1. 前言

前面我們介紹了使用matplotlib簡單的繪圖方法（見：Python應用matplotlib繪圖簡介 ）
但是想要完全控制你的圖形，以及更高階的用法，就需要使用 pyplot 的介面顯式的建立圖形figure。
本文介紹plyplot控制繪圖的一些方法。

2. Pyplot繪圖結構

Aritists

matplotlib API包含有三層：

• backend_bases.FigureCanvas : 圖表的繪製領域
• backend_bases.Renderer : 知道如何在FigureCanvas上如何繪圖
• artist.Artist : 知道如何使用Renderer在FigureCanvas上繪圖

FigureCanvas和Renderer需要處理底層的繪圖操作，例如使用wxPython在介面上繪圖，或者使用PostScript繪製PDF。Artist則處理所有的高層結構，例如處理圖表、文字和曲線等的繪製和佈局。通常我們只和Artist打交道，而不需要關心底層的繪製細節。

Artists分為簡單型別和容器型別兩種。簡單型別的Artists為標準的繪圖元件，例如Line2D、 Rectangle、 Text、AxesImage 等等。而容器型別則可以包含許多簡單型別的Artists，使它們組織成一個整體，例如Axis、 Axes、Figure等。

Figure

Figure代表一個繪製面板，其中可以包涵多個Axes（即多個圖表）。

fig = plt.figure()  # an empty figure with no axes
ax = fig.add_axes([0.15, 0.1, 0.7, 0.3])

#或者採用一下方式
fig, ax_lst = plt.subplots(2, 2)  # a figure with a 2x2 grid of Axes

Axes

Axes表示一個圖表
一個Axes包涵：titlek, xaxis, yaxis

Axis

座標軸

3. Artist的屬性

下面是Artist物件都具有的一些屬性：

alpha : 透明度，值在0到1之間，0為完全透明，1為完全不透明
animated : 布林值，在繪製動畫效果時使用
axes : 此Artist物件所在的Axes物件，可能為None
clip_box : 物件的裁剪框
clip_on : 是否裁剪
clip_path : 裁剪的路徑
contains : 判斷指定點是否在物件上的函式
figure : 所在的Figure物件，可能為None
label : 文字標籤
picker : 控制Artist物件選取
transform : 控制偏移旋轉
visible : 是否可見
zorder : 控制繪圖順序

Artist物件的所有屬性都通過相應的 get_* 和 set_* 函式進行讀寫

fig.set_alpha(0.5*fig.get_alpha())

如果你想用一條語句設定多個屬性的話，可以使用set函式：

fig.set(alpha=0.5, zorder=2)

使用 matplotlib.pyplot.getp 函式可以方便地輸出Artist物件的所有屬性名和值。

>>> plt.getp(fig.patch)
    aa = True
    alpha = 1.0
    animated = False
    antialiased or aa = True

4. Figure

如前所述，Figure是最大的一個Aritist，它包括整幅影象的所有元素，背景是一個Rectangle物件，用Figure.patch屬性表示。
通過呼叫add_subplot或者add_axes方法往圖表中新增Axes(子圖)。
PS：這兩個方法返回值型別不同

>>> fig = plt.figure()
>>> ax1 = fig.add_subplot(211)
>>> ax2 = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.7, 0.3])
>>> ax1
<matplotlib.axes.AxesSubplot object at 0x056BCA90>
>>> ax2
<matplotlib.axes.Axes object at 0x056BC910>
>>> fig.axes
[<matplotlib.axes.AxesSubplot object at 0x056BCA90>,
<matplotlib.axes.Axes object at 0x056BC910>]

為了支援pylab中的gca()等函式，Figure物件內部儲存有當前軸的資訊，因此不建議直接對Figure.axes屬性進行列表操作，而應該使用add_subplot, add_axes, delaxes等方法進行新增和刪除操作。

fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_axes([0.1, 0.45, 0.8, 0.5])
ax2 = fig.add_axes([0.1, 0.1, 0.8, 0.2])
plt.show()

Figure物件可以擁有自己的文字、線條以及影象等簡單型別的Artist。預設的座標系統為畫素點，但是可以通過設定Artist物件的transform屬性修改座標系的轉換方式。最常用的Figure物件的座標系是以左下角為座標原點(0,0)，右上角為座標(1,1)。下面的程式建立並新增兩條直線到fig中：

>>> from matplotlib.lines import Line2D
>>> fig = plt.figure()
>>> line1 = Line2D([0,1],[0,1], transform=fig.transFigure, figure=fig, color="r")
>>> line2 = Line2D([0,1],[1,0], transform=fig.transFigure, figure=fig, color="g")
>>> fig.lines.extend([line1, line2])
>>> fig.show()

在Figure物件中手工繪製直線

注意為了讓所建立的Line2D物件使用fig的座標，我們將fig.TransFigure賦給Line2D物件的transform屬性；為了讓Line2D物件知道它是在fig物件中，我們還設定其figure屬性為fig；最後還需要將建立的兩個Line2D物件新增到fig.lines屬性中去。

Figure物件有如下屬性包含其它的Artist物件：

axes : Axes物件列表
patch : 作為背景的Rectangle物件
images : FigureImage物件列表，用來顯示圖片
legends : Legend物件列表
lines : Line2D物件列表
patches : patch物件列表
texts : Text物件列表，用來顯示文字

5. Axes

Axes容器是整個matplotlib庫的核心，它包含了組成圖表的眾多Artist物件，並且有許多方法函式幫助我們建立、修改這些物件。和Figure一樣，它有一個patch屬性作為背景，
當它是笛卡爾座標時，patch屬性是一個Rectangle物件；
當它是極座標時，patch屬性則是Circle物件。

當你呼叫Axes的繪圖方法（例如plot），它將建立一組Line2D物件，並將所有的關鍵字引數傳遞給這些Line2D物件，並將它們新增進Axes.lines屬性中，最後返回所建立的Line2D物件列表：

x1 = np.linspace(0.0, 5.0)
x2 = np.linspace(0.0, 3.0)

y1 = np.cos(2 * np.pi * x1) * np.exp(-x1)
y2 = np.cos(2 * np.pi * x2)

ax1.patch.set_facecolor("green")
ax1.grid(True)
line1 = ax1.plot(x1, y1, 'yo-', label="Test1")
print type(line1)
print line1

line2 = ax2.plot(x2, y2, 'r.-', label='Test2')

-----
<type 'list'>
[<matplotlib.lines.Line2D object at 0x7fa3ac96e8d0>]

注意:
plot返回的是一個Line2D物件的列表，因為我們可以傳遞多組X,Y軸的資料，一次繪製多條曲線。

與plot方法類似，繪製直方圖的方法bar和繪製柱狀統計圖的方法hist將建立一個Patch物件的列表，每個元素實際上都是Patch的子類Rectangle，並且將所建立的Patch物件都新增進Axes.patches屬性中：

>>> ax = fig.add_subplot(111)
>>> n, bins, rects = ax.hist(np.random.randn(1000), 50, facecolor="blue")
>>> rects
<a list of 50 Patch objects>
>>> rects[0]
<matplotlib.patches.Rectangle object at 0x05BC2350>
>>> ax.patches[0]
<matplotlib.patches.Rectangle object at 0x05BC2350>

一般我們不會直接對Axes.lines或者Axes.patches屬性進行操作，而是呼叫add_line或者add_patch等方法，這些方法幫助我們完成許多屬性設定工作：

   >>> fig = plt.figure()
    >>> ax = fig.add_subplot(111)
    >>> rect = matplotlib.patches.Rectangle((1,1), width=5, height=12)
    >>> print rect.get_axes() # rect的axes屬性為空
    None
    >>> rect.get_transform() # rect的transform屬性為預設值
    BboxTransformTo(Bbox(array([[  1.,   1.],
           [  6.,  13.]])))
    >>> ax.add_patch(rect) # 將rect新增進ax
    <matplotlib.patches.Rectangle object at 0x05C34E50>
    >>> rect.get_axes() # 於是rect的axes屬性就是ax
    <matplotlib.axes.AxesSubplot object at 0x05C09CB0>

    >>> # rect的transform屬性和ax的transData相同
    >>> rect.get_transform()
    ... # 太長，省略
    >>> ax.transData
    ... # 太長，省略

    >>> ax.get_xlim() # ax的X軸範圍為0到1，無法顯示完整的rect
    (0.0, 1.0)
    >>> ax.dataLim._get_bounds() # 資料的範圍和rect的大小一致
    (1.0, 1.0, 5.0, 12.0)
    >>> ax.autoscale_view() # 自動調整座標軸範圍
    >>> ax.get_xlim() # 於是X軸可以完整顯示rect
    (1.0, 6.0)
    >>> plt.show()

通過上面的例子我們可以看出，add_patch方法幫助我們設定了rect的axes和transform屬性。

下面詳細列出Axes包含各種Artist物件的屬性：

artists : Artist物件列表
patch : 作為Axes背景的Patch物件，可以是Rectangle或者Circle
collections : Collection物件列表
images : AxesImage物件列表
legends : Legend物件列表
lines : Line2D物件列表
patches : Patch物件列表
texts : Text物件列表
xaxis : XAxis物件
yaxis : YAxis物件

下面列出Axes的建立Artist物件的方法：

6. Axis

Axis容器包括座標軸上的刻度線、刻度文字、座標網格以及座標軸標題等內容。刻度包括主刻度和副刻度，分別通過Axis.get_major_ticks和Axis.get_minor_ticks方法獲得。每個刻度線都是一個XTick或者YTick物件，它包括實際的刻度線和刻度文字。為了方便訪問刻度線和文字，Axis物件提供了get_ticklabels和get_ticklines方法分別直接獲得刻度線和刻度文字

>>> axis.get_ticklocs() # 獲得刻度的位置列表
array([ 1. ,  1.5,  2. ,  2.5,  3. ])

>>> axis.get_ticklabels() # 獲得刻度標籤列表
<a list of 5 Text major ticklabel objects>
>>> [x.get_text() for x in axis.get_ticklabels()] # 獲得刻度的文字字串
[u'1.0', u'1.5', u'2.0', u'2.5', u'3.0']

>>> axis.get_ticklines() # 獲得主刻度線列表，圖的上下刻度線共10條
<a list of 10 Line2D ticklines objects>

>>> axis.get_ticklines(minor=True) # 獲得副刻度線列表
<a list of 0 Line2D ticklines objects>

7. 參考文獻：