在 Linux 中使用 matplotlib 进行科学画图

Question

如果你想要在 Linxu 中获得一个高效、自动化、高质量的科学画图的解决方案，应该考虑尝试下 matplotlib 库。Matplotlib 是基于 python 的开源科学测绘包，基于 python 软件基金会许可证发布。大量的文档和例子、集成了 Python 和 Numpy 科学计算包、以及自动化能力，是作为 Linux 环境中进行科学画图的可靠选择的几个原因。这个教程将提供几个用 matplotlib 画图的例子。

特性

• 支持众多的图表类型，如：bar,box,contour,histogram,scatter,line plots....
• 基于 python 的语法
• 集成 Numpy 科学计算包
• 数据源可以是 python 的列表、键值对和数组
• 可定制的图表格式（坐标轴缩放、标签位置及标签内容等)
• 可定制文本（字体，大小，位置...)
• 支持 TeX 格式（等式，符号，希腊字体...)
• 与 IPython 相兼容（允许在 python shell 中与图表交互）
• 自动化（使用 Python 循环创建图表）
• 用 Python 的循环迭代生成图片
• 保存所绘图片格式为图片文件，如：png,pdf,ps,eps,svg 等

基于 Python 语法的 matplotlib 是其许多特性和高效工作流的基础。世面上有许多用于绘制高质量图的科学绘图包，但是这些包允许你直接在你的 Python 代码中去使用吗？除此以外，这些包允许你创建可以保存为图片文件的图片吗？Matplotlib 允许你完成所有的这些任务。从而你可以节省时间，使用它你能够花更少的时间创建更多的图片。

安装

安装 Python 和 Numpy 包是使用 Matplotlib 的前提，安装 Numpy 的指引请见 该链接 。

可以通过如下命令在 Debian 或 Ubuntu 中安装 Matplotlib：

$ sudo apt-get install python-matplotlib 

在 Fedora 或 CentOS/RHEL 环境则可用如下命令：

$ sudo yum install python-matplotlib 

Matplotlib 例子

本教程会提供几个绘图例子演示如何使用 matplotlib:

• 离散图和线性图
• 柱状图
• 饼状图

在这些例子中我们将用 Python 脚本来执行 Mapplotlib 命令。注意 numpy 和 matplotlib 模块需要通过 import 命令在脚本中进行导入。

np 为 nuupy 模块的命名空间引用，plt 为 matplotlib.pyplot 的命名空间引用：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

例 1：离散和线性图

第一个脚本，script1.py 完成如下任务:

• 创建 3 个数据集（xData,yData1 和 yData2)
• 创建一个宽 8 英寸、高 6 英寸的图（赋值 1）
• 设置图画的标题、x 轴标签、y 轴标签（字号均为 14）
• 绘制第一个数据集：yData1 为 xData 数据集的函数，用圆点标识的离散蓝线，标识为"y1 data"
• 绘制第二个数据集：yData2 为 xData 数据集的函数，采用红实线，标识为"y2 data"
• 把图例放置在图的左上角
• 保存图片为 PNG 格式文件

script1.py 的内容如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

xData = np.arange(0, 10, 1)
yData1 = xData.__pow__(2.0)
yData2 = np.arange(15, 61, 5)
plt.figure(num=1, figsize=(8, 6))
plt.title('Plot 1', size=14)
plt.xlabel('x-axis', size=14)
plt.ylabel('y-axis', size=14)
plt.plot(xData, yData1, color='b', linestyle='--', marker='o', label='y1 data')
plt.plot(xData, yData2, color='r', linestyle='-', label='y2 data')
plt.legend(loc='upper left')
plt.savefig('images/plot1.png', format='png')

所画之图如下：

例 2：柱状图

第二个脚本，script2.py 完成如下任务：

• 创建一个包含 1000 个随机样本的正态分布数据集。
• 创建一个宽 8 英寸、高 6 英寸的图（赋值 1）
• 设置图的标题、x 轴标签、y 轴标签（字号均为 14）
• 用 samples 这个数据集画一个 40 个柱状，边从-10 到 10 的柱状图
• 添加文本,用 TeX 格式显示希腊字母 mu 和 sigma(字号为 16）
• 保存图片为 PNG 格式。

script2.py 代码如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

mu = 0.0
sigma = 2.0
samples = np.random.normal(loc=mu, scale=sigma, size=1000)
plt.figure(num=1, figsize=(8, 6))
plt.title('Plot 2', size=14)
plt.xlabel('value', size=14)
plt.ylabel('counts', size=14)
plt.hist(samples, bins=40, range=(-10, 10))
plt.text(-9, 100, r'$\mu$ = 0.0, $\sigma$ = 2.0', size=16)
plt.savefig('images/plot2.png', format='png')

结果见如下链接：

例 3：饼状图

第三个脚本，script3.py 完成如下任务：

• 创建一个包含 5 个整数的列表
• 创建一个宽 6 英寸、高 6 英寸的图（赋值 1）
• 添加一个长宽比为 1 的轴图
• 设置图的标题（字号为 14）
• 用 data 列表画一个包含标签的饼状图
• 保存图为 PNG 格式

脚本 script3.py 的代码如下：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

data = [33, 25, 20, 12, 10]
plt.figure(num=1, figsize=(6, 6))
plt.axes(aspect=1)
plt.title('Plot 3', size=14)
plt.pie(data, labels=('Group 1', 'Group 2', 'Group 3', 'Group 4', 'Group 5'))
plt.savefig('images/plot3.png', format='png')

结果如下链接所示：

总结

这个教程提供了几个用 matplotlib 科学画图包进行画图的例子，Matplotlib 是在 Linux 环境中用于解决科学画图的绝佳方案，表现在其无缝地和 Python、Numpy 连接、自动化能力，和提供多种自定义的高质量的画图产品。