第14章 Matplotlib數據可視化
Matplotlib是Python中做數據繪圖最常用的一個包，它提供了二維和三維繪圖功能，能繪製曲線、直方圖、柱狀圖、餅圖、僞色圖、等高線圖、極座標圖、三維曲面、三維等高線等各種圖，具有豐富的繪圖定製功能，能在圖中使用LaTeX標記輸出數學符號和公式，生成具有出版品質的圖。
Matplotlib最初是仿照MATLAB的繪圖功能開發的，matplotlib.pyplot模塊提供了類似於MATLAB的指令式繪圖功能，一般介紹Matplotlib繪圖功能的書也以介紹這種指令式繪圖爲主。但是這種方式適合於腳本化的程序中進行數據可視化，不適合於在GUI應用程序中繪圖。實際上Matplotlib是完全採用面向對象的方式設計的，圖的各個組成元素都有相應的類，通過類的接口可以完全控制Matplotlib的繪圖功能，適合於在GUI應用程序中嵌入數據可視化功能。
本章主要介紹Matplotlib的面向對象的繪圖功能，介紹Matplotlib繪圖涉及的各個主要類的使用，特別是在GUI應用程序中的使用。
14.1 Matplotlib的基本用法
14.2 圖的主要元素的面向對象操作
要對一個圖（Figure）的各個組成元素進行編程操作，首先要搞清楚圖的組成元素的名稱及其對應的類，然後纔可以使用類的屬性和接口函數進行操作。
Matplotlib官方例子程序anatomy.py繪製的一個圖完整地演示了一個圖的各個組成元素，圖14-3是anatomy.py運行時顯示的圖，實例Demo14_1目錄下有這個文件，讀者也可以從Matplotlib官網下載此程序的最新版本運行，並解讀其中的代碼。
圖14-3 Matplotlib官方例子程序anatomy.py繪製的圖
本節通過實例程序Demo14_2演示和介紹Matplotlib繪圖的主要對象的操作方法。實例Demo14_2是基於模板mainWindowApp的項目，只有一個主窗口，程序運行時的界面如圖14-4所示。
圖14-4 示例Demo14_2運行時界面
14.3 交互操作
使用Matplotlib繪圖還可以進行一些交互操作，最簡單的就是使用與FigureCanvas類對象關聯的NavigationToolbar類工具欄對圖表進行交互操作。此外，還可以使用FigureCanvas類提供的事件處理功能對鼠標和鍵盤事件進行響應，從而實現一些交互操作。
圖14-9 示例Demo14_3運行時界面
實例Demo14_3演示Matplotlib繪圖的一些交互功能的實現，程序運行時界面如圖14-9所示。這個程序實現瞭如下的一些功能：
- 對NavigationToolbar工具欄對象做了一些改造，使其顯示中文標題和提示信息，並且在工具欄上插入了幾個由自定義Actions創建的工具欄按鈕。
- 當鼠標在子圖上移動時，在狀態欄裏顯示鼠標光標處的座標數值。
- 當鼠標移動到一個子圖上時，設置顯示綠色背景顏色，鼠標離開子圖時背景顏色恢復爲白色，其功能類似於PyQt5中的hover()事件。
- 鼠標在曲線序列或散點序列上點擊時，可以拾取序列上的數據點，並在狀態欄上顯示拾取的信息。
- 使用鼠標滾輪可以對子圖進行縮放。NavigationToolbar工具欄提供的縮放功能只有矩形框選擇區域放大，或鼠標右鍵拖動縮放。
14.4 典型二維圖的繪製
在UI界面比較複雜時，希望在UI可視化設計時就放置一個類似於FigureCanvas的組件，而不是用代碼生成界面組件。爲此，我們設計了一個從QWidget繼承的繪圖組件類QmyFigureCanvas，在這個類裏創建一個FigureCanvas對象、一個Figure對象和一個NavigationToolbar工具欄，構成一個繪圖組件。在UI窗體可視化設計時，就可以放置一個QWidget組件然後提升爲QmyFigureCanvas類，這樣方便界面可視化設計。
基於自定義的類QmyFigureCanvas設計的示例Demo14_4，演示了幾種常見的二維圖的繪製。
圖14-16 “火柴桿圖”頁面
14.5 三維數據繪圖
Matplotlib可以繪製一些三維圖形，如三維曲面圖、三維線網圖、三維散點圖等。
本節通過實例Demo14_5簡單介紹Matplotlib中繪製三維曲面、三維線網圖和散點圖的方法。三維數據也可以用二維圖表現出來，例如一個三維曲面可以投影到X-Y平面上，用顏色表示一個點的Z軸的數值，這就是Axes類中的pcolormesh()、pcolor()等函數繪製的僞色圖。
圖14-18 示例Demo14_5運行時界面