1．示例程序和運(yùn)行效果

一般的書上介紹Matplotlib的繪圖功能都主要是介紹matplotlib.pyplot模塊中的指令式繪圖功能，因?yàn)檫@種方式與MATLAB很相似，使用過(guò)MATLAB的人轉(zhuǎn)而使用Matplotlib繪圖會(huì)比較容易上手。但是這種方式將繪圖的效果都固定在程序里了，例如曲線的顏色、線條類型等，如果要修改就需要修改源程序重新運(yùn)行，所以這種方式只適合做研究時(shí)的快速數(shù)據(jù)可視化，不能做成GUI應(yīng)用程序進(jìn)行交互式繪圖。

Matplotlib是完全采用面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)的，圖的各個(gè)組成元素，如圖、子圖、坐標(biāo)軸、曲線等都有相應(yīng)的類，還有各種涉及圖的操作的類。通過(guò)類的接口函數(shù)和屬性可以對(duì)圖的各個(gè)組成元素進(jìn)行完全的控制，這種方法稱為面向?qū)ο螅∣bject-Oriented，OO）方法。面向?qū)ο蠓椒ㄟm合在GUI應(yīng)用程序中使用，因?yàn)樵诔绦蛑锌梢詫?duì)這些對(duì)象實(shí)例進(jìn)行操作。

下面先用一個(gè)簡(jiǎn)單的程序演示在GUI應(yīng)用程序中使用Matplotlib的面向?qū)ο蠓椒ɡL圖的基本方法。示例Demo14_1目錄下的文件Demo14_1GUI.py的完整代碼如下：

## 程序文件： Demo14_1GUI.py
## 使用matplotlib 面向?qū)ο蠓椒ㄔ贕UI中繪圖
import sys
import numpy as np
import matplotlib as mpl
from matplotlib.backends.backend_qt5agg import (FigureCanvas,
 NavigationToolbar2QT as NavigationToolbar)
from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QMainWindow
from PyQt5.QtCore import Qt

class QmyMainWindow(QMainWindow): 
 def __init__(self, parent=None):
 super().__init__(parent) #調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù)
 self.setWindowTitle("Demo14_1, GUI中的matplotlib繪圖")
## rcParams[]參數(shù)設(shè)置，以正確顯示漢字
 mpl.rcParams['font.sans-serif']=['KaiTi','SimHei'] #漢字字體
 mpl.rcParams['font.size']=12 #字體大小
 mpl.rcParams['axes.unicode_minus']=False #正常顯示負(fù)號(hào)
 self.__iniFigure() #創(chuàng)建繪圖系統(tǒng)，初始化窗口
 self.__drawFigure() #繪圖

##==========自定義函數(shù)=================def __iniFigure(self): ##創(chuàng)建繪圖系統(tǒng)，初始化窗口
 self.__fig=mpl.figure.Figure(figsize=(8, 5)) #單位英寸
 self.__fig.suptitle("plot in GUI application") #總的圖標(biāo)題
 figCanvas=FigureCanvas(self.__fig) #創(chuàng)建FigureCanvas對(duì)象
 naviToolbar=NavigationToolbar(figCanvas, self) #創(chuàng)建工具欄
 naviToolbar.setToolButtonStyle(Qt.ToolButtonTextUnderIcon) 
 self.addToolBar(naviToolbar) #添加工具欄到主窗口
 self.setCentralWidget(figCanvas) 

 def __drawFigure(self): ##繪圖
 t=np.linspace(0, 10, 40)
 y1=np.sin(t)
 y2=np.cos(2*t)

 ax1=self.__fig.add_subplot(1,2,1) #matplotlib.axes.Axes 類
 ax1.plot(t,y1,'r-o',label="sin", linewidth=1, markersize=5) 
 ax1.plot(t,y2,'b:',label="cos",linewidth=2) 
 ax1.set_xlabel('X 軸') #x軸標(biāo)題
 ax1.set_ylabel('Y 軸',fontsize=14) #y軸標(biāo)題
 ax1.set_xlim([0,10]) 
 ax1.set_ylim([-1.5,1.5]) 
 ax1.set_title("曲線") #子圖標(biāo)題
 ax1.legend() #自動(dòng)創(chuàng)建圖例

 ax2=self.__fig.add_subplot(1,2,2) #matplotlib.axes.Axes 類
 week=["Mon","Tue","Wed","Thur","Fri","Sat","Sun"] 
 sales=np.random.randint(200,400,7)
 ax2.bar(week,sales) #繪制柱狀圖
 ax2.set_xlabel('week days') #x軸標(biāo)題
 ax2.set_ylabel('參觀人數(shù)') #y軸標(biāo)題
 ax2.set_title("柱狀圖") #子圖標(biāo)題

##============窗體測(cè)試程序================================if __name__=="__main__": 
 app=QApplication(sys.argv) 
 form=QmyMainWindow() 
 form.show()
 sys.exit(app.exec_())

程序運(yùn)行時(shí)的界面如圖 14-2所示。注意這個(gè)程序是用PyQt5的GUI應(yīng)用程序框架創(chuàng)建的。為了減少程序的復(fù)雜度，沒(méi)有使用可視化方法設(shè)計(jì)UI窗體，而是采用純代碼的方式。程序中定義了一個(gè)基于QMainWindow的窗口類QmyMainWindow，界面構(gòu)造和繪圖都是在QmyMainWindow的構(gòu)造函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的。

圖14-2　使用Matplotlib繪圖的PyQt5 GUI程序界面

2．后端（backend）

Matplotlib的繪圖結(jié)果可以有各種輸出形式，例如在Python交互式環(huán)境中輸出繪圖結(jié)果，嵌入到wxpython、pygtk、Qt等GUI框架中輸出繪圖結(jié)果，將繪圖結(jié)果輸出為圖片文件，或在Web應(yīng)用程序中輸出繪圖結(jié)果。要實(shí)現(xiàn)這些不同的輸出，Matplotlib需要有不同的處理方法，這些不同的輸出功能就稱為后端（backend）。而相對(duì)的就是前端（frontend），是用戶面對(duì)的代碼。例如，對(duì)于一段相同的前端繪圖代碼，后端就是實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景后面的工作以生成繪圖輸出。

有兩種后端，一種是用戶界面后端（也稱為交互式后端），例如用于wxpython、pygtk、tkinter、qt4、qt5、macosx的后端，另一種是用于生成圖片文件的后端，如生成PNG、SVG、PDF等文件。

對(duì)于用戶界面后端，Matplotlib還將渲染器（renderer）和畫布（canvas）分離開(kāi)來(lái)，以實(shí)現(xiàn)更靈活的定制功能。Matplotlib使用的主要的渲染器是基于Anti-Grain Geometry C++庫(kù)的Agg渲染器。除了macosx，所有的用戶界面都使用Agg渲染器，因而有WXAgg、GTK3Agg、QT4Agg、QT5Agg、TkAgg等。有些用戶界面也支持其他的渲染器，如Cairo渲染器，因而有GTK3Cairo、QT4Cairo、QT5Cairo等。

在Matplotlib安裝目錄的“backends”子目錄里是這些后端的模塊文件，例如有backend_ gtk3agg.py、backend_gtk3cairo.py、backend_qt5agg.py、backend_qt5cairo.py等。本書只考慮QT5Agg渲染器，所以在程序的import部分有如下的語(yǔ)句：

from matplotlib.backends.backend_qt5agg import (
 FigureCanvas, NavigationToolbar2QT as NavigationToolbar)

這是從matplotlib.backends.backend_qt5agg模塊中導(dǎo)入了FigureCanvas類和NavigationToolbar2QT類，并將NavigationToolbar2QT類重命名為NavigationToolbar。

追蹤查看FigureCanvas類的源程序，可以發(fā)現(xiàn)它的上層父類之一是QWidget，所以，它是用于在PyQt5 GUI界面上顯示Matplotlib繪圖結(jié)果的Widget組件。要在PyQt5 GUI窗體上顯示Matplotlib繪圖結(jié)果，必須創(chuàng)建一個(gè)FigureCanvas界面組件，就如同使用PyQtChart模塊繪制圖表時(shí)需要先創(chuàng)建一個(gè)QChartView界面組件。

3．程序解讀

（1）為正常顯示漢字的設(shè)置

在自定義類QmyMainWindow的構(gòu)造函數(shù)里實(shí)現(xiàn)窗體界面構(gòu)造和Matplotlib繪圖。

首先對(duì)Matplotlib的全局設(shè)置做一些修改，以便正確顯示漢字。可以修改全局字典變量matplotlib.rcParams里的參數(shù)，也可以修改配置文件matplotlibrc的內(nèi)容。程序中的設(shè)置語(yǔ)句如下：

mpl.rcParams['font.sans-serif']=['KaiTi','SimHei'] #漢字字體
mpl.rcParams['font.size']=12 #字體大小
mpl.rcParams['axes.unicode_minus']=False #正常顯示負(fù)號(hào)

第1行語(yǔ)句是設(shè)置字體族（font family）“sans-serif”的參數(shù)，第3行語(yǔ)句是為了正常顯示負(fù)號(hào)。

Matplotlib中將字體分為5種字體族，分別是“serif”“sans-serif”“cursive”“fantasy”“monospace”，每一種字體族可以設(shè)定多種字體。在默認(rèn)的matplotlibrc文件中使用的字體族是“sans-serif”，這個(gè)字體族的字體不包含漢字字體，所以無(wú)法正常顯示漢字。

第1行語(yǔ)句將’font.sans-serif’參數(shù)設(shè)置為[‘KaiTi’, ‘SimHei’]，Matplotlib將優(yōu)先使用字體’KaiTi’，如果找不到這個(gè)字體的字體文件，就使用后面的字體’SimHei’，可以為一個(gè)字體族設(shè)置多個(gè)字體。Windows系統(tǒng)中常見(jiàn)的漢字字體名稱如下。

• KaiTi=楷體；SimHei=黑體；FangSong=仿宋。
• STSong=華文宋體；STFangsong=華文仿宋；STHeiti=華文黑體。

關(guān)于字體的設(shè)置可以查看配置文件matplotlibrc的默認(rèn)內(nèi)容，在Matplotlib 3.0.0用戶手冊(cè)的第89頁(yè)。

（2）創(chuàng)建繪圖界面組件的函數(shù)__iniFigure()

構(gòu)造函數(shù)里調(diào)用自定義函數(shù)__iniFigure()創(chuàng)建繪圖相關(guān)的界面組件，此函數(shù)的完整代碼見(jiàn)前面的程序清單。程序首先創(chuàng)建了一個(gè)matplotlib.figure.Figure類對(duì)象self.__fig：

self.__fig=mpl.figure.Figure(figsize=(8, 5)) #單位英寸

Figure類就是用于繪圖的圖表類，是Matplotlib中一個(gè)主要的類，它負(fù)責(zé)管理一個(gè)圖形窗口中子圖、各種圖表組件的繪制，其功能類似于PyQtChart模塊中的QChart類。但是一個(gè)Figure里可以繪制多個(gè)子圖，而QChart只能繪制一個(gè)圖表。

創(chuàng)建FigureCanvas對(duì)象時(shí)必須傳遞一個(gè)Figure類對(duì)象，程序中是：

figCanvas=FigureCanvas(self.__fig) #創(chuàng)建FigureCanvas對(duì)象

這樣，F(xiàn)igure類對(duì)象self.__fig就用figCanvas作為圖形渲染區(qū)域（畫布），self.__fig的各種繪圖操作都在此畫布上顯示出來(lái)。

創(chuàng)建NavigationToolbar類導(dǎo)航工具欄naviToolbar時(shí)傳遞一個(gè)FigureCanvas對(duì)象作為參數(shù)，即

naviToolbar=NavigationToolbar(figCanvas, self) #創(chuàng)建工具欄

這樣創(chuàng)建的導(dǎo)航工具欄的操作就是針對(duì)關(guān)聯(lián)的FigureCanvas類對(duì)象figCanvas。Navigation- Toolbar的父類是QToolBar，所以可以使用setToolButtonStyle()函數(shù)設(shè)置按鈕顯示方式，并且添加它作為主窗口的工具欄。

程序運(yùn)行時(shí)，圖14-2中的工具欄與圖14-1中的工具欄有些差異，例如圖14-2的工具欄中有“Customize”按鈕對(duì)子圖進(jìn)行設(shè)置，而圖14-1的工具欄中沒(méi)有這個(gè)按鈕。兩個(gè)工具欄的“Subplots”按鈕彈出的對(duì)話框的界面也不同，這就是由于使用了不同的后端引起的。

FigureCanvas的父類是QWidget，所以其對(duì)象示例可以作為主窗口的中心組件。Navigation- Toolbar和FigureCanvas還有其他的一些功能，在后面再具體介紹。

（3）實(shí)現(xiàn)繪圖功能的函數(shù)__drawFigure()

構(gòu)造函數(shù)里調(diào)用自定義函數(shù)__drawFigure()繪圖，其完整代碼參見(jiàn)前面的代碼清單。

函數(shù)__drawFigure()實(shí)現(xiàn)的繪圖功能與程序Demo14_1Script.py中的幾乎相同，但是實(shí)現(xiàn)的方法不同。在文件Demo14_1GUI.py的import部分沒(méi)有導(dǎo)入matplotlib.pyplot，它完全使用面向?qū)ο蟮姆椒ɡL圖。

在使用NumPy的功能準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，程序首先創(chuàng)建了一個(gè)子圖，代碼是：

ax1=self.__fig.add_subplot(1,2,1) #子圖1

self.__fig是matplotlib.figure.Figure類對(duì)象，是整個(gè)圖。使用Figure.add_subplot()函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象ax1。函數(shù)Figure.add_subplot()與matplotlib.pyplot.subplot()參數(shù)格式和功能完全相同，這里不再對(duì)參數(shù)做詳細(xì)的說(shuō)明，讀者可以通過(guò)內(nèi)建函數(shù)help()獲取該函數(shù)的詳細(xì)幫助信息，輸入指令是：

>>> from matplotlib.figure import Figure
>>> help (Figure.add_subplot)

這里創(chuàng)建的對(duì)象ax1是matplotlib.figure.Axes類型，它是管理一個(gè)子圖區(qū)域繪圖的類。通過(guò)Axes類的接口函數(shù)在子圖區(qū)域畫圖，例如ax1使用plot()函數(shù)繪制了兩條曲線，Axes.plot()函數(shù)的使用方法與matplotlib.pyplot.plot()函數(shù)相同。

Axes類通過(guò)屬性和接口函數(shù)對(duì)子圖的各個(gè)組成元素，如曲線、坐標(biāo)軸范圍、標(biāo)題、網(wǎng)格線、圖例等進(jìn)行操作。一般通過(guò)一組set_和get_函數(shù)對(duì)一個(gè)屬性進(jìn)行設(shè)置和獲取，例如Axes.set_xlim()函數(shù)設(shè)置x軸坐標(biāo)范圍，Axes.get_xlim()函數(shù)返回x軸的坐標(biāo)范圍。這與matplotlib.pyplot模塊中的操作方法不同，pyplot.xlim()函數(shù)既可以設(shè)置x軸坐標(biāo)范圍，也可以返回x軸坐標(biāo)范圍。

Axes類是Matplotlib繪圖中最主要的一個(gè)類，一個(gè)子圖上的所有元素都由Axes管理，所以在GUI中進(jìn)行Matplotlib繪圖主要就是Axes類及其管理的各個(gè)子對(duì)象的操作，如坐標(biāo)軸（Axis類）、曲線（Line2D類）、文本（Text類）、圖例（Legend類）的操作。這些操作都使用面向?qū)ο蟮姆椒ǎcmatplotlib.pyplot中的指令式操作的方法不同，但實(shí)現(xiàn)的功能相同。

本節(jié)先通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單示例演示了在GUI程序中使用Matplotlib繪圖的基本方法，下一節(jié)再對(duì)Matplotlib繪圖時(shí)常用到的各個(gè)類的使用方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

本文截選自《Python Qt GUI與數(shù)據(jù)可視化編程》

王維波，栗寶鵑，張曉東 著

• PyQt5教程書籍，pyqt5快速開(kāi)發(fā)實(shí)例教程
• PythonQt5GUI快速編程
• 示例豐富的PythonGUI編程和數(shù)據(jù)可視化編程的實(shí)用指南

本書介紹在Python中使用PyQt5和其他模塊進(jìn)行GUI和數(shù)據(jù)可視化編程的方法。第一部分介紹PyQt5設(shè)計(jì)GUI程序的基本框架，包括GUI應(yīng)用程序的基本結(jié)構(gòu)、窗體UI可視化設(shè)計(jì)與窗體業(yè)務(wù)邏輯的設(shè)計(jì)、信號(hào)與槽的特點(diǎn)和使用等。第二部分介紹GUI程序設(shè)計(jì)中一些主要功能模塊的使用，包括基本界面組件、事件處理、數(shù)據(jù)庫(kù)、繪圖、多媒體等。第三部分先介紹使用PyQtChart和PyQtDataVisualization進(jìn)行二維和三維數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的方法，再介紹將Matplotlib嵌入PyQt5 GUI應(yīng)用程序窗口界面中進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化的編程方法。通過(guò)研讀本書，讀者可以掌握使用PyQt5、PyQtChart、Matplotlib等模塊進(jìn)行GUI應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的方法。

本書適合具有Python編程基礎(chǔ)，并想通過(guò)Python設(shè)計(jì)GUI應(yīng)用程序或在GUI應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的讀者閱讀和參考。