第14章 Matplotlib數據可視化

Matplotlib是Python中做數據繪圖最常用的一個包，它提供了二維和三維繪圖功能，能繪制曲線、直方圖、柱狀圖、餅圖、偽色圖、等高線圖、極坐標圖、三維曲面、三維等高線等各種圖，具有豐富的繪圖定制功能，能在圖中使用LaTeX標記輸出數學符號和公式，生成具有出版品質的圖。

Matplotlib最初是仿照MATLAB的繪圖功能開發的，matplotlib.pyplot模塊提供了類似于MATLAB的指令式繪圖功能，一般介紹Matplotlib繪圖功能的書也以介紹這種指令式繪圖為主。但是這種方式適合于腳本化的程序中進行數據可視化，不適合于在GUI應用程序中繪圖。實際上Matplotlib是完全采用面向對象的方式設計的，圖的各個組成元素都有相應的類，通過類的接口可以完全控制Matplotlib的繪圖功能，適合于在GUI應用程序中嵌入數據可視化功能。

本章主要介紹Matplotlib的面向對象的繪圖功能，介紹Matplotlib繪圖涉及的各個主要類的使用，特別是在GUI應用程序中的使用。

14.1 Matplotlib的基本用法

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14.2 圖的主要元素的面向對象操作

要對一個圖（Figure）的各個組成元素進行編程操作，首先要搞清楚圖的組成元素的名稱及其對應的類，然后才可以使用類的屬性和接口函數進行操作。

Matplotlib官方例子程序anatomy.py繪制的一個圖完整地演示了一個圖的各個組成元素，圖14-3是anatomy.py運行時顯示的圖，實例Demo14_1目錄下有這個文件，讀者也可以從Matplotlib官網下載此程序的最新版本運行，并解讀其中的代碼。

圖14-3 Matplotlib官方例子程序anatomy.py繪制的圖

本節通過實例程序Demo14_2演示和介紹Matplotlib繪圖的主要對象的操作方法。實例Demo14_2是基于模板mainWindowApp的項目，只有一個主窗口，程序運行時的界面如圖14-4所示。

圖14-4 示例Demo14_2運行時界面

14.3 交互操作

使用Matplotlib繪圖還可以進行一些交互操作，最簡單的就是使用與FigureCanvas類對象關聯的NavigationToolbar類工具欄對圖表進行交互操作。此外，還可以使用FigureCanvas類提供的事件處理功能對鼠標和鍵盤事件進行響應，從而實現一些交互操作。

圖14-9? 示例Demo14_3運行時界面

實例Demo14_3演示Matplotlib繪圖的一些交互功能的實現，程序運行時界面如圖14-9所示。這個程序實現了如下的一些功能：

• 對NavigationToolbar工具欄對象做了一些改造，使其顯示中文標題和提示信息，并且在工具欄上插入了幾個由自定義Actions創建的工具欄按鈕。
• 當鼠標在子圖上移動時，在狀態欄里顯示鼠標光標處的坐標數值。
• 當鼠標移動到一個子圖上時，設置顯示綠色背景顏色，鼠標離開子圖時背景顏色恢復為白色，其功能類似于PyQt5中的hover()事件。
• 鼠標在曲線序列或散點序列上點擊時，可以拾取序列上的數據點，并在狀態欄上顯示拾取的信息。
• 使用鼠標滾輪可以對子圖進行縮放。NavigationToolbar工具欄提供的縮放功能只有矩形框選擇區域放大，或鼠標右鍵拖動縮放。

14.4 典型二維圖的繪制

在UI界面比較復雜時，希望在UI可視化設計時就放置一個類似于FigureCanvas的組件，而不是用代碼生成界面組件。為此，我們設計了一個從QWidget繼承的繪圖組件類QmyFigureCanvas，在這個類里創建一個FigureCanvas對象、一個Figure對象和一個NavigationToolbar工具欄，構成一個繪圖組件。在UI窗體可視化設計時，就可以放置一個QWidget組件然后提升為QmyFigureCanvas類，這樣方便界面可視化設計。

基于自定義的類QmyFigureCanvas設計的示例Demo14_4，演示了幾種常見的二維圖的繪制。

圖14-16 “火柴桿圖”頁面

14.5 三維數據繪圖

Matplotlib可以繪制一些三維圖形，如三維曲面圖、三維線網圖、三維散點圖等。

本節通過實例Demo14_5簡單介紹Matplotlib中繪制三維曲面、三維線網圖和散點圖的方法。三維數據也可以用二維圖表現出來，例如一個三維曲面可以投影到X-Y平面上，用顏色表示一個點的Z軸的數值，這就是Axes類中的pcolormesh()、pcolor()等函數繪制的偽色圖。

圖14-18 示例Demo14_5運行時界面

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