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一、什麼是形狀和路徑

在一般的使用matplotlib進行繪圖的時候，線形圖、條形圖、折線圖、扇形圖等等都是我們常見的一些繪圖函式，但是有時候我們需要繪製一些特殊的形狀和路徑，比如我們要繪製一個橢圓，我們當然可以通過橢圓的函式表示式，然後選取一系列的（x,y)的座標值進行依次相連，但是這樣效率低下，而且不太好看。

1、形狀

指的是matplotlib.patches包裡面的一些列物件，比如我們常見的箭頭，正方形，橢圓等等，也稱之為“塊”

2、路徑

什麼是路徑？

表示一系列可能斷開的、可能已關閉的線和曲線段。

指的是matplotlib.path裡面所實現的功能，最簡單的路徑就是比如一條任意的曲線都可以看成是路徑。比如我要繪製一個心形，就需要通過路徑去完成。

但是畫圖我們說最重要的是畫圖的步驟，下面以橢圓為例詳細講解繪製基本形狀的一般步驟。

二、形狀的畫圖步驟：

1、第一步：建立畫圖物件以及子圖

這一步和前面的一般畫圖方式沒有什麼區別，主要實現以下兩句話

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(211, aspect='auto')
 

2、第二步：建立相對應的形狀——建立橢圓

e1 = patches.Ellipse((xcenter, ycenter), width, height,angle=angle, linewidth=2, fill=False, zorder=2)

等價於：

e2 = patches.Arc((xcenter, ycenter), width, height,angle=angle, linewidth=2, fill=False, zorder=2)

因為Arc是繼承自Ellipse類的，故而等價。

注意：上面的橢圓是通過patches包裡面的類完成的，如果是比較常用的，比如Circle，也可以通過plt去實現。即

c1=plt.Circle(相關引數）

plt只實現了常用的幾個，如Rectangle、Circle、Polygon這三個，它們可以通過plt.xxxx()的形式加以建立，如果要建立更多型別更復雜的圖形，則使用patches模組。

補充：建立一個圖形實際上就是呼叫它的建構函式即可，但是建構函式有許多的引數可選，這裡不一一說明，僅僅以橢圓Arc為例加以說明，其他圖形可以檢視定義或者是相關文件：

有效的引數如下：

Property	Description
agg_filter	a filter function, which takes a (m, n, 3) float array and a dpi value, and returns a (m, n, 3) array
alpha	float or None
animated	bool
antialiased	unknown
capstyle	{'butt', 'round', 'projecting'}
clip_box	Bbox
clip_on	bool
clip_path	[(Path, Transform) | Patch | None]
color	color
contains	callable
edgecolor	color or None or 'auto'
facecolor	color or None
figure	Figure
fill	bool
gid	str
hatch	{'/', '\', '|', '-', '+', 'x', 'o', 'O', '.', '*'}
in_layout	bool
joinstyle	{'miter', 'round', 'bevel'}
label	object
linestyle	{'-', '--', '-.', ':', '', (offset, on-off-seq), ...}
linewidth	float or None for default
path_effects	AbstractPathEffect
picker	None or bool or float or callable
rasterized	bool or None
sketch_params	(scale: float, length: float, randomness: float)
snap	bool or None
transform	Transform
url	str
visible	bool
zorder	float

3、第三步：將圖形新增到圖中——這是非常核心的一步

光建立一個圖形物件還不夠，還需要新增進“ Axes ”物件裡面去，即我們所建立的ax物件，使用它的add_patch()方法

ax.add_patch(e1)

ax.add_patch(e2)

除此之外，還可以將每一個形狀先新增到一個集合裡面，然後再將容納了多個patch物件的集合新增進ax物件裡面，等價如下：

patches=[]      #建立容納物件的集合

patches.append(e1)   #將建立的形狀全部放進去

patches.append(e2)

collection=PatchCollection(patches)  #構造一個Patch的集合

ax.add_collection(collection)    #將集合新增進axes物件裡面去

 

plt.show() #最後顯示圖片即可

上述案例的完整程式碼如下

import numpy as np
from matplotlib import patches
import matplotlib.pyplot as plt

#繪製一個橢圓需要制定橢圓的中心，橢圓的長和高
xcenter, ycenter = 1,1
width, height = 0.8,0.5
angle = -30  #橢圓的旋轉角度

#第一步：建立繪圖物件
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(211, aspect='auto')
ax.set_xbound(-1,3)
ax.set_ybound(-1,3)

#第二步
e1 = patches.Ellipse((xcenter, ycenter), width, height,
                     angle=angle, linewidth=2, fill=False, zorder=2)

#第三步
ax.add_patch(e1)

#第一步
ax = fig.add_subplot(212, aspect='equal')
ax.set_xbound(-1,3)
ax.set_ybound(-1,3)

#第二步
e2 = patches.Arc((xcenter, ycenter), width, height,
                     angle=angle, linewidth=2, fill=False, zorder=2)

#第三步
ax.add_patch(e2)

plt.show()

使用集合的原始碼如下：

import numpy as np
from matplotlib import patches
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.collections import PatchCollection


#繪製一個橢圓需要制定橢圓的中心，橢圓的長和高
xcenter, ycenter = 1,1
width, height = 0.8,0.5
angle = -30  #橢圓的旋轉角度

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(211, aspect='auto')
ax.set_xbound(-1,3)
ax.set_ybound(-1,3)

e1 = patches.Ellipse((0, 0), width, height,
                     angle=angle, linewidth=2, fill=False, zorder=2)

e2 = patches.Arc((2, 2), width=3, height=2,
                     angle=angle, linewidth=2, fill=False, zorder=2)


patches=[]
patches.append(e1)
patches.append(e2)
collection=PatchCollection(patches)
ax.add_collection(collection)

plt.show()

執行結果如下：

三、patches模組中型別大全

patches所有的型別都在matplotlib.patches包中，因此需要事先匯入

Classes

Arc(xy, width, height[, angle, theta1, theta2])	An elliptical arc.
Arrow(x, y, dx, dy[, width])	An arrow patch.
ArrowStyle	ArrowStyle is a container class which defines several arrowstyle classes, which is used to create an arrow path along a given path.
BoxStyle	BoxStyle is a container class which defines several boxstyle classes, which are used for FancyBboxPatch.
Circle(xy[, radius])	A circle patch.
CirclePolygon(xy[, radius, resolution])	A polygon-approximation of a circle patch.
ConnectionPatch(xyA, xyB, coordsA[, ...])	A ConnectionPatch class is to make connecting lines between two points (possibly in different axes).
ConnectionStyle	ConnectionStyle is a container class which defines several connectionstyle classes, which is used to create a path between two points.
Ellipse(xy, width, height[, angle])	A scale-free ellipse.
FancyArrow(x, y, dx, dy[, width, ...])	Like Arrow, but lets you set head width and head height independently.
FancyArrowPatch([posA, posB, path, ...])	A fancy arrow patch.
FancyBboxPatch(xy, width, height[, ...])	Draw a fancy box around a rectangle with lower left at xy*=(*x, y) with specified width and height.
Patch([edgecolor, facecolor, color, ...])	A patch is a 2D artist with a face color and an edge color.
PathPatch(path, **kwargs)	A general polycurve path patch.
Polygon(xy[, closed])	A general polygon patch.
Rectangle(xy, width, height[, angle])	Draw a rectangle with lower left at xy = (x, y) with specified width, height and rotation angle.
RegularPolygon(xy, numVertices[, radius, ...])	A regular polygon patch.
Shadow(patch, ox, oy[, props])	Create a shadow of the given patch offset by ox, oy.
Wedge(center, r, theta1, theta2[, width])	Wedge shaped patch.

四、圖形的綜合應用案例

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import matplotlib.path as mpath
import matplotlib.lines as mlines
import matplotlib.patches as mpatches
from matplotlib.collections import PatchCollection

#定義函式，給每一個patch都設定標籤說明
def label(xy, text):
    y = xy[1] - 0.15  # 標籤放置在patch下方的0.15位置處
    plt.text(xy[0], y, text, ha="center", family='sans-serif', size=14)


fig, ax = plt.subplots()
# 建立一個3x3的網格
grid = np.mgrid[0.2:0.8:3j, 0.2:0.8:3j].reshape(2, -1).T

#建立容納patch的集合
patches = []

# 新增一個圓Circle
circle = mpatches.Circle(grid[0], 0.1, ec="none")
patches.append(circle) 
label(grid[0], "Circle")

# 新增一個Rectangle
rect = mpatches.Rectangle(grid[1] - [0.025, 0.05], 0.05, 0.1, ec="none")
patches.append(rect)
label(grid[1], "Rectangle")

# 新增一個楔形，即圓的一部分
wedge = mpatches.Wedge(grid[2], 0.1, 30, 270, ec="none")
patches.append(wedge)
label(grid[2], "Wedge")

# 新增一多邊形，這裡新增一個五邊形
polygon = mpatches.RegularPolygon(grid[3], 5, 0.1)
patches.append(polygon)
label(grid[3], "Polygon")

# 新增一個橢圓，也可以使用Arc
ellipse = mpatches.Ellipse(grid[4], 0.2, 0.1)
patches.append(ellipse)
label(grid[4], "Ellipse")

# 新增一個箭頭
arrow = mpatches.Arrow(grid[5, 0] - 0.05, grid[5, 1] - 0.05, 0.1, 0.1,
                       width=0.1)
patches.append(arrow)
label(grid[5], "Arrow")

# 新增一個路徑path，路徑的詳細解釋後面會講到，相比於簡單的patch，稍顯複雜
Path = mpath.Path
path_data = [
    (Path.MOVETO, [0.018, -0.11]),
    (Path.CURVE4, [-0.031, -0.051]),
    (Path.CURVE4, [-0.115, 0.073]),
    (Path.CURVE4, [-0.03, 0.073]),
    (Path.LINETO, [-0.011, 0.039]),
    (Path.CURVE4, [0.043, 0.121]),
    (Path.CURVE4, [0.075, -0.005]),
    (Path.CURVE4, [0.035, -0.027]),
    (Path.CLOSEPOLY, [0.018, -0.11])]
codes, verts = zip(*path_data)
path = mpath.Path(verts + grid[6], codes)
patch = mpatches.PathPatch(path)
patches.append(patch)
label(grid[6], "PathPatch")

# 新增一個box
fancybox = mpatches.FancyBboxPatch(
    grid[7] - [0.025, 0.05], 0.05, 0.1,
    boxstyle=mpatches.BoxStyle("Round", pad=0.02))
patches.append(fancybox)
label(grid[7], "FancyBboxPatch")

# 新增一條折線——注意這裡的折線和前面所畫的這顯示不一樣的，這裡的折線是一個形狀
x, y = np.array([[-0.06, 0.0, 0.1], [0.05, -0.05, 0.05]])
line = mlines.Line2D(x + grid[8, 0], y + grid[8, 1], lw=5., alpha=0.3)
label(grid[8], "Line2D")

colors = np.linspace(0, 1, len(patches))
#將patch集合包裝成PatchCollection
collection = PatchCollection(patches, cmap=plt.cm.hsv, alpha=0.3)
collection.set_array(np.array(colors))
#將PatchCollection新增給axes物件
ax.add_collection(collection) 
#將折線新增到axes物件
ax.add_line(line)

plt.axis('equal')
plt.axis('off')
plt.tight_layout()

plt.show()

上面程式碼的執行結果如下：

五、路徑path

1、例項

路徑裡面所涉及到的類容相對較多，這裡只介紹簡單的應用。首先通過一個例子加以說明。這個例子是要繪製一個簡單的矩形路徑。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.path import Path
import matplotlib.patches as patches

#import matplotlib.patheffects
#import matplotlib.transforms

verts = [
    (0., 0.), # 矩形左下角的座標(left,bottom)
    (0., 1.), # 矩形左上角的座標(left,top)
    (1., 1.), # 矩形右上角的座標(right,top)
    (1., 0.), # 矩形右下角的座標(right, bottom)
    (0., 0.), # 封閉到起點    ]

codes = [Path.MOVETO,
         Path.LINETO,
         Path.LINETO,
         Path.LINETO,
         Path.CLOSEPOLY,
         ]

path = Path(verts, codes) #建立一個路徑path物件

#依然是三步走
#第一步：建立畫圖物件以及建立子圖物件
fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)

#第二步：建立一個patch，路徑依然也是通過patch實現的，只不過叫做pathpatch
patch = patches.PathPatch(path, facecolor='orange', lw=2)

#第三步：將建立的patch新增到axes物件中
ax.add_patch(patch)

#顯示
ax.set_xlim(-2,2)
ax.set_ylim(-2,2)
plt.show()

執行結果如下所示：

總結：通過上面的例子顯示，繪製 “路徑” 的過程和繪製普通的 “patch” 是大致一樣的，依然是遵循一個 “三步走”的步驟，核心在於第二步，也是要建立一個PathPatch物件，它也是來自於patches包，和普通的rectangle，circle是等價的概念，

patch = patches.PathPatch(path, facecolor='orange', lw=2)

但是這裡的path物件是要事先自己建立的。

總結：實際上，我們

matplotlib中的rectangle、circle、polygon等所有簡單的簡單圖形都採用簡單的路徑path去實現的，只不過用類的形式進行了更高階的封裝。像直方圖hist () 和 條形圖bar ()這樣的繪圖函式建立了許多基元影象，它們的本質也是通過路徑去實現的, 下面將使用路徑去繪製一個條形統計圖。

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.patches as patches
import matplotlib.path as path

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111)

# 固定隨機數種子
np.random.seed(19680801)

# 產生1000組隨機數，並進行組織
data = np.random.randn(1000)
n, bins = np.histogram(data, 100)
print(data.shape,n.shape,bins.shape,sep='   ')

# 得到每一個條形圖的四個角落的位置
left = np.array(bins[:-1])
right = np.array(bins[1:])
bottom = np.zeros(len(left))
top = bottom + n
nrects = len(left)

nverts = nrects*(1+3+1)
verts = np.zeros((nverts, 2))
codes = np.ones(nverts, int) * path.Path.LINETO
codes[0::5] = path.Path.MOVETO
codes[4::5] = path.Path.CLOSEPOLY
verts[0::5,0] = left
verts[0::5,1] = bottom
verts[1::5,0] = left
verts[1::5,1] = top
verts[2::5,0] = right
verts[2::5,1] = top
verts[3::5,0] = right
verts[3::5,1] = bottom

#第二步：構造patches物件
barpath = path.Path(verts, codes)
patch = patches.PathPatch(barpath, facecolor='green', edgecolor='yellow', alpha=0.5)

#新增patch到axes物件
ax.add_patch(patch)

ax.set_xlim(left[0], right[-1])
ax.set_ylim(bottom.min(), top.max())

plt.show()

執行結果如下：

總結：從上面可以得知，我們的繪圖，包括條形圖，扇形圖等都是通過基本的簡單的路徑path去實現的，但是這樣做起來很麻煩，喊不簡單，因而使用hist、bar等高層函式進一步封裝，簡化繪圖操作。

2、path物件

首先需要匯入matplotlib.path模組。

在使用路徑的時候一般需要兩個重要的引數，Path類的定義如下：

class Path(vertices, codes=None, _interpolation_steps=1, closed=False, readonly=False)

故而需要傳遞兩個必要的引數：

rectpath = path.Path(vertices, codes)

那麼vertices和codes到底是什麼意思呢？

vertices是指的是路徑path所經過的關鍵點的一系列座標（x,y)

codes指的是點與點之間到底是怎麼連線的，是直線連線？曲線連線？還是。。。

（1）vertices

vertices = [

(0., 0.), # left, bottom

(0., 1.), # left, top

(1., 1.), # right, top

(1., 0.), # right, bottom

(0., 0.), # ignored

]

（2）codes

codes = [

Path.MOVETO,

Path.LINETO,

Path.LINETO,

Path.LINETO,

Path.CLOSEPOLY,

]

path = Path(verts, codes)  #建立path物件。vertices好理解，那麼codes到底什麼意思？

 

• MOVETO :拿起鋼筆, 移動到給定的頂點。一般指的是 “起始點” 

• LINETO :從當前位置繪製直線到給定頂點。

• CURVE3 :從當前位置 (用給定控制點) 繪製一個二次貝塞爾曲線到給定端點。

• CURVE4 :從當前位置 (與給定控制點) 繪製三次貝塞爾曲線到給定端點。

• CLOSEPOLY :將線段繪製到當前折線的起始點。

• STOP :整個路徑末尾的標記 (當前不需要和忽略)

總結：在建立vertices和codes的時候，每個點和每一個codes是對應著的，如上面所示，一定要注意這樣的對應關係。

（3）path物件的另一種實現

path_data = [

(Path.MOVETO, [0.018, -0.11]),  #起點

(Path.CURVE4, [-0.031, -0.051]),

(Path.CURVE4, [-0.115, 0.073]),

(Path.CURVE4, [-0.03, 0.073]),

(Path.LINETO, [-0.011, 0.039]),

(Path.CURVE4, [0.043, 0.121]),

(Path.CURVE4, [0.075, -0.005]),

(Path.CURVE4, [0.035, -0.027]),

(Path.CLOSEPOLY, [0.018, -0.11])]  #閉合到起點

codes, verts = zip(*path_data)   #使用內建的Zip函式

heartpath = path.Path(verts, codes)   #建立Path物件

patch = mpatches.PathPatch(path)    #將path包裝成一個patch物件

patches.append(patch)

3、補充

上面知識介紹了一些最基本的路徑path的操作，路徑的各種操作很複雜，還有各種各樣的路徑操作函式，還有路徑效果和相關的一些操作，在

import matplotlib.patheffects

import matplotlib.transforms

這兩個模組裡面，關於這兩個模組的操作，這理由不討論了，有興趣可以查閱官方文件。