Python 绘图时用到的各种函数

Posted 2021-03-16 颀周

　　python绘图库有很多，底层的就是matplotlib，另外还有基于matplotlib的更方便，代码可读性更强的库，比如seaborn、plotnine等。各个库之间的对比：

　　https://www.zhihu.com/question/39684179

matplotlib

　　在python下一般使用matplotlib包下的pyplot，所以通常import matplotlib.pyplot as plt方便使用它的绘图函数。下面仅记录matplotlib3.2.0之后的版本。

通用函数

plt.show()

　　显示绘图窗口。

plt.figure()

　　创建绘图新窗口并传给fig：

fig = plt.figure()

　　fig能使用下面绘图、创建子图等函数。不创建新窗口直接plt.function()也能绘图，默认一个窗口。

fig.add_subplot()

　　给窗口添加子图像，参数有三个，分别是子图像的行、列、索引。两种使用方式：

ax = fig.add_subplot(numbRow, numbCol, plotNum) 
ax = fig.add_subplot(111)

　　前一种是一般的用逗号隔开，明确三个参数。后一种是三个整数参数直接合成一个整数传入，这要求这个整数只能是3位的，这样才能唯一确定用户传入的参数。（比如223，就是把图像划分成2*2的格子，添加一个子图像在第三个格子里） 

plt.imsave()

　　用于保存图像，因为源代码中没有提示，很容易因为传参顺序而出错。用法如下：

plt.imsave(name,img)#先传名字再传img数组

图例

　　为图像添加图例，在画图函数中添加label属性就行。如：

ax.plot(X,Y,label = \'图例\')

　　然后使用legend()函数显示所有的图例，它可以设置图例的位置等参数：

ax.legend(loc=\'best\') #看这个介绍https://blog.csdn.net/qq_35240640/article/details/89478439

　　显示中文（不然可能乱码）：

plt.rcParams[\'font.sans-serif\']=[\'SimHei\'] #用来正常显示中文标签
plt.rcParams[\'axes.unicode_minus\']=False #用来正常显示负号

图像标题

ax.set_title(\'aaa\',fontsize=12,color=\'r\')

坐标轴设置

ax.set_xlim([-2, 2])#设置x坐标轴范围
ax.set_ylim([-2, 2])#设置y坐标轴范围
ax.set_xlabel(\'xxxxxxxxxxx\')#设置x坐标轴名称
ax.set_ylabel(\'yyyyyyyyyyy\')#设置y坐标轴名称

ticks = np.arange(-2, 2, 0.3)
ax.set_xticks(ticks)#设置x轴刻度
ax.set_yticks(ticks)#设置y轴刻度

ax.axis(\'scaled\')#设置坐标轴宽高等比于x、y范围
ax.axis(\'image\')#类似于scaled，暂时没发现区别
ax.axis(\'off\')#关闭坐标轴
ax.axis(\'equal\')#图像宽高比例不变，坐标轴范围变
ax.axis(\'tight\')#坐标轴紧紧贴合图像，不设置默认就是这个
ax.axis(\'square\')#设置坐标轴宽高比为1:1，坐标轴跨度取较大的那个

动态图像

plt.cla()
ax.clear()

　　这两个函数用于将子图清空，配合暂停函数

plt.pause(0.1) 

　　即可实现动态图像。

二维图像

contourf()和contour()

　　画等高线图。这两个函数差一个字母，但用法一样，区别如下：

　　使用方法：

ax.contourf(X, Y, Z, levels=10, alpha=0.5, cmap=\'jet\')

　　X是生成网格的X坐标数组（二维数组array，或者matrix），Y是和X相同类型的Y坐标，Z是对应网格的每个格点的函数值数组（也是二维数组array，或者matrix），网格的生成是使用numpy库中的meshgrid()函数。levels是图像中等高线的数量，我这里设置为10。alpha是图像的透明度，介于0~1，我这里设置为0.5半透明。可以设置透明度有个好处就是可以把很多图画在同一个画布上，方便比较。cmap是图像的颜色类型，有很多预设的颜色类型，我这里用一个叫‘jet’的颜色类型，当然也可以自己定义，具体设置网上再找吧。后三项有预设值，可以省略。

　　效果图：

　　看起来不是很圆润，这是因为我的网格规模就是7*7的，它画图就按照你的网格数量来画，所以有棱有角的。有一点奇怪的就是，网格是有限的，它是怎么画出这么多的等高线的？我猜它应该是线性插值插进去的。反正也就一个图用来看的，不用特别准确。但是如果要准确怎么办？那就把网格设置地密一些！别让等高线的密度比网格的密度大太多就好了。

　　另外，可以用clabel()这个函数用来标注等高线图的数值：

plt.clabel(C, inline=False, fontsize=12)

　　C代表刚刚画的等高线图（在用contour()等函数画完以后传给C，C = contour(...)），inline是否画在线内，fontsize数字的大小。

plot()

ax.plot(x, y,  ls="-", lw=2, label="plot figure", color=\'black\',alpha=0.5...)

　　用来画二维面上的点、线。当然也可以在三维的空间里面画，就画在三维坐标系的xOy面上。重要参数介绍：

　　x: 要画的线的各个点在x轴上的坐标（一维数组）

　　y: 要画的线的各个点在y轴上的坐标（一维数组或二维数组，第一维规模要和x轴的数组一致，第二维规模的大小就是画线的数量）

　　ls：折线图的线条风格，这里是一个减号

　　lw：折线图的线条宽度

　　label：标记图内容的标签文本

　　color：颜色

　　alpha：透明度

　　还有很多的参数可以调节，这里不一一列举，请看链接。另外，很多其它画线的函数也都支持一些个性化的参数，比如color、alpha、width等等，参数汇总看链接。

bar()

ax.bar(range(len(values)), values)

　　绘制条形图，第一个参数为横坐标，第二个参数为横坐标对应的值。

　　示例代码：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

values = np.random.normal(0,1,[20])
plt.bar(range(len(values)),values)
plt.show()

hist()

ax.hist(data,bins=50,range=[-5,5],density=True,cumulative=True,rwidth=0.9,orientation = \'vertical\')

　　画频次直方图，这个函数会自动对数据做统计，如果是已经统计好的数据，可以使用上面的bar()函数画图。重要参数介绍：

　　x：待统计的一维数据。

　　bins：柱子的数量

　　range：数据统计的范围

　　density：是否转换为频率密度图（密度图，乘以范围宽度才是这个范围内数据的频率占比）

　　cumulative：是否累加，若为真，柱子统计的是小于等于这个值的所有数据。

　　rwidth：柱子的宽度。

　　orientation：柱子是垂直还是水平放置。

　　以下统计一个正态分布的累计柱状图：

hist2d()与hexbin()

ax.hist2d(x,y,bins=30,cmap=\'Blues\')

　　二维频次直方图。参数与上述一维频次直方图类似。以下显示二维正态分布抽样频次统计图（旁边的色度条是plt.colorbar()，子图如何加还没研究...）：

ax.hexbin(x,y,gridsize=30,cmap=\'Blues\')

　　就是方格变成六边形格，gridsize表示格子大小：

绘制二维热度图

　　以上二维频次直方图函数会先对输入做统计，再进行绘图。如果是已经统计好的二维数据，我们可以用imshow()函数来画。示例代码如下：

import matplotlib.pyplot as plt 
  
values = np.random.randint(0,100,[5,5])

hot = plt.imshow(values, cmap=plt.cm.hot_r) #第二个参数是颜色风格
plt.colorbar(hot)  #设置刻度条
plt.show()

三维图像

建立三维坐标系

fig = plt.figure()  #添加绘图窗口
ax = fig.add_subplot(221,projection = \'3d\')  #窗口内添加3d子图
ax = fig.add_subplot(projection = \'3d\')  #如果只画一张图，可以用这个

plot_surface()

ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride = 1, cstride = 1, cmap=\'jet\')

　　画三维的曲面图，并且带有梯度颜色。

　　X、Y、Z就是每个网格点在对应坐标轴的值，cmap是涂色类型。rstride 是在行上每几个网格点计算一次梯度来图上对应梯度的颜色。cstride 就是列上的。它们越大，画梯度颜色的“补丁”也越大，对应地，“补丁”的数量也越少。如下图，一个是1，一个是2，“补丁”就一个是20，一个是10。

外部图像

图像导入与显示

import matplotlib.pyplot as plt
import pylab                #原本在jupyter里才能显示的图片，可以用窗口显示
  
img=plt.imread("image.jpg") #读取图片，读取到的是：高度×宽度×3RGB 的array数组
fig = plt.figure()          #创建窗口
ax = fig.add_subplot(111)   #创建子图
ax.imshow(img)              #子图中添加图片

pylab.show()                #显示窗口

cv2

图像批处理

从压缩包中直接读取图片

import zipfile
import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

path = \'D:/Datasets/dogs-vs-cats/train.zip\'#压缩包地址
with zipfile.ZipFile(path,mode=\'r\') as f:
    for name in f.namelist():
        if \'.jpg\' not in name:
            continue
        print(name) 
        with f.open(name,mode=\'r\') as image_file:
            content = image_file.read() # 读取图片
            img = np.asarray(bytearray(content), dtype=\'uint8\') #将jpg格式转码
            img = cv2.imdecode(img, cv2.IMREAD_COLOR)#再转化为BGR格式，注意不是RGB，顺序反了 ，不重组的话在plt颜色显示异常
            b,g,r = cv2.split(img)  
            img = cv2.merge([r,g,b])  #将BGR拆分再重组为RGB
            plt.imshow(img) 
            plt.show()
        break

图形拉伸

import cv2
cv2.resize(img,(w,h),interpolation=0)

　　将存在数组中的图像拉伸成w宽，h高。interpolation=0表示最近邻插值，不作平滑处理。其它插值参数（interpolation）请看链接。

seaborn

import seaborn as sns

　　seaborn简化了matplotlib的绘图操作，并且让图像更精美，绘制matplotlib图像时，使用sns.set()，可让图像更具特色。

mayavi

import mayavi.mlab as mlab

　　mayavi是专门绘制三维图形的库，虽然matplotlib也能绘制，但是matplotlib并不支持光线追踪，所以没有遮挡的效果。绘制各种图像的函数和matplotlib差不多。mayavi文档、简易实例。

mesh()

　　绘制三维图形表面，用法和matplotlib的plot_surface类似，但是创建网格时推荐用mgrid，meshgrid的索引顺序不对。

mlab.mesh(x, y, z )#绘制光滑表面
mlab.mesh(x, y, z, representation="wireframe", line_width=1.0)#绘制线而不是表面

　　下图画了一个卷起来的彩带：

　　代码如下：

import mayavi.mlab as mlab
import numpy as np

roll = 10
r = 0.5
w = 0.8
theta = np.linspace(np.pi*0.5,np.pi*2*roll,num=roll*100)[:,np.newaxis]
h = np.linspace(-1,1,num=2)[np.newaxis,:]+0.5

x = y = z = np.zeros([len(theta),len(h[0,:])])
x = x + np.cos(theta)*theta*r/np.pi 
y = y + np.sin(theta)*theta*r/np.pi 
z = z + h - theta*w/np.pi 
print(y.shape,z.shape)
mlab.mesh(x, y, z)#绘制光滑表面 
mlab.show() 

plot3d()

　　画三维坐标系中的曲线。用法和matplotlib的plot类似。同样推荐用mgrid创建网格。

mlab.plot3d(x,y,z)

numpy

　　用numpy的一些函数生成格式化的绘图数据。 

linspace()

　　linspace(a, b, n)，传回一个在a、b之间的插值列表（包括a、b），插值的数量是n。这个差值列表类型是array，而不是list，array里的数据类型是固定的，都是float。而列表list里面则并不是固定的，里面可以存任何东西。array是numpy下定义的一个类型，这个类型类似C++的数组，随机查找很快。所以处理大批量同类数据的时候，最好使用array类型。

　　具体使用和其他参数：

　　https://www.cnblogs.com/antflow/p/7220798.html

meshgrid()

　　用于生成对应列表的网格（网格也是用列表存，二维网格是对每一维来说是二维列表，三维网格对每一维来说是三维列表），用于绘制梯度图等。使用方法如下：

　　1. [X, Y] = meshgrid(x,y)或者python还支持X,Y = meshgrid(x,y)，不加方括号也行，当然直接A = meshgrid(x,y)，传给一个值也行，就是后面不太好处理。

　　2. [X, Y] = meshgrid(x)与[X, Y] = meshgrid(x, x)是等同的

　　3. [X, Y, Z] = meshgrid(x, y, z)生成三维的网格

　　生成的网格索引顺序在二维X、Y中是先Y再X，三维X、Y、Z中顺序是Y、X、Z。例如，在三维网格中，如果要获得x[2]，y[7]，z[3]位置的Y轴坐标，就是Y[7][2][3]。在二维网格中，如果要获得x[2]，y[7]位置的X轴坐标，就是X[7][2]。

　　下图显示8*3的网格的X的列表：

mgrid

　　与meshgrid类似，同样能生成对应的网格。但是它并不是函数，而是以索引的形式使用的属性，并且还可以生成类似的2维以上的网格。另外，它和meshgrid的不同之处在于它们生成的网格的索引方式是相反的。推荐使用mgrid，它更容易理解。以下是实例：

import numpy as np
a = np.mgrid[0:10:2,0:10:1] 
print(a)

　　索引的第二个冒号传入整数表示数的间隔，不包含最后一个数。传入复整数表示数的个数，比如5j表示范围内5个数，包含最后一个数。

特定图像样例

　　https://www.runoob.com/w3cnote/matplotlib-tutorial.html

　　https://blog.csdn.net/jasonzhoujx/article/details/81780774