作者:邁克爾·貝耶勒(Michael Beyeler)

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如果已安裝Anaconda Python版本,就已經(jīng)安裝好了可以使用的 Matplotlib。否則,可能要訪問(wèn)官網(wǎng)并從中獲取安裝說(shuō)明:
正如使用np作為 NumPy 的縮寫,我們將使用一些標(biāo)準(zhǔn)的縮寫來(lái)表示 Matplotlib 的引入:
在本書中,plt接口會(huì)被頻繁使用。
讓我們創(chuàng)建第一個(gè)繪圖。
假設(shè)想要畫出正弦函數(shù)sin(x)的線性圖。得到函數(shù)在x坐標(biāo)軸上0≤x<10內(nèi)所有點(diǎn)的值。我們將使用 NumPy 中的 linspace 函數(shù)來(lái)在x坐標(biāo)軸上創(chuàng)建一個(gè)從0到10的線性空間,以及100個(gè)采樣點(diǎn):
可以使用 NumPy 中的sin函數(shù)得到所有x點(diǎn)的值,并通過(guò)調(diào)用plt中的plot函數(shù)把結(jié)果畫出來(lái):
你親自嘗試了嗎?發(fā)生了什么嗎?有沒(méi)有什么東西出現(xiàn)?
實(shí)際情況是,取決于你在哪里運(yùn)行腳本,可能無(wú)法看到任何東西。有下面幾種可能性:
1. 從.py腳本中繪圖
如果從一個(gè)腳本中運(yùn)行 Matplotlib,需要加上下面的這行調(diào)用:
在腳本末尾調(diào)用這個(gè)函數(shù),你的繪圖就會(huì)出現(xiàn)!
2. 從 IPython shell 中繪圖
這實(shí)際上是交互式地執(zhí)行Matplotlib最方便的方式。為了讓繪圖出現(xiàn),需要在啟動(dòng) IPython 后使用所謂的%matplotlib魔法命令。
接下來(lái),無(wú)須每次調(diào)用plt.show()函數(shù),所有的繪圖將會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)。
3. 從 Jupyter Notebook 中繪圖
如果你是從基于瀏覽器的 Jupyter Notebook 中看這段代碼,需要使用同樣的%matplotlib魔法命令。然而,也可以直接在notebook中嵌入圖形,這會(huì)有兩種輸出選項(xiàng):
在本書中,將會(huì)使用inline選項(xiàng):
現(xiàn)在再次嘗試一下:
上面的命令會(huì)得到下面的繪圖輸出結(jié)果:
如果想要把繪圖保存下來(lái)留作以后使用,可以直接在 IPython 或者 Jupyter Notebook 使用下面的命令保存:
僅需要確保你使用了支持的文件后綴,比如.jpg、.png、.tif、.svg、.eps或者.pdf。
作為本章最后一個(gè)測(cè)試,讓我們對(duì)外部數(shù)據(jù)集進(jìn)行可視化,比如scikit-learn中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集。
為此,需要三個(gè)可視化工具:
那么開(kāi)始引入這些包吧:
第一步是載入實(shí)際數(shù)據(jù):
如果沒(méi)記錯(cuò)的話,digits應(yīng)該有兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)域:data域包含了真正的圖像數(shù)據(jù),target域包含了圖像的標(biāo)簽。相對(duì)于相信我們的記憶,我們還是應(yīng)該對(duì)digits稍加 探索 。輸入它的名字,添加一個(gè)點(diǎn)號(hào),然后按Tab鍵:digits.TAB,這個(gè)操作將向我們展示digits也包含了一些其他的域,比如一個(gè)名為images的域。images和data這兩個(gè)域,似乎簡(jiǎn)單從形狀上就可以區(qū)分。
兩種情況中,第一維對(duì)應(yīng)的都是數(shù)據(jù)集中的圖像數(shù)量。然而,data中所有像素都在一個(gè)大的向量中排列,而images保留了各個(gè)圖像8×8的空間排列。
因此,如果想要繪制出一副單獨(dú)的圖像,使用images將更加合適。首先,使用NumPy的數(shù)組切片從數(shù)據(jù)集中獲取一幅圖像:
這里是從1797個(gè)元素的數(shù)組中獲取了它的第一行數(shù)據(jù),這行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的是8×8=64個(gè)像素。下面就可以使用plt中的imshow函數(shù)來(lái)繪制這幅圖像:
上面的命令得到下面的輸出:
此外,這里也使用cmap參數(shù)指定了一個(gè)顏色映射。默認(rèn)情況下,Matplotlib 使用MATLAB默認(rèn)的顏色映射jet。然而,在灰度圖像的情況下,gray顏色映射更有效。
最后,可以使用plt的subplot函數(shù)繪制全部數(shù)字的樣例。subplot函數(shù)與MATLAB中的函數(shù)一樣,需要指定行數(shù)、列數(shù)以及當(dāng)前的子繪圖索引(從1開(kāi)始計(jì)算)。我們將使用for 循環(huán)在數(shù)據(jù)集中迭代出前十張圖像,每張圖像都分配到一個(gè)單獨(dú)的子繪圖中。
這會(huì)得到下面的輸出結(jié)果:
關(guān)于作者:Michael Beyeler,華盛頓大學(xué)神經(jīng)工程和數(shù)據(jù)科學(xué)專業(yè)的博士后,主攻仿生視覺(jué)計(jì)算模型,用以為盲人植入人工視網(wǎng)膜(仿生眼睛),改善盲人的視覺(jué)體驗(yàn)。 他的工作屬于神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)工程、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的交叉領(lǐng)域。同時(shí)他也是多個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目的積極貢獻(xiàn)者。
本文摘編自《機(jī)器學(xué)習(xí):使用OpenCV和Python進(jìn)行智能圖像處理》,經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。
#PythonDraw.py
import turtle? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? #導(dǎo)入turtle庫(kù)
turtle.setup(650, 350, 200, 200)???#設(shè)置畫布大小和位置
turtle.penup()? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? #抬起畫筆
turtle.fd(-250)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? #畫筆在空中向前飛行-250個(gè)像素
turtle.pendown()? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?#畫筆落下
turtle.pensize(25)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?#畫筆寬度25個(gè)像素
turtle.pencolor("purple")? ? ? ? ? ? ? ?#畫筆顏色為紫色
turtle.seth(-40)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?#海龜方向香油轉(zhuǎn)動(dòng)45度,但是不行進(jìn)
for i in range(4):? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?#這里是一個(gè)循環(huán)
turtle.circle(40, 80)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? #繞著左邊40遠(yuǎn)處的點(diǎn)向轉(zhuǎn)80度
turtle.circle(-40, 80)? ? ? ? ? ? ? ? ? ???#繞著右邊40遠(yuǎn)處的點(diǎn)向轉(zhuǎn)80度
turtle.circle(40, 80/2)? ? ? ? ? ? ? ? ? ?#繞著左邊40遠(yuǎn)處的點(diǎn)向轉(zhuǎn)80/2度
turtle.fd(40)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? #向前40個(gè)像素
turtle.circle(16, 180)? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? #繞著左邊16遠(yuǎn)處的點(diǎn)向轉(zhuǎn)180度
turtle.fd(40 * 2/3)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??#向前40*2/3個(gè)像素
turtle.done()? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?#運(yùn)行完不退出
1.turtle庫(kù)基本介紹
有一只海龜,其在窗體正中心,在畫布上游走,走過(guò)的軌跡形成了繪制的圖形, 海龜由程序控制,可以變換顏色、改變寬度等。
2.turtle庫(kù)繪圖窗體布局
不設(shè)置位置,默認(rèn)在屏幕中心顯示
3.turtle庫(kù)空間坐標(biāo)體系
絕對(duì)坐標(biāo),可以使用goto函數(shù)到達(dá)指定位置
例如:
4.turtle庫(kù)角度坐標(biāo)體系
5.RGB色彩體系
今天開(kāi)始琢磨用Python畫圖,沒(méi)使用之前是一臉懵的,我使用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Pycharm,這個(gè)輸出的是一行行命令,這個(gè)圖畫在哪里呢?
搜索之后發(fā)現(xiàn),它會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框,然后就開(kāi)始畫了,比如下圖
第一個(gè)常用的庫(kù)是Turtle,它是Python語(yǔ)言中一個(gè)很流行的繪制圖像的函數(shù)庫(kù),這個(gè)詞的意思就是烏龜,你可以想象下一個(gè)小烏龜在一個(gè)x和y軸的平面坐標(biāo)系里,從原點(diǎn)開(kāi)始根據(jù)指令控制,爬行出來(lái)就是繪制的圖形了。
它最常用的指令就是旋轉(zhuǎn)和移動(dòng),比如畫個(gè)圓,就是繞著圓心移動(dòng);再比如上圖這個(gè)怎么畫呢,其實(shí)主要就兩個(gè)命令:
turtle.forward(200)
turtle.left(170)
第一個(gè)命令是移動(dòng)200個(gè)單位并畫出來(lái)軌跡
第二個(gè)命令是畫筆順時(shí)針轉(zhuǎn)170度,注意此時(shí)并沒(méi)有移動(dòng),只是轉(zhuǎn)角度
然后呢? 循環(huán)重復(fù)就畫出來(lái)這個(gè)圖了
好玩吧。
有需要仔細(xì)研究的可以看下這篇文章 ,這個(gè)牛人最后用這個(gè)庫(kù)畫個(gè)移動(dòng)的鐘表,太贊了。
Turtle雖好玩,但是我想要的是我給定數(shù)據(jù),然后讓它畫圖,這里就找到另一個(gè)常用的畫圖的庫(kù)了。
Matplotlib是python最著名的繪圖庫(kù),它提供了一整套和matlab相似的命令A(yù)PI,十分適合交互式地行制圖。其中,matplotlib的pyplot模塊一般是最常用的,可以方便用戶快速繪制二維圖表。
使用起來(lái)也挺簡(jiǎn)單,
首先import matplotlib.pyplot as plt?導(dǎo)入畫圖的圖。
然后給定x和y,用這個(gè)命令plt.plot(x, y)就能畫圖了,接著用plt.show()就可以把圖形展示出來(lái)。
接著就是各種完善,比如加標(biāo)題,設(shè)定x軸和y軸標(biāo)簽,范圍,顏色,網(wǎng)格等等,在 這篇文章里介紹的很詳細(xì)。
現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的好處就是你需要什么內(nèi)容,基本上都能搜索出來(lái),而且還是免費(fèi)的。
我為什么要研究這個(gè)呢?當(dāng)然是為了用,比如我把比特幣的曲線自己畫出來(lái)可好?
假設(shè)現(xiàn)在有個(gè)數(shù)據(jù)csv文件,一列是日期,另一列是比特幣的價(jià)格,那用這個(gè)命令畫下:
這兩列數(shù)據(jù)讀到pandas中,日期為df['time']列,比特幣價(jià)格為df['ini'],那我只要使用如下命令
plt.plot(df['time'], df['ini'])
plt.show()
就能得到如下圖:
自己畫的是不是很香,哈哈!
然后呢,我在上篇文章 中介紹過(guò)求Ahr999指數(shù),那可不可以也放到這張圖中呢?不就是加一條命令嘛
plt.plot(df['time'], df['Ahr999'])
圖形如下:
但是,Ahr999指數(shù)怎么就一條線不動(dòng)啊,?原來(lái)兩個(gè)Y軸不一致,顯示出來(lái)太怪了,需要用多Y軸,問(wèn)題來(lái)了。
繼續(xù)谷歌一下,把第二個(gè)Y軸放右邊就行了,不過(guò)呢得使用多圖,重新繪制
fig = plt.figure() # 多圖
ax1 = fig.add_subplot(111)
ax1.plot(df['time'], df['ini'], label="BTC price")? #?繪制第一個(gè)圖比特幣價(jià)格
ax1.set_ylabel('BTC price') #?加上標(biāo)簽
# 第二個(gè)直接對(duì)稱就行了
ax2 = ax1.twinx()#?在右邊增加一個(gè)Y軸
ax2.plot(df['time'], df['Ahr999'], 'r', label="ahr999")??#?繪制第二個(gè)圖Ahr999指數(shù),紅色
ax2.set_ylim([0, 50])# 設(shè)定第二個(gè)Y軸范圍
ax2.set_ylabel('ahr999')
plt.grid(color="k", linestyle=":")# 網(wǎng)格
fig.legend(loc="center")#圖例
plt.show()
跑起來(lái)看看效果,雖然丑了點(diǎn),但終于跑通了。
這樣就可以把所有指數(shù)都繪制到一張圖中,等等,三個(gè)甚至多個(gè)Y軸怎么加?這又是一個(gè)問(wèn)題,留給愛(ài)思考愛(ài)學(xué)習(xí)的你。
有了自己的數(shù)據(jù),建立自己的各個(gè)指數(shù),然后再放到圖形界面中,同時(shí)針對(duì)異常情況再自動(dòng)進(jìn)行提醒,比如要抄底了,要賣出了,用程序做出自己的晴雨表。
對(duì)于氣象繪圖來(lái)講,第一步是對(duì)數(shù)據(jù)的處理,通過(guò)各類公式,或者統(tǒng)計(jì)方法將原始數(shù)據(jù)處理為目標(biāo)數(shù)據(jù)。
按照氣象統(tǒng)計(jì)課程的內(nèi)容,我給出了一些常用到的統(tǒng)計(jì)方法的對(duì)應(yīng)函數(shù):
在計(jì)算氣候態(tài),區(qū)域平均時(shí)均要使用到求均值函數(shù),對(duì)應(yīng)NCL中的dim_average函數(shù),在python中通常使用np.mean()函數(shù)
numpy.mean(a, axis, dtype)
假設(shè)a為[time,lat,lon]的數(shù)據(jù),那么
需要特別注意的是,氣象數(shù)據(jù)中常有缺測(cè),在NCL中,使用求均值函數(shù)會(huì)自動(dòng)略過(guò),而在python中,當(dāng)任意一數(shù)與缺測(cè)(np.nan)計(jì)算的結(jié)果均為np.nan,比如求[1,2,3,4,np.nan]的平均值,結(jié)果為np.nan
因此,當(dāng)數(shù)據(jù)存在缺測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),通常使用np.nanmean()函數(shù),用法同上,此時(shí)[1,2,3,4,np.nan]的平均值為(1+2+3+4)/4 = 2.5
同樣的,求某數(shù)組最大最小值時(shí)也有np.nanmax(), np.nanmin()函數(shù)來(lái)補(bǔ)充np.max(), np.min()的不足。
其他很多np的計(jì)算函數(shù)也可以通過(guò)在前邊加‘nan’來(lái)使用。
另外,
也可以直接將a中缺失值全部填充為0。
np.std(a, axis, dtype)
用法同np.mean()
在NCL中有直接求數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的函數(shù)dim_standardize()
其實(shí)也就是一行的事,根據(jù)需要指定維度即可。
皮爾遜相關(guān)系數(shù):
相關(guān)可以說(shuō)是氣象科研中最常用的方法之一了,numpy函數(shù)中的np.corrcoef(x, y)就可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)計(jì)算。但是在這里我推薦scipy.stats中的函數(shù)來(lái)計(jì)算相關(guān)系數(shù):
這個(gè)函數(shù)缺點(diǎn)和有點(diǎn)都很明顯,優(yōu)點(diǎn)是可以直接返回相關(guān)系數(shù)R及其P值,這避免了我們進(jìn)一步計(jì)算置信度。而缺點(diǎn)則是該函數(shù)只支持兩個(gè)一維數(shù)組的計(jì)算,也就是說(shuō)當(dāng)我們需要計(jì)算一個(gè)場(chǎng)和一個(gè)序列的相關(guān)時(shí),我們需要循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
其中a[time,lat,lon],b[time]
(NCL中為regcoef()函數(shù))
同樣推薦Scipy庫(kù)中的stats.linregress(x,y)函數(shù):
slop: 回歸斜率
intercept:回歸截距
r_value: 相關(guān)系數(shù)
p_value: P值
std_err: 估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差
直接可以輸出P值,同樣省去了做置信度檢驗(yàn)的過(guò)程,遺憾的是仍需同相關(guān)系數(shù)一樣循環(huán)計(jì)算。
Turtle庫(kù)是Python語(yǔ)言中一個(gè)很流行的繪制圖像的函數(shù)庫(kù),想象一個(gè)小烏龜,在一個(gè)橫軸為x、縱軸為y的坐標(biāo)系原點(diǎn),(0,0)位置開(kāi)始,它根據(jù)一組函數(shù)指令的控制,在這個(gè)平面坐標(biāo)系中移動(dòng),從而在它爬行的路徑上繪制了圖形。
畫布就是turtle為我們展開(kāi)用于繪圖區(qū)域,我們可以設(shè)置它的大小和初始位置。
設(shè)置畫布大小
turtle.screensize(canvwidth=None, canvheight=None, bg=None),參數(shù)分別為畫布的寬(單位像素), 高, 背景顏色。
如:turtle.screensize(800,600, "green")
turtle.screensize() #返回默認(rèn)大小(400, 300)
turtle.setup(width=0.5, height=0.75, startx=None, starty=None),參數(shù):width, height: 輸入寬和高為整數(shù)時(shí), 表示像素; 為小數(shù)時(shí), 表示占據(jù)電腦屏幕的比例,(startx, starty): 這一坐標(biāo)表示矩形窗口左上角頂點(diǎn)的位置, 如果為空,則窗口位于屏幕中心。
如:turtle.setup(width=0.6,height=0.6)
turtle.setup(width=800,height=800, startx=100, starty=100)
2.1 畫筆的狀態(tài)
在畫布上,默認(rèn)有一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)為畫布中心的坐標(biāo)軸,坐標(biāo)原點(diǎn)上有一只面朝x軸正方向小烏龜。這里我們描述小烏龜時(shí)使用了兩個(gè)詞語(yǔ):坐標(biāo)原點(diǎn)(位置),面朝x軸正方向(方向), turtle繪圖中,就是使用位置方向描述小烏龜(畫筆)的狀態(tài)。
2.2 畫筆的屬性
畫筆(畫筆的屬性,顏色、畫線的寬度等)
1) turtle.pensize():設(shè)置畫筆的寬度;
2) turtle.pencolor():沒(méi)有參數(shù)傳入,返回當(dāng)前畫筆顏色,傳入?yún)?shù)設(shè)置畫筆顏色,可以是字符串如"green", "red",也可以是RGB 3元組。
3) turtle.speed(speed):設(shè)置畫筆移動(dòng)速度,畫筆繪制的速度范圍[0,10]整數(shù),數(shù)字越大越快。
2.3 繪圖命令
操縱海龜繪圖有著許多的命令,這些命令可以劃分為3種:一種為運(yùn)動(dòng)命令,一種為畫筆控制命令,還有一種是全局控制命令。
(1) 畫筆運(yùn)動(dòng)命令
(2) 畫筆控制命令
(3) 全局控制命令
(4) 其他命令
3. 命令詳解
3.1 turtle.circle(radius, extent=None, steps=None)
描述:以給定半徑畫圓
參數(shù):
radius(半徑):半徑為正(負(fù)),表示圓心在畫筆的左邊(右邊)畫圓;
extent(弧度) (optional);
steps (optional) (做半徑為radius的圓的內(nèi)切正多邊形,多邊形邊數(shù)為steps)。
舉例:
circle(50) # 整圓;
circle(50,steps=3) # 三角形;
circle(120, 180) # 半圓
實(shí)例:
1、太陽(yáng)花
2、五角星
3、時(shí)鐘程序
泰勒?qǐng)D繪制的核心思想是設(shè)計(jì)一個(gè)只有第一象限的極坐標(biāo),并將方差,相關(guān)系數(shù)進(jìn)行捆綁,通過(guò)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)系坐標(biāo)進(jìn)行繪制。為了實(shí)現(xiàn)泰勒?qǐng)D的繪制,我設(shè)計(jì)了兩個(gè)函數(shù):
set_tayloraxes(fig, location=111) 和plot_taylor(axes, refsample, sample, args, *kwargs)
set_tayloraxes()函數(shù)用于建立一個(gè)泰勒?qǐng)D的坐標(biāo)系,這個(gè)自定義函數(shù)一般情況下不建議修改,每一個(gè)參數(shù)都是經(jīng)過(guò)多次調(diào)試得到的,很可能牽一發(fā)動(dòng)全身。因此,將繪圖部分的獨(dú)立成為了plot_taylor函數(shù)(),這部分函數(shù)較為簡(jiǎn)單,目的就是將需要繪圖的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系坐標(biāo),通過(guò)plot函數(shù)將散點(diǎn)打在泰勒?qǐng)D上,這個(gè)函數(shù)模塊較為簡(jiǎn)單,可以根據(jù)自己的輸入數(shù)據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整。
下面介紹下函數(shù)的具體用法:
輸入:
fig: 需要繪圖的figure
rect:圖的位置,如111為1行1列第一個(gè),122為1行2列第2個(gè)
輸出:
polar_ax:泰勒坐標(biāo)系
輸入:
axes : setup_axes返回的泰勒坐標(biāo)系
refsample :參照樣本
sample :評(píng)估樣本
args, *kwargs :plt.plot()函數(shù)的相關(guān)參數(shù),設(shè)置點(diǎn)的顏色,形狀等等。
下面給出示例:
網(wǎng)站欄目:Python函數(shù)繪圖教程,Python函數(shù)繪圖
鏈接分享:http://www.yijiale78.com/article42/dschdec.html
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