（九）Python 图形绘制

前述：Python程序设计可以利用多种方法实现对图像和图像的呈现和处理，在这是利用Python3.x自带的tkinter Canvas库、turtle库以及第三方的Matplotlib库进行图形的绘制的常用方法。

一、tkinter库的Canvas 图形的绘制方法

Canvas是tkinter中的画布控件，下面展示两个表：

• Canvas 画布实例的主要属性

  属性	意义
  bg	背景色
  fg	前景色
  bitmap	背景位图
  image	底纹图像
  bd	边框宽（像素）
  with	宽度（像素）
  height	高度 (像素)

• Canvas画布实例的主要绘图方法

  方法	功能	主要参数
  creat_arc()	给弧形和扇形	常用的参数除两点位置外，还有start（初始化角度）和 extent（中止角度）。参数fill为填充色，outline 为轮廓线色
  creat_image()	绘图像	用参数file指向图像文件，支持GIF（无动画）、PNG等格式，不支持JPG格式
  creat_line()	绘直线	两点坐标。参数arrow 为箭头样式，默认为无，FIRST或LAST分别表示箭头在首或尾。参数dash为表示虚线样式的元祖型参数。例如 dash(4,2) 表示连续4像素间隔2像素
  create_oval()	绘椭圆	用左上角和右下角两点的位置定位出矩形内切椭圆
  create_polygon()	绘多边形	顶点位置的x和y值作为参数
  create_rectangle()	绘矩形	用左上角和右下角两点的位置定位出矩形
  create_text()	文本标签	显示位置和text(文本内容)
  delete()	删除指定图形	参数为指定图形对象的名称，全部删除为ALL

• 1.1、Canvas绘图的基本方法一：创建画布和填充颜色

  Canvas 画布的坐标原点在左上角，默认单位是像素，x轴向右为正，y轴向下为正。例如：在320x240的窗体上创建高200像素，宽280像素的画布，并填充颜色

  
  创建画布和填充颜色

  from tkinter import  *
  root = Tk()
  root.geometry('320x240')
  mycanvas = Canvas(root,bg='green',height=200,width=280)
  mycanvas.pack()
  btn1 = Button(root,text='关闭',command=root.destroy)
  btn1.pack()
  root.mainloop()
  

• 1.2、Canvas绘图的基本方法一：绘制图形
  在320x240的窗体上创建高200像素，宽300像素的画布，鼠标点击画布，依次绘出：从(90,10)到(200,200)点的矩形;从(90,10)到(200,200)点的内切椭圆并填充绿色;从(90,10)到(200,200)点的内切扇形并填充粉红色;连接(20,180)、(150,10)和(290,180) 三点形成蓝色框线且无色填充的三角形；从(10,105)到(290,105)点的红色直线；以(50,10)为起点用RGB"#123456"颜色绘制文本标签“我的画布”。单击“清空”按钮删除所有图形，如下：

  
  绘制图形

   from tkinter import *
   root=Tk()
   root.title('绘制图形')
   root.geometry('320x240')
   def draw(event):
  
        # 画矩形
        mycnavas.create_rectangle(90,10,200,200)
        # 画椭圆，填充颜色
        mycnavas.create_oval(90,10,200,200,fill='green')
        # 画扇形
        mycnavas.create_arc(90,10,200,200,fill='pink')
        # 画多边形（三角形），前景为蓝色，无填充色
        mycnavas.create_polygon(10,180,145,10,290,180,outline='blue',fill='')
        # 画直线
        mycnavas.create_line(0,105,300,105,fill='red')
        # 写文字，颜色为十六进制RGB字符串
        mycnavas.create_text(50,10,text='我的画布',fill='#123456')
  
   def delt():
        mycnavas.delete(ALL)
  
   mycnavas = Canvas(root,width=300,height=200)
   mycnavas.pack()
   mycnavas.bind('<Button-1>',draw)  # 画布绑定鼠标点击事件
   btnclear=Button(root,text='清空',command=delt)
   btnclear.pack()
   root.mainloop()
  

• 1.3、Canvas绘图的基本方法一：呈现位图图像

  Canvas画布支持呈现位图图像文件，文件的类型包括：GIF(无动画)、PNG等格式，但不支持JPG格式。
  在320x240的窗体上创建画布，并呈现/Users/wangchong/Desktop/呵呵.png图像。效果如下：
  

  呈现位图图像

  from tkinter import *
  root=Tk()
  root.title('呈现位图图像')
  root.geometry('320x240')
  mycanvas=Canvas(root)
  mycanvas.pack()
  photo=PhotoImage(file='/Users/wangchong/Desktop/呵呵.gif') # 我用的 Mac 电脑，图片的格式不要错，否则会报错的
  mycanvas.create_image(100,100,image=photo)
  root.mainloop()
  

• 1.4、Canvas绘图的基本方法一：利用鼠标事件绘图

  利用鼠标左键移动鼠标事件，不断读取鼠标当前的位置，每次扩张1个像素绘制椭圆点，即可在画布上留下鼠标的轨迹。例如：在320x240的窗体上创建画布，并以蓝色笔创建鼠标画板。效果如下：

  
  利用鼠标事件绘图

  from tkinter import *
  root = Tk()
  def move(event):
       x = event.x
       y = event.y
       w.create_oval(x,y,x+1,y+1,fill='blue')
  
  w = Canvas(root,width=320,height=240)
  w.pack()
  w.bind('<B1-Motion>',move)
  root.mainloop()
  

  其中，按住鼠标左键移动的鼠标事件<B1-Motion>绑定函数move(event),当按住鼠标左键移动鼠标时，即触发读取鼠标当前位置x=event.x,y=event.y,在点（x,y）与点（x+1,y+1）组成的矩形之间留下蓝色椭圆点。

• 1.5、Canvas画布上图型的绘制
  利用鼠标左键移动鼠标事件，不断读取鼠标当前的位置，每次扩张1个像素绘制椭圆点，即可在画布上。
  在320x240的窗体上创建画布，并以蓝色笔创建鼠标画板。如下：

  
  Canvas画布上图型的绘制(鼠标画板)

   from tkinter import *
   root = Tk()
   def move(event):
            x = event.x
            y = event.y
            w.create_oval(x,y,x+1,y+1,fill='blue')
  
    w = Canvas(root,width=320,height=240)
    w.pack()
    w.bind('<B1-Motion>',move)
    root.mainloop()
  

  其中，按住鼠标左键移动的鼠标事件<B1-Motion>绑定函数 move(event) ，当按住鼠标左键并移动鼠标时，即触发读取鼠标当前的位置 x=event.x,y=event.y，在点(x,y)与点(x+1,y+1)组成的矩形之间留下蓝色的椭圆点。

• 1.6、Canvas画布上的函数图形绘制

  用create_line函数可以在画布上绘制直线，而随着变量的变化，用该方法连续绘制微直线即可得到函数的图形。
  例如：在窗体上创建320x240的画布，以画布中心为原点，用红色绘制带箭头的x和y坐标轴，用蓝色笔绘制正玄曲线y=sinx的函数图形。其中，x,y轴的放大倍数均为倍数均为40倍，即：x = 40t,t以0.01的步长在 -π~π范围内变化取值。效果如下图：
  

  Canvas画布上的函数图形绘制

  from tkinter import *
  import math
  root = Tk()
  w = Canvas(root,width=320,height=240)
  w.pack()
  w0 = 160  # 半宽
  h0 = 120  # 半高
  # 画红色的坐标轴线
  w.create_line(0,120,320,120,fill="red",arrow=LAST)
  w.create_line(160,240,160,0,fill="red",arrow=LAST)
  # 标题文字
  w.create_text(w0+50,10,text='y=sin(x)')
  # x轴刻度
  for i in range(-3,4):
         j=I*40
         w.create_line(j+w0,h0,j+w0,h0-5,fill="red")
         w.create_text(j+w0,h0+5,text=str(i))
  # y轴刻度
  for i in range(-2,3):
         j=I*40
         w.create_line(w0,j+h0,w0+5,j+h0,fill="red")
         w.create_text(w0-10,j+h0,text=str(-i))
  # 计算x
  def x(t):
         x=t*40  # x轴放大40倍
         x+=w0   # 平移x轴
         return x
  # 计算y
  def y(t):
         y=math.sin(t)*40  # y轴放大40倍
         y-=h0             # 平移y轴
         y=-y              # y轴值反向
         return y
  # 连续绘制微置线
  t=-math.pi
  while(t<math.pi):
       w.create_line(x(t),y(t),x(t+0.01),y(t+0.01),fill="blue")
       t+=0.01
  root.mainloop()
  

  无论函数如何复杂，以“分而治之”的计算思维原则，分别调用x(t)和y(t)函数取值绘制微直线，即可最终获得函数的图形。

二、turtle库的图形的绘制方法

turtle也是内置库 Python 图形绘制库，其绘制方法更为简单，原理如同控制一只“小龟”以不同的方向和速度进行位移而得到其运动的轨迹。turtle图形绘制的主要方法如下表：

方法	功能	备注
backward()或bk()或back()	逆箭头所指方向后退	参数为位移值
circle()	画圆	默认参数为半径，可添加参数extent(角度) 画经过这个角度的弧；可添加参数steps(n>=4的整数)画内接n边形，这两个附加参数不能同时使用
clear()	清楚所有图形但不移动光标箭头的位置	---
color()	设置或返回颜色	以元组形式同时返回或设置笔触和填充颜色
done()	绘图完毕，结束进程	---
dot()	画点	参数为点的大小，可附加颜色参数，如： dot(20,"blue")
fillcolor()	设置或返回填充颜色	---
forward()或fd()	向箭头所指的方向前进	参数为位移值
goto()或setpos()或setposition()	位移至某点	参数为坐标
hideturtle()或ht()	隐藏光标箭头	---
home()	返回原点	---
isdown()	返回是否落笔	---
isvisible()	返回光标箭头显示状态	---
left()或lt()	箭头方向左转	参数为角度(不是弧度)
pencolor()	设置或返回笔触颜色	---
pendown()或pd()down()	落笔	---
pensize()或width()	笔触粗细	---
penup()或pu()或up()	抬笔	---
position()或pos()	返回当前位置坐标	---
reset()	清楚所有图形并将光标箭头位置于原点	---
right() 或 rt()	箭头方向右转	参数为角度（不是弧度）
setup()	初始画布窗口大小和位置	---
setx()	水平位移至x轴坐标	---
sety()	垂直位移至 y 轴坐标	---
showturtle() 或 st()	显示光标箭头	---
speed()	位移速度	---
towards()	返回当前方向与 箭头方向之间的角度	---
undo()	撤销(擦除)最后一步	---
write()	绘制文本标签	默认参数为文本，可选参数为move,表示是否为动画（Ture/False）

• 2.1、turtle绘图的基本方法

  • 2.1.1、坐标位置和方向
    setup()方法用于初始化画布窗口大小和位置，参数包括画布窗口宽、画布窗口高、窗口在屏幕的水平起始位置和窗口在屏幕的垂直起始位置。例如：setup(640,480,300,300)表示在桌面屏幕（300，300）位置开始创建640x480大小的画布窗体。用turtle创建的画布与Canvas不同，其原点（0，0）在画布的中心，坐标方向与数学定义一致，向右，向上为正。

  • 2.1.2、画笔 🖌
    方法color()用于设置或返回画笔的颜色。例如： color('red') 将颜色设为红色。也可用fillcolor()设置或返回填充颜色，或用pencolor()方法设置或返回笔触颜色。方法pensize()或width()用于设置笔触的粗细，例如：pensize(5)设置笔触为5像素粗。

  • 2.1.3、画笔控制与运动
    方法penup()、pu()或up()为抬笔，当笔触移动时不留墨迹；方法penward()、pd()或down()为落笔，当笔触移动时会留下墨迹。
    画笔的移动方向的方法有：向箭头所指的方向前进 forward()、fd()或lt();逆箭头所指方向后退backward()、bk()或back()。
    画笔的原地转角方法有：箭头方向左转left()或lt();箭头方向右转right()或rt()。
    位移至某点的方法：goto(),setpos()或setposition()；画圆的方法：circle();返回原点的方法：home()。
    位移速度方法speed(),其取值返回从慢到快为1~10.注意：取0为最快（无移动过程，直接显示目标结果）。
    绘图完毕通常用方法done()结束进程。

  • 2.1.4、文字
    输出文字标签用write()方法，默认参数为输出文本，可选参数有：对齐方式 alihn(left,center,right),font元祖型字体设置（字体，字号，字形）。

  • 例如：从原点出发至坐标点(-100,100)，改为红色，沿光标指向(默认方向为水平向右)前进200像素，改为蓝色，后退100像素，以动画模式输出文字（黑体，36磅，斜体）。效果如下：

    
    turtle绘图

    from turtle import *
    setup(640,480,300,300)
    reset()
    pensize(5)
    goto(-100,100)
    color('red')
    fd(200)
    color('blue')
    bk(100)
    write('turtle绘图',move=True,font=('黑体',36,'italic'))
    done()
    

• 2.2、turtle图形绘图

  • 简单形状图形
    用循环结构可自动重复绘制步骤得出规则图形。
    例如：以5像素笔触重复执行“前进100像素，右转60度”的操作工6次，绘制红色正六边形了；再用circle()方法画半径为60像素的红色圆内正接六边形；然后抬笔移动至(-50,200) 点落笔，重复执行“右转144度，前进400像素”的操作共5次，绘制五角星。如下效果：
    

    简单形状图形

    from turtle import *
    reset()
    pensize(5)
    #画正六边形 ，每步右转60度
    for i in range(6):
           fd(100)
           right(60)
    #用circle方法画正六边形（半径为 60 像素的圆内正接六边形 ）
    color('red')
    circle(60,steps=6)
    #抬笔移动位置
    up()
    goto(-50,200)
    down()
    
    # 画五角星，每步右转144度
    for i in range(5):
          right(144)
          fd(400)
    done()
    

三、Matplotlib库的图形的绘制方法

Matplotlib库是用于科学计算数据可视化的常见Python第三方模块。它借鉴了许多Matlab中的函数，可以轻松绘制高质量的线条图、直方图、饼图、散点以及误差线图等二维图形，也可以绘制三维图像，还可以方便地设定图形线条的类型、颜色、粗细以及字体的大小等属性。

• 3.1、环境安装与基本方法
  使用 Matplotlib 绘图，需要先安装导入 numpy 科学计算模块库。如果不想经历繁琐的下载安装过程，也可使用Anaconda 等集成安装的方式来搭建科学计算环境。通常，二维图形的绘制是导入 Matplotlib的pyplot函数来完成的，首先，导入pyplot子库语句：

  import Matplotlib.pyplot as plt
  

  然后用

  plt.figure(figsize=(w,h),dpi=h)
  

  创建一个绘图对象，并设置对象的宽度比例w和高度比例h。例如：

  plt.figure(figsize=(4,3),dpi=200)
  

  为创建一个4:3的每英寸200点分别率的绘图对象，调用plt.plot()方法在绘图对象中进行绘图。
  pyplot()方法也可通过调用 subplot方法增加子图。subplot()方法通常包含三个参数：共有几行、几列、本子图是第几个子视图。例如,p1=plt.subplot(211)或p1=plt.subplot(2,1,1)表示创建第2行第1列的子视图，p1为第一个子图。
  数据可使用列表给出，plot()方法的参数通常包括x、y轴两个变量及图形的颜色、线型、数据点标记等。
  常用的颜色字符有：'r'(红色，red)、'g'(绿色，green)、'b'(蓝色，blue)、'c'(青色，cyan)、'm'(品红，magenta)、'y'(黄色，yellow)、'k'(黑色，black)、'w'(白色，white)等。
  常见的线型字符有：'_'(直线)、'_ _'(虚线)、':'(点线)、'_ .'(点划线)等。
  常用的描点标记有： '.'(点)、'0'(圆圈)、's'(方块)、'^'(三角形)、'x'(叉)、'*'(五角星)、'+'(加号) 等。
  例如：

  plt.plot(x,y,'--*r') 表示x和y两个变量绘制红色（r）虚线（--），以星号（*）作为描点标记。
  

  在同一绘制对象中可用plot()方法同时绘制多个图形，例如：

  plt.plot(x,w,'--*t',x,z,'-.+g')  表示在同一绘制对象中同时呈现x-w、x-y和x-z三组变量的图形，并且分别以蓝色实线无描点、红色虚线星描点、绿色点画线加号描点表示。
   方法plot()可使用label参数标注图例和公式。标注公式时，字符串以“$”开头和结尾，“^{}”表示上标，“cdot”表示乘号(点)，在可能出现歧义的字符串时用“\”作为转义符号。
  

  注意：该字符串是以半角双引号界定的。例如：

  label="Sy=e^(-x) \cdot \cos(2\pi x)$"
  

  可表示数公式 y=(e-x)cos(2πx)。有label标注时，要用绘图对象.legend()将其显示出来。
  当需要在图上标注文本时，可以使用下列函数。
  text(): 在指定坐标位置输出文字
  xlabel(),ylabel():显示坐标轴标签文字。
  title():显示标题文字
  需要特别指出的是，在Matplotlib 默认设置中没有对应中文的支持，如果需要使用中文文本标注，应在Matplotlib 的字体管理器 font_manger 中专门设置。
  例如：将个性化字体对象 myfont设为华文宋体：

  myfont = Matplotlib.font_manger.FontProperties(fname='C:/windows/Fonts/STSONG.TTF')
  

  并在输出文字时，使用该字体属性参数：fontproperties=myfont。
  由于字体的变化，有时输出负号会影响（显示不出负号，本例并不涉及），可预设Matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus']=False解决。
  例如：在同一绘图对象中，利用不同颜色和标注绘制折线图性。效果如下：

  import numpy as np
  import Matplotlib
  import Matplotlib.pyplot as plt
  # myfont = Matplotlib.font_manger.FontProperties\(fname='/Users/Fonts/STSONG.TTF')
  matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
  x=[0,1,2,4,5,6]
  w=[3,2,5,2,3,2]
  y=[1,2,3,2,4,1]
  z=[1,2,3,4,5,6]
  plt.plot(x,w,'b',x,y,'--*r',x,z,'-.+g')
  plt.xlabel("x轴",fontproperties=myfont)
  plt.ylabel("w、y、z轴",fontproperties=myfont)
  plt.title("折线图",fontsize=20,fontproperties=myfont)
  plt.show
  

• 3.2、二维函数图形绘制

  二维函数图形的绘制可调用 numpy.linspace()方法，先生成数据系列，再用 plot() 方法绘图。通式为：

  numpy.linspace(start,stop,num=50,endpoint=True,restep=False)
  

  其中，参数依次为自变量起点、终点、生成数据点数、是否包括终点、是否返回间隔。
  例如：在同一绘图对象中，分别以红色实线和蓝色点状线绘出x在-1.7~1.7之间变化的函数图形（100个采样点），并标注其图例和对应公式：

  y=3x^3-3x^2+4sin(x)
  y=-3x^3-3x^2+4sin(x)
  

  效果如下：

  import numpy as np
  import Matplotlib.pyplot as plt
  x = np.linspace(-1.7,1.7,100)
  plt.plot(x,2*x**3-3*x**2+4*np.sin(x),"r",label="$y=3x^{3}-3x^{2}+4sin(x)$")
  plt.plot(x,-3*x**3-3*x**2+4*np.sin(x),"b.",label="$y=3x^{3}-3x^{2}+4sin(x)$")
  plt.legend()
  plt.show()
  

  函数图形的绘制也可调用numpy.arange()方法返回数据系列，再用plot()方法绘图。通式为：

  numpy.arange([start],stop[,step])