Python數據可視化（二）

Patches繪制幾何圖形

模塊 patches 主要用來完成多邊形的繪制工作。這些多邊形都是以類（Class）的形式出現的，主要包括圓（Circle）、橢圓（Ellipse）、矩形（Rectangle）、圓弧（Arc）、楔形（Wedge）等幾何圖形。下面，我們就介紹這些幾何圖形的實現方法。

一，圓的實現方法

（1）代碼示例

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.patches import Circlefig, ax = plt.subplots(2, 2)# subplot(221)
circle = Circle((2, 2), radius=2, facecolor="white", edgecolor="cornflowerblue")
ax[0, 0].add_patch(circle)ax[0, 0].set_xlim(-1, 5)
ax[0, 0].set_ylim(-1, 5)# subplot(222)
rectangle = ax[0, 1].patch
rectangle.set_facecolor("gold")circle = Circle((2, 2), radius=2, facecolor="white", edgecolor="cornflowerblue")
ax[0, 1].add_patch(circle)ax[0, 1].set_xlim(-1, 5)
ax[0, 1].set_ylim(-1, 5)ax[0, 1].set_aspect("equal", "box")# subplot(223)
rectangle = ax[1, 0].patch
rectangle.set_facecolor("palegreen")circle = Circle((2, 2), radius=2, facecolor="white", edgecolor="cornflowerblue")
ax[1, 0].add_patch(circle)ax[1, 0].axis("equal")# subplot(224)
rectangle = ax[1, 1].patch
rectangle.set_facecolor("lightskyblue")circle = Circle((2, 2), radius=2, facecolor="white", edgecolor="cornflowerblue")
ax[1, 1].add_patch(circle)ax[1, 1].axis([-1, 5, -1, 5])
ax[1, 1].set_yticks(np.arange(-1, 6, 1))ax[1, 1].axis("equal")plt.subplots_adjust(left=0.1)plt.show()

（2）代碼講解

（1）以“Circle((2,2),radius=2,facecolor="white",edgecolor="cornflowerblue")”語句為例，講解類 Circle 的使用方法，具體參數和參數值的含義如下。

(2,2)：圓的中心的坐標位置。
radius：圓的半徑大小。
facecolor：圓的填充顏色。
edgecolor：圓的輪廓的顏色。

（2）通過調用“Circle((2,2),radius=2,facecolor="white",edgecolor="cornflowerblue")”語句，生成了子區 1 中圓心在(2,2)處、半徑為 2、填充顏色是白色和輪廓顏色是矢車菊藍的圓的實例。

（3）為了在子區 1 中展示實例 circle 的可視化效果，需要調用“ax[0,0].add_patch(circle)”語句。也就是說，需要調用實例方法 add_patch()將實例 circle 以參數值形式添加到坐標軸實例 ax[0,0]中，從而完成指定位置和指定半徑的圓的繪制工作。

（4）為了清楚地顯示繪制的圓的位置和半徑，調用實例方法 set_xlim()和 set_ylim()，調整 x 軸和 y 軸的坐標軸的顯示范圍。注意：子區 1 中圓的形狀并不是圓，而是橢圓，是由于坐標軸的刻度線的變化量不一致導致的。

（5）為了解決圓的形狀不理想的問題，調用“ax[0,1].set_aspect("equal","box")”語句。這樣，我們就實現了 x 軸和 y 軸的長度相同、刻度線的變化量相同的目標。第 2 章使用模塊 patches 繪制幾何圖形

（6）為了凸顯圓的形狀的理想情況，調用類 Rectangle 的實例方法 set_facecolor()分別設置子區 2、子區 3 和子區 4 的坐標軸的背景色。

（7）在子區 2 中，可以看到在調用這些語句后產生的理想的圓的展示效果。

（8）在子區 3 中，不進行調整 x 軸和 y 軸的坐標軸的顯示范圍的操作，只是簡單地調用 “ax[1,0].axis("equal")”語句，將刻度線的變化量進行調整，使之保持相同的增量，從而產生理想的圓的可視化效果。

（9）在子區 4 中，既通過調用“ax[1,1].axis([-1,5,-1,5])”語句調整了 x 軸和 y 軸的坐標軸的顯示范圍和通過調用“ax[1,1].set_yticks(np.arange(-1,6,1))”語句調整了刻度線的位置，也通過調用 “ax[1,1].axis("equal")”語句調整了刻度線的變化量。

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二，矩形的實現方法

矩形是數據可視化中一種比較常見的幾何圖形。在具體實踐中，我們通過類 Rectangle 生成矩形實例，將矩形實例添加到坐標軸中，從而完成矩形的繪制任務。這種多邊形既可以充當坐標軸背景，也可以作為組合圖形的一部分。

（1）代碼示例

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.patches import Rectanglefig, ax = plt.subplots(subplot_kw={"aspect": "equal"})x1 = np.arange(1, 2.6, 0.1)
y1 = x1 + 2x2 = np.arange(2.5, 4.1, 0.1)
y2 = -x2 + 7# set background color
rectangle = ax.patch
rectangle.set_facecolor("lightskyblue")# house
rectangle1 = Rectangle((1, 0), 3, 3, facecolor="w", edgecolor="rosybrown")# door
rectangle2 = Rectangle((1.5, 0), 1, 1.5, facecolor="w", edgecolor="rosybrown",hatch="|||")# window
rectangle3 = Rectangle((2.9, 1.7), 0.6, 0.6, facecolor="w", edgecolor="rosybrown")rectangle_list = [rectangle1, rectangle2, rectangle3]# roof line
ax.plot([1, 2.5, 4], [3, 4.5, 3], color="rosybrown")# window line
ax.plot([3.2, 3.2], [1.7, 2.3], color="rosybrown")
ax.plot([2.9, 3.5], [2.0, 2.0], color="rosybrown")# roof filled color
ax.fill_between(x1, 3, y1, color="w", interpolate=True)
ax.fill_between(x2, 3, y2, color="w", interpolate=True)for rect in rectangle_list:ax.add_patch(rect)ax.axis([0, 5, 0, 6])plt.show()

（2）代碼講解

<1>通過調用“ax.patch”語句，獲得類 Rectangle(xy=(0,0),width=1,height=1)的實例 rectangle。 <2>通過調用“rectangle.set_facecolor("lightskyblue")”語句，設置坐標軸實例 ax 的背景色。

<3>通過調用“Rectangle((1,0),3,3,facecolor="w",edgecolor="rosybrown")”語句，繪制第一個矩形。這個矩形的左下角頂點的坐標是(1,0)，矩形的寬度和高度都是 3，也是一個正方形。我們也設置了矩形內部的填充顏色和輪廓的線條顏色。其他兩個矩形的繪制方法與第一個矩形的繪制方法完全相同，只是矩形的左下角頂點的位置和矩形的形狀不同。注意：第二個矩形 rectangle2 還使用參數 hatch 增加了裝飾圖案“|”，使房子的門產生木質紋理的展示效果。

<4>使用“ax.plot([1,2.5,4],[3,4.5,3],color="rosybrown")”語句，設置屋頂的輪廓的線條顏色。?

<5>通過實例方法 plot()向第三個矩形中添加了窗戶的窗框。

<6>通過調用實例方法 fill_between()將屋頂的填充顏色設置為白色，與所有矩形內部的填充顏色一致。這樣，我們將繪制矩形的方法與前面講過的相關方法相結合，相對完整地繪制了一個簡易房屋。需要補充的是，我們看到，使用 matplotlib 不僅可以完成繪制統計圖形的任務，還可以實現繪制圖畫的目標。

三，圓弧和楔形的實現方法

圓弧作為橢圓的一部分而被大量使用，楔形作為圓的一部分而得到廣泛應用。具體而言，圓弧的實現方法是借助類 Arc 實現的，楔形是通過類 Wedge 進行繪制的。

（1）代碼示例

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.patches import Arc, Ellipse, Rectangle, Wedgefig, ax = plt.subplots(subplot_kw={"aspect": "equal"})# shadow
shadow = Ellipse((2.5, 0.5), 4.2, 0.5, color="silver", alpha=0.2)# base
ax.plot([1, 4], [1, 1.3], color="k")
base = Arc((2.5, 1.1), 3, 1, angle=10, theta1=0, theta2=180, color="k", alpha=0.8)# wheel
left_wheel = Ellipse((1, 1), 0.7, 0.4, angle=95, color="k")
right_wheel = Ellipse((4, 1.3), 0.7, 0.4, angle=85, color="k")# joinstyle
bottom_joinstyle1 = Ellipse((2.5, 2), 1, 0.3, facecolor="silver", edgecolor="w")
bottom_joinstyle2 = Ellipse((2.5, 1.7), 1, 0.3, facecolor="silver", edgecolor="w")
left_joinstyle = Ellipse((1, 5.75), 0.5, 0.25, angle=90, color="k")
left_arm_joinstyle1 = Wedge((0.3, 4.55), 0.1, 0, 360, color="k")
left_arm_joinstyle2 = Wedge((0, 4.0), 0.2, 290, 250, color="k")
right_joinstyle = Ellipse((4, 5.75), 0.5, 0.25, angle=90, color="k")
right_arm_joinstyle1 = Wedge((4.3, 6.95), 0.1, 0, 360, color="k")
right_arm_joinstyle2 = Wedge((4.3, 7.45), 0.2, 110, 70, color="k")
top_joinstyle1 = Ellipse((2.5, 6.2), 0.5, 0.2, facecolor="silver", edgecolor="w")
top_joinstyle2 = Ellipse((2.5, 6.3), 0.5, 0.2, facecolor="silver", edgecolor="w")# body
body = Rectangle((1, 2.1), 3, 4, color="steelblue")# arms
left_arm1 = ax.plot([0.3, 1 - 0.125], [4.55, 5.75], color="silver", lw=4)
left_arm2 = ax.plot([0, 0.3], [4.2, 4.55], color="silver", lw=4)
right_arm1 = ax.plot([4 + 0.125, 4.3], [5.75, 6.95], color="silver", lw=4)
right_arm2 = ax.plot([4.3, 4.3], [6.95, 7.25], color="silver", lw=4)# head
ax.plot([1, 4], [6.4, 6.4], color="steelblue")
head = Arc((2.5, 6.4), 3, 2.5, angle=0, theta1=0, theta2=180, color="steelblue")# eyes
left_eye = Wedge((2, 7), 0.4, 0, 360, color="gold")
left_eye_center = Wedge((2, 7), 0.3, 15, 345, color="k")
right_eye = Wedge((3, 7), 0.4, 0, 360, color="k")
right_eye_center = Wedge((3, 7), 0.3, 165, 195, color="darkred")polygon = [shadow,base,left_wheel,right_wheel,bottom_joinstyle1,bottom_joinstyle2,left_joinstyle,left_arm_joinstyle1,left_arm_joinstyle2,right_joinstyle,right_arm_joinstyle1,right_arm_joinstyle2,top_joinstyle1,top_joinstyle2,body,head,left_eye,left_eye_center,right_eye,right_eye_center]
for pln in polygon:ax.add_patch(pln)ax.axis([-1, 6, 0, 10])plt.show()