【matplotlib基础】–几何图形

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除了绘制各类分析图形（比如柱状图，折线图，饼图等等）以外，matplotlib 也可以在画布上任意绘制各类几何图形。
这对于计算机图形学、几何算法和计算机辅助设计等领域非常重要。

matplitlib 中的 patches 类提供了丰富的几何对象，
本篇抛砖引玉，介绍其中几种常用的几何图形绘制方法。

其实matplitlib封装的各种现成的图形对象（柱状图，折线图，饼图等等）本质也是基于 patches 来绘制的。

1. 多边形类

多边形可以用在地理信息图表中，用来表示地理区域的边界或地理要素的形状；
也可以用来展示数据的分布区域或边界，比如用在散点图中。

几种常用的多边形绘制方式如下：

1.1. 矩形

绘制矩形用Rectangle对象。

import matplotlib.pyplot as plt import matplotlib.patches as mptch fig = plt.figure(figsize=[6, 6]) ax = fig.add_subplot(111) r1 = mptch.Rectangle(xy=(0.2, 0.3), height=0.5, width=0.7, color="lightblue") r2 = mptch.Rectangle(xy=(0.4, 0.6), height=0.3, width=0.2, angle=60, color="lightgreen") ax.add_patch(r1) ax.add_patch(r2) plt.show() 

Rectangle对象的主要参数：

1. xy：矩形的起始点，也就是左下角的点
2. height：矩形的高
3. width：矩形的宽，高和宽设置一样就是正方形
4. angle：沿着起始点，逆时针旋转的角度
5. color：矩形的颜色，默认蓝色

代码运行效果：

1.2. 任意多边形

任意多边形比较简单，给Polygon对象传入多边形的各个顶点即可。

fig = plt.figure(figsize=[6, 6]) ax = fig.add_subplot(111) #三角形 p1 = mptch.Polygon(xy=[(0.1, 0.1), (0.4, 0.1), (0.3, 0.6)], color='lightblue') #四边形 p2 = mptch.Polygon(xy=[(0.5, 0.5), (0.9, 0.5), (0.9, 0.1), (0.6, 0.2)], color='lightgreen') ax.add_patch(p1) ax.add_patch(p2) plt.show() 

Polygon对象的主要参数：

1. xy：多边形各个顶点的列表
2. color：多边形的颜色，默认蓝色

代码运行效果：

1.3. 正多边形

虽然用Polygon对象也可以绘制正多边形，但是需要计算各个顶点的坐标位置，很麻烦。
matplotlib提供了专门绘制正多边形的对象CirclePolygon。

fig = plt.figure(figsize=[6, 6]) ax = fig.add_subplot(111) p1 = mptch.CirclePolygon(xy=(0.3, 0.3), radius=0.2, resolution=6, color='lightgreen') p2 = mptch.CirclePolygon(xy=(0.6, 0.6), radius=0.2, resolution=8, color='lightblue') ax.add_patch(p1) ax.add_patch(p2) plt.show() 

CirclePolygon对象的主要参数：

1. xy：正多边形的中心点坐标
2. radius：正多边形的外接圆半径
3. resolution：正多边形的边数
4. color：正多边形的颜色，默认蓝色

代码运行效果：

2. 圆形类

圆形类也是使用比较多的形状。

2.1. 圆和椭圆

绘制圆和椭圆分别用Circle和Ellipse对象。

fig = plt.figure(figsize=[6, 6]) ax = fig.add_subplot(111) c = mptch.Circle(xy=(0.5, 0.5), radius=0.4, color="lightblue") e = mptch.Ellipse(xy=(0.5, 0.5), height=0.3, width=0.4, color="lightgreen") ax.add_patch(c) ax.add_patch(e) plt.show() 

Circle对象的主要参数：

1. xy：圆心坐标
2. radius：圆的半径
3. color：圆的颜色，默认蓝色

Ellipse对象的主要参数：

1. xy：椭圆心坐标
2. height：椭圆的高度
3. width：椭圆的宽度
4. color：椭圆的颜色，默认蓝色

PS. 当椭圆的height和width设置一样时，椭圆就是圆了。

代码运行效果：

3. 圆弧和扇形

除了完整的圆，也可以绘制弧形（Arc对象）和扇形（Wedge对象）。

fig = plt.figure(figsize=[6, 6]) ax = fig.add_subplot(111) #圆弧 a = mptch.Arc(xy=(0.4, 0.7), width=0.5, height=0.5, angle=270, theta1=0, theta2=120, linewidth=10, color="lightblue") #扇形 w = mptch.Wedge(center=(0.3, 0.5), r=0.2, theta1=30, theta2=330, color="lightgreen") ax.add_patch(a) ax.add_patch(w) plt.show() 

Arc对象的主要参数：

1. xy：圆弧的圆心坐标
2. width：圆弧的宽度
3. height：圆弧的高度
4. angle：圆弧朝向的角度，逆时针旋转
5. theta1：圆弧开始的角度，逆时针旋转
6. theta2：圆弧结束的角度，逆时针旋转
7. linewidth：圆弧的粗细
8. color：圆弧的颜色，默认蓝色

PS. width和height相等时，圆弧相当于是圆的一段，不相等时，圆弧相当于是椭圆的一段。
圆弧开始的角度其实就是 angle+theta1，结束的角度是angle+theta2。

Wedge对象的主要参数：

1. xy：扇形的圆心坐标
2. r：扇形的半径
3. theta1：扇形开始的角度，逆时针旋转
4. theta2：扇形结束的角度，逆时针旋转
5. color：扇形的颜色，默认蓝色

代码运行效果：（本来想画个鱼钩钓鱼的抽象效果的，：））

4. 箭头

matplotlib中用Arrow对象来绘制箭头。

fig = plt.figure(figsize=[6, 6]) ax = fig.add_subplot(111) x, y, dx, dy = 0.1, 0.2, 0.2, 0.2 a1 = mptch.Arrow(x=x, y=y, dx=dx, dy=dy, width=0.2, color="lightblue") a2 = mptch.Arrow(x=x+dx, y=y+dy, dx=dx, dy=dy, width=0.4, color="lightgreen") ax.add_patch(a1) ax.add_patch(a2) plt.show() 

Arrow对象的主要参数：

1. x：箭头的起点X坐标
2. y：箭头的起点Y坐标
3. dx：箭头的终点X坐标偏移起点X坐标的值
4. dy：箭头的终点Y坐标偏移起点Y坐标的值
5. width：箭头的宽度
6. color：箭头的颜色，默认蓝色

PS. 其实就是起点坐标(x, y)，终点坐标(x+dx, y+dy)。

代码运行效果：

5. 总结

几何图形是matplotlib最基本的能力，复杂花哨的分析图表归根结底都是这些基本的几何图形。

除了本篇介绍的这些，完整的patches可以参考官方文档：matplotlib.patches — Matplotlib 3.8.3 documentation