在Linux中使用matplotlib進行科學畫圖

如果你想要在Linxu中獲得一個高效、自動化、高品質的科學畫圖的解決方案，應該考慮嘗試下matplotlib庫。Matplotlib是基於Python的開源科學測繪包，基於python軟體基金會許可證發布。大量的文件和例子、整合了Python和Numpy科學計算包、以及自動化能力，是作為Linux環境中進行科學畫圖的可靠選擇的幾個原因。這個教學將提供幾個用matplotlib畫圖的例子。

特性

• 支援眾多的圖表型別，如：bar,box,contour,histogram,scatter,line plots....
• 基於python的語法
• 整合Numpy科學計算包
• 資料來源可以是 python 的列表、鍵值對和陣列
• 可客製化的圖表格式（坐標軸縮放、標籤位置及標籤內容等)
• 可客製化文字（字型，大小，位置...)
• 支援TeX格式（等式，符號，希臘字型...)
• 與IPython相相容（允許在 python shell 中與圖表互動）
• 自動化（使用 Python 迴圈建立圖表）
• 用Python 的迴圈疊代生成圖片
• 儲存所繪圖片格式為圖片檔案，如：png,pdf,ps,eps,svg等

基於Python語法的matplotlib是其許多特性和高效工作流的基礎。世面上有許多用於繪製高品質圖的科學繪圖包，但是這些包允許你直接在你的Python程式碼中去使用嗎？除此以外，這些包允許你建立可以儲存為圖片檔案的圖片嗎？Matplotlib允許你完成所有的這些任務。從而你可以節省時間，使用它你能夠花更少的時間建立更多的圖片。

安裝

安裝Python和Numpy包是使用Matplotlib的前提，安裝Numpy的指引請見該連結。

可以通過如下命令在Debian或Ubuntu中安裝Matplotlib：

1. $ sudo apt-get install python-matplotlib

在Fedora或CentOS/RHEL環境則可用如下命令：

1. $ sudo yum install python-matplotlib

Matplotlib 例子

本教學會提供幾個繪圖例子演示如何使用matplotlib:

• 離散圖和線性圖
• 柱狀圖
• 餅狀圖

在這些例子中我們將用Python指令碼來執行Mapplotlib命令。注意numpy和matplotlib模組需要通過import命令在指令碼中進行匯入。

np為nuupy模組的名稱空間參照，plt為matplotlib.pyplot的名稱空間參照：

1. import numpy as np
2. import matplotlib.pyplot as plt

例1：離散和線性圖

第一個指令碼，script1.py 完成如下任務:

• 建立3個資料集（xData,yData1和yData2)
• 建立一個寬8英寸、高6英寸的圖(賦值1）
• 設定圖畫的標題、x軸標籤、y軸標籤（字號均為14）
• 繪製第一個資料集：yData1為xData資料集的函數，用圓點標識的離散藍線，標識為"y1 data"
• 繪製第二個資料集：yData2為xData資料集的函數，採用紅實線，標識為"y2 data"
• 把圖例放置在圖的左上角
• 儲存圖片為PNG格式檔案

script1.py的內容如下：

1. import numpy as np
2. import matplotlib.pyplot as plt
3.  
4. xData = np.arange(0,10,1)
5. yData1 = xData.__pow__(2.0)
6. yData2 = np.arange(15,61,5)
7. plt.figure(num=1, figsize=(8,6))
8. plt.title('Plot 1', size=14)
9. plt.xlabel('x-axis', size=14)
10. plt.ylabel('y-axis', size=14)
11. plt.plot(xData, yData1, color='b', linestyle='--', marker='o', label='y1 data')
12. plt.plot(xData, yData2, color='r', linestyle='-', label='y2 data')
13. plt.legend(loc='upper left')
14. plt.savefig('images/plot1.png', format='png')

所畫之圖如下：

例2：柱狀圖

第二個指令碼，script2.py 完成如下任務：

• 建立一個包含1000個隨機樣本的正態分布資料集。
• 建立一個寬8英寸、高6英寸的圖(賦值1）
• 設定圖的標題、x軸標籤、y軸標籤（字號均為14）
• 用samples這個資料集畫一個40個柱狀，邊從-10到10的柱狀圖
• 新增文字,用TeX格式顯示希臘字母mu和sigma(字號為16）
• 儲存圖片為PNG格式。

script2.py程式碼如下：

1. import numpy as np
2. import matplotlib.pyplot as plt
3.  
4. mu =0.0
5. sigma =2.0
6. samples = np.random.normal(loc=mu, scale=sigma, size=1000)
7. plt.figure(num=1, figsize=(8,6))
8. plt.title('Plot 2', size=14)
9. plt.xlabel('value', size=14)
10. plt.ylabel('counts', size=14)
11. plt.hist(samples, bins=40, range=(-10,10))
12. plt.text(-9,100, r'$mu$ = 0.0, $sigma$ = 2.0', size=16)
13. plt.savefig('images/plot2.png', format='png')

結果見如下連結：

例3：餅狀圖

第三個指令碼，script3.py 完成如下任務：

• 建立一個包含5個整數的列表
• 建立一個寬6英寸、高6英寸的圖(賦值1）
• 新增一個長寬比為1的軸圖
• 設定圖的標題（字號為14）
• 用data列表畫一個包含標籤的餅狀圖
• 儲存圖為PNG格式

指令碼script3.py的程式碼如下：

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

結果如下連結所示：

總結

這個教學提供了幾個用matplotlib科學畫圖包進行畫圖的例子，Matplotlib是在Linux環境中用於解決科學畫圖的絕佳方案，表現在其無縫地和Python、Numpy連線、自動化能力，和提供多種自定義的高品質的畫圖產品。matplotlib包的文件和例子詳見這裡。