个完全虚构的示例中，我们假设不同的价格表示不同的试验运行，我们要绘制平均价、最高价和最低价。

yerrorbars 样式使您可以绘制 y-high/y-low 值(我们在 using 修饰符中指定为 x:y:ylow:yhigh)以及计算

y 轴四个价格的平均值为 ($2+$3+$4+$5)/4：

plot ["31-May-04":"11-Jun-04"] 'ibm.dat' using 1:($2+$3+$4+$5)/4:4:3 /

title 'daily prices, IBM' with yerrorbars图 9. 计算平均值

errorlines 样式是相似的，但它还在绘制的 y 轴点之间绘制线段。对于绘制财务条形图，Gnuplot

还有单独的样式，分别是最高价、最低价和 tics 在左边，右边为开盘价和收盘价。我们使用 set bars 显示开盘价和收盘价的较大

tics)：

set bars 5

plot ["31-May-04":"11-Jun-04"] 'ibm.dat' using 1:2:3:4:5 with financebars图 10. 绘制财务条形图

您还可以查看 help plotting styles 获得其他相关样式，如 candlesticks、boxerrorbars 和错误绘图样式。

处理真实数据集合

当然，对于真实的数据集合，事情可能会变得更复杂。最常见的就是数据集合不使用空格字符分隔数据点。gnuplot 4.0 提供了新的功能，您可以使用 set datafile separator

指定自己的分隔符。同样地，您还可以使用 set datafile commentschar 指定除了 #

之外的注释字符。如果需要更多的控制，您可以为 using 修饰符明确指定格式字符串。Gnuplot 使用 C 标准库的 scanf

函数以及给定格式字符串(有关详细信息，请参阅 help

using)读入数据。我讲述此方法仅是为了内容更全面；能够以此方法读入的数据集合也可以使用 set data file separator

进行处理，或者通过显式指定 using 修饰符中要使用的列编号来进行处理。例如，如果需要忽略第一列中的字符串，则使用 2:3

进行绘图。为了获得更完全的灵活性，在具有 popen 函数的 Unix 类系统中，在将文件传送给 plot

命令之前，可以使用文本处理实用程序对文件进行预处理。例如：plot "< awk --f preprocess.awk

data.file"。不幸的是，该命令不能在所有系统中使用。最后的一个方法是在 gnuplot 中使用输入文件之前对其进行预处理。

有时，真实的数据可能没有包含所有的点 ―― 对于要绘图的列，可能有 x 值，但缺少相应的 y 值。Gnuplot 允许您指定字符串，用于表示缺少的数据点。例如：

set datafile missing 'NaN' # The IEEE floating point not-a-number

注意，在 4.0 版本之前，命令是 set missing 。

不幸的是，处理缺少数据的数据点的方法取决于 using 说明。如果想了解用法 plot 'file'、plot 'file' using

1:2 和 plot 'file' using ($1):($2) 之间区别的详细信息，请参阅 help

using。但是为了安全起见，通常指定列使用显式的 using

格式，如果您想完全清除不合适的数据点，不要使用表达式求值(第三个选项会因为括号而对表达式求值)――

而是，预处理数据文件并用计算的表达式的结果添加确切的列。

往常，您可能以一些无效的数据点而结束。如果 gnuplot

被告知忽略无效数据点，您仍可以对这样的数据集合绘图。Gnuplot 忽略未定义的点，这样当您遇到不合适的点时，技巧就是使用未定义的 y

值，如1/0。类似于 C 的三元算符可以很容易地表达此信息(如果您不熟悉此函数，请参阅 help

ternary；在定义分段函数时它也非常有用)。下面是 help using 中介绍的一个例子，它使您以第二列作为 y 值来绘图，除非第三列大于

10：

plot 'file' using 1:($3>10 ? $2 : 1/0)

高级例子

虽然本文向您展示了会经常使用的大多数命令，但可能有些地方您还需要进一步地研究。在这一节，我们简要讨论其中一些概念，然后提供了其中一个

gnuplot 演示文件(electron.dem)中的脚本，该脚本绘制电子学中常见的幅频响应图，用以说明它们的用法。

用户定义的函数和变量

您可以任意定义自己的复杂函数，如下面的 A(jw)。这些函数可以用参数 (p1, p2) 表示，您可以稍后在 plot 命令中使用它们之前再定义参数变量。

复数

Gnuplot 可以识别复数。{a,b} 表示复数 a+bi。您可以使用函数 abs() 和 arg() 获得绝对值和辐角。

虚变量

当在 plot 命令中使用 sin(x) 时，gnuplot 将 x 用作虚变量，并对它赋不同的值以获得示例。当编写复杂的用户定义的函数时，您可以使用函数定义中使用的传统变量名称，也可以显式设置要使用的虚变量的名称(例如，set dummy jw)。

x2 和 y2 轴

除了常见的沿着曲线图底部和左边的 x 轴和 y

轴之外，还可以使用曲线图的顶部(x2)和右端(y2)作为单独的轴。这些轴都相互独立，可以单独设置范围、tics、标签和比例(例如对数刻度)。而

且，通过使用 axes 子句，plot 命令可以使用不同的轴集合，如 x2y2。默认情况下，plot 命令以 x 轴和 y

轴绘图。当您需要同时绘制范围为不同量级或具有不同单位的线时，此高级功能非常有帮助。在下面的示例中，y 轴绘制振幅，最大值为 1，y2

轴绘制相位，最大值为 100。如果对轴的相同集合绘图，振幅曲线几乎看不出来。

对数刻度

您可以使用 set

logscale 命令以对数刻度绘制任何轴。此命令在轴上绘制以 10 为底的值的对数。您可以显式设置使用的底数(例如，set logscale

2，或如果仅为 x 主轴和 y 主轴设置底数，则可以使用 set logscale xy 2)。

下例摘自与 gnuplot 一起提供的演示文件 electron.dem。此脚本使用了上面讨论的所有高级概念：

清单 9. 幅频响应

A(jw) = ({0,1}*jw/({0,1}*jw+p1)) * (1/(1+{0,1}*jw/p2))

p1 = 10

p2 = 10000

set dummy jw

set grid x y2

set key default

set logscale xy

set log x2

unset log y2

set title "Amplitude and Phase Frequency Response"

set xlabel "jw (radians)"

set xrange [1.1 : 90000.0]

set x2range [1.1 : 90000.0]

set ylabel "magnitude of A(jw)"

set y2label "Phase of A(jw) (degrees)"

set ytics nomirror

set y2tics

set tics out

set autoscale　y

set autoscale y2

plot abs(A(jw)), 180/pi*arg(A(jw)) axes x2y2图 15. 振幅和相位频率响应

结束语

在本文中，我们讨论了使用新发布的 gnuplot 4.0 绘制 2D 图形的复杂性。虽然我们接触了大多数的关于使用 gunplot

的重要方面，但限于篇幅有限，我们仍有少数主题没有讨论。值得注意的一些省略范围包括从非常简单的参数函数绘图(请参见 help

parametric)、极坐标(help polar)，到曲线拟合(它使用户定义曲线与