Python 視覺化(1) matplotlib 基本設置：子圖操作

使用 matplotlib 繪圖的常用基本操作，有關子圖操作、合併子圖、跨行跨列、縮減圖上空白區、以及環境設定檔 matplotlibrc的建立。

Thursday, December 30, 2021

子圖

`add_subplot`

初使用時最常接觸的就是這個方法，當要用某張子圖的時候再使用 fig.add_subplot() 得到某個 ax ，用它進行繪圖。

import matplotlib.pyplot as plt
fig = plt.figure(figsize=(20, 16), dpi=300) 
fig.suptitle("Big title", fontsize=20)

# 子圖 1
ax = fig.add_subplot(2, 1, 1)
ax.title.set_text("Subtitle 1")
plt.plot(np.arange(1, 11), color='b', label="lr", alpha=0.7)
ax.legend() # 圖例

# 子圖 2
ax = fig.add_subplot(2, 1, 1)
ax.title.set_text("Subtitle 1")
plt.plot(np.arange(1, 11), color='r', label="lr", alpha=0.7)
ax.legend()

plt.savefig("fileName.png")

但我並不喜歡這個用法，以上面這份程式為例，這總作法會讓 fig.add_subplot(2, 1, 1) 散布在整份程式中，一旦我要修改子圖在行列上的數量，修正起來變得無比麻煩。

一口氣指定完子圖

一種方法是：

fig, axes = plt.subplots(n_rows, n_cols)

不錯的是可以一口氣解決，但我更喜歡另一種作法：

fig = plt.figure(figsize=(10, 8), dpi=100)
axes = fig.subplots(2, 3).reshape(-1) # axes.shape: (6, )
axes = fig.subplots(2, 3)             # axes.shape: (2, 3)

原先的作法在取用 axes 的時候，要謹慎的選取 axes[0][1] 之類的 index ，同樣的一旦子圖在行列上的數量改變，透過 index 取得 ax 的時候也很容易出錯。因此我習慣先把他 reshape 成一個維度，直接用 ax = axes[i] 取用，簡單省事。缺點是難以知道現在處於哪一行哪一列，如果子圖有需要落在確切位置的需求，這個簡單粗暴的方法可能就不太適合。

大標題

ax.set_title("sub plot title") # 子圖的標題
fig.suptitle("Figure title")   # 整張圖的大標題

合併子圖、跨行跨列

`subplot2grid`

上面的用法都是規規矩矩，每張子圖大小一致。想要讓圖的形狀跨越多欄多列，應該使用 subplot2grid。subplot2grid example

ax1 = plt.subplot2grid((3,3), (0,0), colspan=3)
ax2 = plt.subplot2grid((3,3), (1,0), colspan=2)
ax3 = plt.subplot2grid((3,3), (1, 2), rowspan=2)
ax4 = plt.subplot2grid((3,3), (2, 0))
ax5 = plt.subplot2grid((3,3), (2, 1))

得到的圖相當於：

subplot2grid

事實上 subplot2grid 依然可以作到像是 subplot 這樣只給出正規方正的子圖，在不做 colspan/rowspan 的情況下，這兩個操作是等價的：

ax = plt.subplot(2,2,1)  # 1. 算子圖要從 1 開始算子圖
ax = plt.subplot2grid((2,2),(0, 0)) # 2. 先規定整張圖的 (row, col), 在列出要回傳的子圖位於哪個位置 (不像上面是算 index)

`GridSpec`

還有另一個方法是透過 GridSpec 達成。我們可以先用 gridspec 創建一個框架，並把框架的某一塊指派給 plt.subplot 真正創建子圖。

import matplotlib.gridspec as gridspec
gs = gridspec.GridSpec(2, 2)
ax = plt.subplot(gs[0, 0]) # 等價 ax = plt.subplot2grid((2,2),(0, 0))

所以，在前面一小節的分隔圖，在這個章節應該如下實做：

gs = gridspec.GridSpec(3, 3)
ax1 = plt.subplot(gs[0, :])
ax2 = plt.subplot(gs[1,:-1])
ax3 = plt.subplot(gs[1:, -1])
ax4 = plt.subplot(gs[-1,0])
ax5 = plt.subplot(gs[-1,-2])

`subplot2grid` 與 `GridSpec` 的差別

我覺得可這樣看待

subplot2grid 屬於 pyplot 類別中，它直接與畫面操作有關，所以直接指派位置就有圖出來了
```
ax = plt.subplot2grid((2,2),(0, 0))
```

但是 gridspec 不是屬於 pyplot ，如果只有創建而沒有再指定畫布，是不會出現東西的

import matplotlib.gridspec as gridspec
gs = gridspec.GridSpec(2, 2)
plt.show() # 不會有圖跑出來喔

此外，gridspec 能做到的 layout(布局) 也更加彈性，詳細可以在這篇裡面看: Customizing Location of Subplot Using GridSpec ，中文版: 使用 GridSpec 自定义子图位置。

gridspec 更加彈性的布局

圖上標示與設置

限制座標軸數值

限制 x 與 y 軸顯示的數值上下界。

ax.set_ylim([0, 0.1])
ax.set_xlim([0, 10])

下圖是來自 Matplotlib 的 Quick Start，快速提及幾個常用的 function 各自歸屬 Figure 還是 Axes。

繪製橫/直線

ax.axhline(y=0.03, color='r', linestyle='-.', alpha=0.2)  # 橫線
ax.axvline(x=5, color='b', linestyle='-*', alpha=0.2)  # 直線

縮減空白邊緣

fig.tight_layout(rect=[0, 0.03, 1, 0.95]) # 保留標題的空間
fig.suptitle("title")
fig.savefig("fig.png")

tight_layout 要在所有繪圖都結束之後，就要 savefig 或是 plt.show() 之前再放才會生效！或是在 import之後直接改變全局：

import matplotlib.pyplot as plt
plt.rcParams["figure.autolayout"] = True

全局的設置 `matplotlibrc`

matplotlib 裡面有很多設定，包含 dpi, figsize, color, linewidth…..，如果希望一些改變能夠直接作用在 global 上，可以透過設定 matplotlibrc 檔案達成：

在沒有使用 style.use('<path>/<style-name>.mplstyle') 指向設定檔時，預設的搜索順序是這樣：

當前資料夾：當前這個資料夾中存在 matplotlibrc，而在這個資料夾之中所有的繪圖，也都想用這樣的設定套用，那非常適合這麼做。
如果存在環境變數 $MATPLOTLIBRC：如果這是個檔案，就直接用。如果是個資料夾，會尋找並使用其下的 $MATPLOTLIBRC/matplotlibrc
恩，剩下兩條我覺得太麻煩了，懶得翻譯。可以去看原文。

如果上述的路徑下都沒有 matplotlibrc 檔案那不會再額外搜索其他地方。我們可以直接透過下面這個的作法尋找當前使用的是誰：

import matplotlib
matplotlib.matplotlib_fname()

我的 `matplotlibrc` 檔案

figure.autolayout: True
legend.fontsize:   large
figure.titlesize:   x-large
figure.dpi:  100
axes.titlesize:     x-large 
image.cmap: hsv
hist.bins: 20