Matplotlib做图工具核心框架逻辑梳理

发布日期：2024-07-29 20:09    点击次数：88

本文简要介绍Matplotlib做图工具的系统架构，文章使用类图简要梳理Matplotlib的核心架构思路，立足于洞察工具的核心架构逻辑，支撑工具的日常使用。并对画布的四层级容器的作用和使用做演示说明。

本文简要介绍Matplotlib做图工具的系统架构，文章使用类图简要梳理Matplotlib的核心架构思路，立足于洞察工具的核心架构逻辑，支撑工具的日常使用。并对画布的四层级容器的作用和使用做演示说明。

用计算机工具做图，是现实世界中画画，本质需要准备的东西是一致的，主要包括画图工具和画布两大模块。

二、画图工具 1. 画图工具说明

画图工具就是各种笔，铅笔、水彩笔、刷子、颜料等，每种工具发挥的作用各有不同。

matplotlib采用面向对象设计架构，设计中肯定借鉴了该思路。区别是计算机程序不能完全对照现实的对象构建程序。

现实中，画家虽然需要准备各种画笔，但是最终有价值的是画家涂鸦的各种形状、色彩、布局等，画笔、颜料等只是实现涂鸦的手段。

计算机画图，本质是操作各种数字的变化涂鸦，所以画图工具，只需要构建各种可以用来组装的基本图形、颜色的积木和拼装平台即可。

下图中的rectangel、circle、line2d、axesimage等就是可供拼接的积木。window、figure、axes、axis就是积木拼接的平台。

2. 画图工具类图

按照面向对象的思想，大部分的架构都会划分为工具区和应用区。此处工具区的包括各种形状的定义、颜色、线条等。

三、 图像载体

画布属于图像载体，图像载体还包括其他间接载体，硬盘也是图像载体。

1. 图像载体说明

有了画图工具，接下来就需要画布。现实生活中可以在墙上、纸上、沙地上，各种载体都可以作为画布。显然，画在墙上，别人想参观，只能到现场，画到纸上，可以把纸带给别人，画在沙地上，风吹就会消失。

只有所承载的容器能被更大的容器容纳，能实现储存、运输、交换，这个载体才是好载体。

为了使图画能支撑更多的移动、组合，matplotlib使用了四层容器。

2. 图像载体类图

3. 载体承载关系图

容器承载的逻辑生活中到处都是：饼干密封到包装袋、然后一起包装到盒子、箱子里，装到运载车辆里，车辆在地球上，地球在宇宙中…

使用容器承载，就需要以对容器指定坐标系，用以确定承载物的位置关系。比如袋子装饼干、杯子接水，只是这种承载非常直观，我们并未显式的声明容器的位置关系。只有特别大的东西才会声明坐标系，比如地球的经纬度坐标系。

在计算机世界里，所有的东西都需要人工构建出来，所以所有的容器都需要声明坐标系。小到数值，大到对象、模块、应用程序，只是随着软件的发展，直接面向内存编码的任务更多的交给计算机软件自动执行了。

四、 单坐标系构图

虽然，容器层层包装的情况是普遍的，但是各个容器之间的关系并不是均等的，比如虽然饼干经过若干层的包装，但是只有饼干本身才是营养的最终承载者，其余的塑料包装、盒包装、箱包装、到汽车车厢等，其他所有的容器的意义都是为了方便饼干的保存、交易、运输等功能。

Axes在这四个包装容器的地位如同饼干相对于盒、箱、车厢包装的意义。

Axes是容器的核心，所有的画图工具都可以通过该对象直接访问，虽然axis是最小的容器，但是脱离Axes对象，Axis对象无法单独发挥作用。

1. 单坐标图的默认效果

如下图，坐标系的横坐标为：（-10，10）与函数x的区间完全一致。

该图使用x的数值边界作为坐标系x轴边界，此处（-10，10）被用作axis的默认值。

此种访问逻辑，没有显式的声明window、figure、axes、axis并不表示他们不存在，pyplot是用装饰器模式，将这四个对象的细节隐藏起来了，可以极大减少参数的输入，降低使用的复杂度。

2. 单坐标图调增坐标系范围

axis是坐标轴有两个轴，x轴和y轴的大小是分别调节实现的。

调整后的坐标轴和x，y的范围不一致了。该方式可以用于调整查看图形的视角。

对比可知，两条曲线从数值上看是完全相同的，但是坐标系的大小不同，可观察的视觉就不同。

3. 单坐标系叠加多图

如代码所示，如果仍然仅适用默认的axes，多个叠加的图，只能共享同一个坐标系。

五、多坐标系叠加多图

叠加多坐标轴图片时，必须显式的声明figure、axes，否则无法实现。

window不需要显式声明是因为，代码执行时系统会自动声明，每次执行就是一个window。

axis不需要显式声明是因为，axis与axes是一对一对应的并且是聚合关系，声明axes时，系统会自动声明axis。

figure、axes必须手动声明是因为，他们与父类都是组合关系，他们与父类组合时，需要每个子类以对象的维度单独声明。

由于figure、axes需要单独声明，所以需要输入的参数较多，非必要不要使用该方式。

此处要使用多个坐标轴，只能声明多个axes，无法单独声明axis，所以代码逻辑如下：

此处代码，figure,括号内可以无输入坐标信息，因为各个figure之间是相互独立的，figure内部各对象之间相互无影响。也可以输入任意数组。两个对象的区分靠变量名实现。

从图中一个x值对应两个y的值，说明这是两个函数的叠加。该方式访问十分复杂，非必要不要直接使用ax1对象访问。此处仅做示意。

六、 多图片布局

多个图片之间布局，位置定位有两种思路

绝对位置定位：用实际位置坐标定位图片位置相对位置定位：用数组自动将图片切分成相同大小的行和列，根据行和列的位置定位。

Axes在figure容器内，就需要定义准确的位置，距离左边框的数值left，距离下边框的bottom，axes自己的宽度width，axes自己的高度height。

Axes初始化时，需要作为显式参数传值。

2. 绝对坐标布局法实践

3. 相对坐标布局法说明

同一个画布上可以分为多个模块，分别作画。

画布的布局是用单元格的方式：

参数一：整个画布有几行参数二：当前行有几列参数三：当前是第几个子图位置

十以内，2，1，1与211效果等同。

示意图如下：

4. 绝对坐标布局法实践

七、 多图片自动切割

如图，同一个figure导出的图片是同一张，多个figure，每个figure都是独立的一张图片。

所以下面代码两个图片导出是独立的，axes的参数并不能影响两个axes之间的排序，因为他们不在一个容器里。

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题图来自Unsplash，基于CC0协议

发布于：广东省