Оформление графиков в Matplotlib#
Рассмотрим различные способы изменения оформления графиков. Важно уметь это делать, чтобы с лёгкостью удовлетворять требованиям различных редакций и стандартов на оформление текстовых работ, например, требованиям кафедры СМ6 МГТУ им. Н.Э. Баумана.
В конце раздела рассматривается создание файла с собственными стилевыми настройками matplotlib. Сформированный стиль вполне удовлетворяет требованиям кафедры СМ6, поэтому студенты СМ6 могут использовать этот файл в своих работах (домашних, курсовых и прочих).
Для начала выполним некоторую рутину:
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
Будем строить тригонометрические функции:
x = np.linspace(-np.pi, np.pi, 201)
sin_x = np.sin(x)
cos_x = np.cos(x)
Использование готовых стилей#
Построим график, оформленный в стиле “по умолчанию”:
fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(x, sin_x, label=r"$\sin{x}$")
ax.plot(x, cos_x, label=r"$\cos{x}$")
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend();
В Matplotlib имеется целый ряд встроенных стилей графиков.
Назначить их можно, например, используя менеджер контекста with и функцию pyplot.style.context с указанием названия стиля:
with plt.style.context("ggplot"):
fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(x, sin_x, label=r"$\sin{x}$")
ax.plot(x, cos_x, label=r"$\cos{x}$")
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend()
plt.show()
Также внутри менеджера контекста с заданным стилем matplotlib можно вызвать собственную функцию построения графика. Сведём построение наших синусов-косинусов в отдельную функцию, как делали в разделе Особенности matplotlib:
def plot_sincos(x, figax=None):
sin_x = np.sin(x)
cos_x = np.cos(x)
fig, ax = plt.subplots() if figax is None else figax
ax.plot(x, sin_x, label=r"$\sin{x}$")
ax.plot(x, cos_x, label=r"$\cos{x}$")
return fig, ax
# И вызовем её в стилевом контексте
with plt.style.context("bmh"):
fig, ax = plot_sincos(x)
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend()
plt.show()
Note
Заметьте, что меняется оформление как обычного текста, так и математических выражений, обрамлённых долларами $...$.
# Или в тёмном стиле
with plt.style.context("dark_background"):
fig, ax = plot_sincos(x)
# И можем изменить полученный график, например,
# добавив график новой функции
ax.plot(x, np.tanh(x), label=r"$\tanh{x}$")
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend()
plt.show()
Использовать стилевой контекст просто и удобно. Однако есть и подход назначения глобального стиля для графиков matplotlib.
Глобальная настройка стиля#
Данный подход менее универсален, чем подход стилевого контекста, однако его удобнее применять в работах, в которых вы изначально имеете чёткие требования к оформлению.
Функция plt.style.use#
Глобальный стиль можно задать так:
# В начале файла с кодом
plt.style.use("grayscale")
# И просто строим график без всякого контекста
_, ax = plot_sincos(x)
ax.legend();
Изменение глобальной переменной matplotlib.rcParams#
Для начала вернём стиль по умолчанию:
plt.style.use("default")
Matplotlib хранит настройки стилей в специальных текстовых файлах с расширением .mplstyle.
При импортировании библиотеки происходит считывание файла с настройками по умолчанию и сохранение этих настроек в глобальном Python-словаре matplotlib.rcParams (по ссылке найдёте описание всех настраиваемых параметров).
Вот, для примера, его содержимое:
import matplotlib as mpl
mpl.rcParams
RcParams({'_internal.classic_mode': False,
'agg.path.chunksize': 0,
'animation.bitrate': -1,
'animation.codec': 'h264',
'animation.convert_args': ['-layers', 'OptimizePlus'],
'animation.convert_path': 'convert',
'animation.embed_limit': 20.0,
'animation.ffmpeg_args': [],
'animation.ffmpeg_path': 'ffmpeg',
'animation.frame_format': 'png',
'animation.html': 'none',
'animation.writer': 'ffmpeg',
'axes.autolimit_mode': 'data',
'axes.axisbelow': 'line',
'axes.edgecolor': 'black',
'axes.facecolor': 'white',
'axes.formatter.limits': [-5, 6],
'axes.formatter.min_exponent': 0,
'axes.formatter.offset_threshold': 4,
'axes.formatter.use_locale': False,
'axes.formatter.use_mathtext': False,
'axes.formatter.useoffset': True,
'axes.grid': False,
'axes.grid.axis': 'both',
'axes.grid.which': 'major',
'axes.labelcolor': 'black',
'axes.labelpad': 4.0,
'axes.labelsize': 'medium',
'axes.labelweight': 'normal',
'axes.linewidth': 0.8,
'axes.prop_cycle': cycler('color', ['#1f77b4', '#ff7f0e', '#2ca02c', '#d62728', '#9467bd', '#8c564b', '#e377c2', '#7f7f7f', '#bcbd22', '#17becf']),
'axes.spines.bottom': True,
'axes.spines.left': True,
'axes.spines.right': True,
'axes.spines.top': True,
'axes.titlecolor': 'auto',
'axes.titlelocation': 'center',
'axes.titlepad': 6.0,
'axes.titlesize': 'large',
'axes.titleweight': 'normal',
'axes.titley': None,
'axes.unicode_minus': True,
'axes.xmargin': 0.05,
'axes.ymargin': 0.05,
'axes.zmargin': 0.05,
'axes3d.automargin': False,
'axes3d.grid': True,
'axes3d.xaxis.panecolor': (0.95, 0.95, 0.95, 0.5),
'axes3d.yaxis.panecolor': (0.9, 0.9, 0.9, 0.5),
'axes3d.zaxis.panecolor': (0.925, 0.925, 0.925, 0.5),
'backend': 'module://matplotlib_inline.backend_inline',
'backend_fallback': True,
'boxplot.bootstrap': None,
'boxplot.boxprops.color': 'black',
'boxplot.boxprops.linestyle': '-',
'boxplot.boxprops.linewidth': 1.0,
'boxplot.capprops.color': 'black',
'boxplot.capprops.linestyle': '-',
'boxplot.capprops.linewidth': 1.0,
'boxplot.flierprops.color': 'black',
'boxplot.flierprops.linestyle': 'none',
'boxplot.flierprops.linewidth': 1.0,
'boxplot.flierprops.marker': 'o',
'boxplot.flierprops.markeredgecolor': 'black',
'boxplot.flierprops.markeredgewidth': 1.0,
'boxplot.flierprops.markerfacecolor': 'none',
'boxplot.flierprops.markersize': 6.0,
'boxplot.meanline': False,
'boxplot.meanprops.color': 'C2',
'boxplot.meanprops.linestyle': '--',
'boxplot.meanprops.linewidth': 1.0,
'boxplot.meanprops.marker': '^',
'boxplot.meanprops.markeredgecolor': 'C2',
'boxplot.meanprops.markerfacecolor': 'C2',
'boxplot.meanprops.markersize': 6.0,
'boxplot.medianprops.color': 'C1',
'boxplot.medianprops.linestyle': '-',
'boxplot.medianprops.linewidth': 1.0,
'boxplot.notch': False,
'boxplot.patchartist': False,
'boxplot.showbox': True,
'boxplot.showcaps': True,
'boxplot.showfliers': True,
'boxplot.showmeans': False,
'boxplot.vertical': True,
'boxplot.whiskerprops.color': 'black',
'boxplot.whiskerprops.linestyle': '-',
'boxplot.whiskerprops.linewidth': 1.0,
'boxplot.whiskers': 1.5,
'contour.algorithm': 'mpl2014',
'contour.corner_mask': True,
'contour.linewidth': None,
'contour.negative_linestyle': 'dashed',
'date.autoformatter.day': '%Y-%m-%d',
'date.autoformatter.hour': '%m-%d %H',
'date.autoformatter.microsecond': '%M:%S.%f',
'date.autoformatter.minute': '%d %H:%M',
'date.autoformatter.month': '%Y-%m',
'date.autoformatter.second': '%H:%M:%S',
'date.autoformatter.year': '%Y',
'date.converter': 'auto',
'date.epoch': '1970-01-01T00:00:00',
'date.interval_multiples': True,
'docstring.hardcopy': False,
'errorbar.capsize': 0.0,
'figure.autolayout': False,
'figure.constrained_layout.h_pad': 0.04167,
'figure.constrained_layout.hspace': 0.02,
'figure.constrained_layout.use': False,
'figure.constrained_layout.w_pad': 0.04167,
'figure.constrained_layout.wspace': 0.02,
'figure.dpi': 100.0,
'figure.edgecolor': 'white',
'figure.facecolor': 'white',
'figure.figsize': [6.4, 4.8],
'figure.frameon': True,
'figure.hooks': [],
'figure.labelsize': 'large',
'figure.labelweight': 'normal',
'figure.max_open_warning': 20,
'figure.raise_window': True,
'figure.subplot.bottom': 0.11,
'figure.subplot.hspace': 0.2,
'figure.subplot.left': 0.125,
'figure.subplot.right': 0.9,
'figure.subplot.top': 0.88,
'figure.subplot.wspace': 0.2,
'figure.titlesize': 'large',
'figure.titleweight': 'normal',
'font.cursive': ['Apple Chancery',
'Textile',
'Zapf Chancery',
'Sand',
'Script MT',
'Felipa',
'Comic Neue',
'Comic Sans MS',
'cursive'],
'font.family': ['sans-serif'],
'font.fantasy': ['Chicago',
'Charcoal',
'Impact',
'Western',
'xkcd script',
'fantasy'],
'font.monospace': ['DejaVu Sans Mono',
'Bitstream Vera Sans Mono',
'Computer Modern Typewriter',
'Andale Mono',
'Nimbus Mono L',
'Courier New',
'Courier',
'Fixed',
'Terminal',
'monospace'],
'font.sans-serif': ['DejaVu Sans',
'Bitstream Vera Sans',
'Computer Modern Sans Serif',
'Lucida Grande',
'Verdana',
'Geneva',
'Lucid',
'Arial',
'Helvetica',
'Avant Garde',
'sans-serif'],
'font.serif': ['DejaVu Serif',
'Bitstream Vera Serif',
'Computer Modern Roman',
'New Century Schoolbook',
'Century Schoolbook L',
'Utopia',
'ITC Bookman',
'Bookman',
'Nimbus Roman No9 L',
'Times New Roman',
'Times',
'Palatino',
'Charter',
'serif'],
'font.size': 10.0,
'font.stretch': 'normal',
'font.style': 'normal',
'font.variant': 'normal',
'font.weight': 'normal',
'grid.alpha': 1.0,
'grid.color': '#b0b0b0',
'grid.linestyle': '-',
'grid.linewidth': 0.8,
'hatch.color': 'black',
'hatch.linewidth': 1.0,
'hist.bins': 10,
'image.aspect': 'equal',
'image.cmap': 'viridis',
'image.composite_image': True,
'image.interpolation': 'antialiased',
'image.interpolation_stage': 'data',
'image.lut': 256,
'image.origin': 'upper',
'image.resample': True,
'interactive': True,
'keymap.back': ['left', 'c', 'backspace', 'MouseButton.BACK'],
'keymap.copy': ['ctrl+c', 'cmd+c'],
'keymap.forward': ['right', 'v', 'MouseButton.FORWARD'],
'keymap.fullscreen': ['f', 'ctrl+f'],
'keymap.grid': ['g'],
'keymap.grid_minor': ['G'],
'keymap.help': ['f1'],
'keymap.home': ['h', 'r', 'home'],
'keymap.pan': ['p'],
'keymap.quit': ['ctrl+w', 'cmd+w', 'q'],
'keymap.quit_all': [],
'keymap.save': ['s', 'ctrl+s'],
'keymap.xscale': ['k', 'L'],
'keymap.yscale': ['l'],
'keymap.zoom': ['o'],
'legend.borderaxespad': 0.5,
'legend.borderpad': 0.4,
'legend.columnspacing': 2.0,
'legend.edgecolor': '0.8',
'legend.facecolor': 'inherit',
'legend.fancybox': True,
'legend.fontsize': 'medium',
'legend.framealpha': 0.8,
'legend.frameon': True,
'legend.handleheight': 0.7,
'legend.handlelength': 2.0,
'legend.handletextpad': 0.8,
'legend.labelcolor': 'None',
'legend.labelspacing': 0.5,
'legend.loc': 'best',
'legend.markerscale': 1.0,
'legend.numpoints': 1,
'legend.scatterpoints': 1,
'legend.shadow': False,
'legend.title_fontsize': None,
'lines.antialiased': True,
'lines.color': 'C0',
'lines.dash_capstyle': <CapStyle.butt: 'butt'>,
'lines.dash_joinstyle': <JoinStyle.round: 'round'>,
'lines.dashdot_pattern': [6.4, 1.6, 1.0, 1.6],
'lines.dashed_pattern': [3.7, 1.6],
'lines.dotted_pattern': [1.0, 1.65],
'lines.linestyle': '-',
'lines.linewidth': 1.5,
'lines.marker': 'None',
'lines.markeredgecolor': 'auto',
'lines.markeredgewidth': 1.0,
'lines.markerfacecolor': 'auto',
'lines.markersize': 6.0,
'lines.scale_dashes': True,
'lines.solid_capstyle': <CapStyle.projecting: 'projecting'>,
'lines.solid_joinstyle': <JoinStyle.round: 'round'>,
'macosx.window_mode': 'system',
'markers.fillstyle': 'full',
'mathtext.bf': 'sans:bold',
'mathtext.bfit': 'sans:italic:bold',
'mathtext.cal': 'cursive',
'mathtext.default': 'it',
'mathtext.fallback': 'cm',
'mathtext.fontset': 'dejavusans',
'mathtext.it': 'sans:italic',
'mathtext.rm': 'sans',
'mathtext.sf': 'sans',
'mathtext.tt': 'monospace',
'patch.antialiased': True,
'patch.edgecolor': 'black',
'patch.facecolor': 'C0',
'patch.force_edgecolor': False,
'patch.linewidth': 1.0,
'path.effects': [],
'path.simplify': True,
'path.simplify_threshold': 0.111111111111,
'path.sketch': None,
'path.snap': True,
'pcolor.shading': 'auto',
'pcolormesh.snap': True,
'pdf.compression': 6,
'pdf.fonttype': 3,
'pdf.inheritcolor': False,
'pdf.use14corefonts': False,
'pgf.preamble': '',
'pgf.rcfonts': True,
'pgf.texsystem': 'xelatex',
'polaraxes.grid': True,
'ps.distiller.res': 6000,
'ps.fonttype': 3,
'ps.papersize': 'letter',
'ps.useafm': False,
'ps.usedistiller': None,
'savefig.bbox': None,
'savefig.directory': '~',
'savefig.dpi': 'figure',
'savefig.edgecolor': 'auto',
'savefig.facecolor': 'auto',
'savefig.format': 'png',
'savefig.orientation': 'portrait',
'savefig.pad_inches': 0.1,
'savefig.transparent': False,
'scatter.edgecolors': 'face',
'scatter.marker': 'o',
'svg.fonttype': 'path',
'svg.hashsalt': None,
'svg.image_inline': True,
'text.antialiased': True,
'text.color': 'black',
'text.hinting': 'force_autohint',
'text.hinting_factor': 8,
'text.kerning_factor': 0,
'text.latex.preamble': '',
'text.parse_math': True,
'text.usetex': False,
'timezone': 'UTC',
'tk.window_focus': False,
'toolbar': 'toolbar2',
'webagg.address': '127.0.0.1',
'webagg.open_in_browser': True,
'webagg.port': 8988,
'webagg.port_retries': 50,
'xaxis.labellocation': 'center',
'xtick.alignment': 'center',
'xtick.bottom': True,
'xtick.color': 'black',
'xtick.direction': 'out',
'xtick.labelbottom': True,
'xtick.labelcolor': 'inherit',
'xtick.labelsize': 'medium',
'xtick.labeltop': False,
'xtick.major.bottom': True,
'xtick.major.pad': 3.5,
'xtick.major.size': 3.5,
'xtick.major.top': True,
'xtick.major.width': 0.8,
'xtick.minor.bottom': True,
'xtick.minor.ndivs': 'auto',
'xtick.minor.pad': 3.4,
'xtick.minor.size': 2.0,
'xtick.minor.top': True,
'xtick.minor.visible': False,
'xtick.minor.width': 0.6,
'xtick.top': False,
'yaxis.labellocation': 'center',
'ytick.alignment': 'center_baseline',
'ytick.color': 'black',
'ytick.direction': 'out',
'ytick.labelcolor': 'inherit',
'ytick.labelleft': True,
'ytick.labelright': False,
'ytick.labelsize': 'medium',
'ytick.left': True,
'ytick.major.left': True,
'ytick.major.pad': 3.5,
'ytick.major.right': True,
'ytick.major.size': 3.5,
'ytick.major.width': 0.8,
'ytick.minor.left': True,
'ytick.minor.ndivs': 'auto',
'ytick.minor.pad': 3.4,
'ytick.minor.right': True,
'ytick.minor.size': 2.0,
'ytick.minor.visible': False,
'ytick.minor.width': 0.6,
'ytick.right': False})
Количество настраиваемых параметров впечатляет. Но к концу раздела мы сформируем собственный файл настроек, и вы убедитесь, насколько легко это на самом деле.
# Это обычный словарь, а значит, можно читать данные
mpl.rcParams["axes.edgecolor"]
'black'
Можно изменять данные в этом словаре. Это изменит стиль графиков глобальным образом (рубрика “Вредные советы”):
# Сделаем оси ядовито-зелёного цвета
mpl.rcParams["axes.edgecolor"] = "#40fd14"
# И утолстим их
mpl.rcParams["axes.linewidth"] = 5
# А ещё сделаем фиолетовые числовые метки на осях
mpl.rcParams["xtick.color"] = "purple"
mpl.rcParams["ytick.color"] = "purple"
# И розовую сетку
mpl.rcParams["grid.color"] = "pink"
mpl.rcParams["grid.linewidth"] = 2
mpl.rcParams["axes.grid"] = True
# Ну и жёлтый фон - куда же без него)
mpl.rcParams["axes.facecolor"] = "yellow"
# И просто построим график
plot_sincos(x);
Реакция любого вашего читателя (даже самого преданного)…
Warning
Кстати, вы изменили поведение любого стиля, т.к. изменили глобальную переменную mpl.rcParams.
Это нехорошо.
Нужно бы вернуть всё, как было.
К счастью, сделать это в программе гораздо проще, чем в жизни:
# Если и делать такое, то строго так
plt.style.use("default")
mpl.rcParams = mpl.rcParamsDefault.copy()
Разумеется, не стоит так оформлять свои графики.
Также не стоит менять оформление через изменение mpl.rcParams - это крайне неудобно в реальных проектах.
Выход есть - использовать собственный файл настроек.
Файл собственных настроек стиля#
Назовём наш файл с настройками sciart.mplstyle.
Это обычный текстовый файл, который определённым образом интерпретируется (считывается) пакетом matplotlib.
Выглядит он просто:
# <- этот символ означает комментарий, как и в Python
# Настраиваем шрифт
# - обычный
font.family: serif
font.size: 12.0
font.serif: Times New Roman
# - в математических выражениях
mathtext.fontset: stix
mathtext.bf: serif:bold
mathtext.bfit: serif:italic:bold
mathtext.it: serif:italic
mathtext.rm: serif
# Настраиваем оси
# - 2D
axes.linewidth: 1.0
axes.grid: True
axes.labelsize: large
# - 3D
axes3d.xaxis.panecolor: (1, 1, 1, 0.5)
axes3d.yaxis.panecolor: (1, 1, 1, 0.5)
axes3d.zaxis.panecolor: (1, 1, 1, 0.5)
# Числовые метки осей
xtick.major.size: 4.0
xtick.major.width: 1.0
ytick.major.size: 4.0
ytick.major.width: 1.0
# Сетка
grid.linestyle: :
# Легенда
legend.fancybox: False
legend.fontsize: medium
# Слегка подстраиваем различные типы графиков
image.origin: lower
hist.bins: auto
scatter.marker: .
# Параметры сохранения по умолчанию
savefig.dpi: 300
savefig.format: tiff
savefig.bbox: tight
Настроек гораздо больше, указали мы далеко не все.
Однако неуказанные настройки будут взяты из mpl.rcParams.
Добавьте этот файл в свой проект и с лёгкостью получайте кастомное оформление либо через контекстный стиль, либо через глобальную настройку:
# Используем контекст
with plt.style.context("sciart.mplstyle"):
_, ax = plot_sincos(x)
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend()
plt.show()
Important
Важно, чтобы используемый вами шрифт (в данном случае Times New Roman) был системным.
# Или через глобальную установку
plt.style.use("sciart.mplstyle")
_, ax = plot_sincos(x)
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend()
plt.show()
Комбинация стилей#
А что, если в качестве стиля указать несколько различных стилей?
with plt.style.context(["dark_background", "sciart.mplstyle"]):
_, ax = plot_sincos(x)
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend()
plt.show()
Чудесным образом мы получили оформление "dark_background", некоторые настройки которого перезаписаны нашим собственным стилем "sciart.mplstyle".
Но и это ещё не всё. Что насчёт чтения настроек стиля прямиком из репозитория в интернете?
Стиль из интернета#
Для того, чтобы получить стиль из любого файла .mplstyle, находящегося где-то в сети, достаточно вместо имени стиля (типа "ggplot") или пути к файлу с настройками (типа "sciart.mplstyle") указать его URL:
# Например, так
with plt.style.context("https://github.com/dhaitz/matplotlib-stylesheets/raw/master/pitayasmoothie-dark.mplstyle"):
_, ax = plot_sincos(x)
ax.set(xlabel="Аргумент $x$", ylabel="Функция $f(x)$")
ax.legend()
plt.show()
Настолько Matplotlib функционален.