Matplotlib `Artist` 对象：对绘图元素进行细粒度控制

好的，各位听众，今天咱们来聊聊Matplotlib里的“艺术家”们，也就是Artist对象。别害怕，我说的不是梵高、莫奈，而是Matplotlib中构成我们漂亮图表的每一个基本元素。掌握了这些“艺术家”，你就能像指挥家一样，对你的图表进行细粒度的控制，让它们按照你的想法跳舞。

啥是Artist？为啥要懂它？

简单来说，Artist 是 Matplotlib 中所有你能看到的东西的基类。比如，线条（Line2D）、文本（Text）、图像（Image）、矩形（Rectangle），甚至是整个坐标轴（Axes）和图形（Figure），它们都是 Artist。

你可能会问：“我平时用 plt.plot()、plt.title() 不也挺好吗？为什么要了解这些底层的 Artist？”

问得好！这就像你开车，知道踩油门和刹车能让你前进和停止，但如果你了解发动机的工作原理，就能更好地保养你的爱车，甚至还能自己改装升级。了解 Artist 能让你：

更灵活地定制图表：默认的 plt.plot() 可能不满足你的需求，你可以通过直接操作 Line2D 对象的属性来定制线条的颜色、线型、粗细等。
更好地理解 Matplotlib 的工作原理：了解了 Artist 的层级结构，你就能更清楚地知道 Matplotlib 是如何一步步绘制出图表的。
更高效地调试代码：当图表出现问题时，你可以通过检查 Artist 对象的属性来快速定位问题。

Artist 的层级结构：一个大家庭

Matplotlib 的 Artist 们组成了一个庞大的家庭，它们按照层级关系组织在一起，就像一个舞台剧：

Figure（舞台）：整个图表的顶层容器，相当于舞台，可以包含多个 Axes。
Axes（舞台上的区域）：一个 Figure 可以包含多个 Axes，每个 Axes 相当于舞台上的一个区域，拥有自己的坐标轴、标题、数据等。
Axis（坐标轴）： Axes 的组成部分，负责显示刻度和标签。
Artist（演员）： Axes 中具体的绘图元素，比如 Line2D、Text、Rectangle 等，它们才是真正出现在图表中的内容。

可以用一个表格来更清晰地展示这个层级结构：

对象	描述	包含
`Figure`	整个图表的容器，可以包含多个 `Axes`。	`Axes`、`Legend`、`Colorbar` 等。
`Axes`	图表中的一个绘图区域，拥有自己的坐标轴、标题、数据等。	`Axis`、`Line2D`、`Text`、`Rectangle` 等。
`Axis`	坐标轴，负责显示刻度和标签。	`Tick`、`Label` 等。
`Artist`	具体的绘图元素，比如线条、文本、矩形等。	无（最底层的元素）。

Artist 的基本属性：控制“演员”的方方面面

每个 Artist 对象都有很多属性，可以用来控制它的外观和行为。常见的属性包括：

visible：是否可见。
alpha：透明度。
zorder：绘制的先后顺序（值越大，越靠上）。
label：标签，用于图例。
color：颜色。
linewidth：线宽。
linestyle：线型。
fontproperties：字体属性，包括字体、大小、粗细等。

你可以通过 set_*() 方法来设置这些属性，通过 get_*() 方法来获取这些属性。

实战演练：操控 Artist 对象

光说不练假把式，下面我们通过一些代码示例来演示如何操控 Artist 对象。

1. 创建 Figure 和 Axes

首先，我们需要创建一个 Figure 对象和一个 Axes 对象：

import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()  # 创建 Figure 和 Axes 对象
print(type(fig))
print(type(ax))

这里我们使用了 plt.subplots() 函数，它可以同时创建 Figure 对象和 Axes 对象。 fig 是 Figure 类的实例， ax 是 AxesSubplot 类的实例（Axes 的一个子类）。

2. 创建 Line2D 对象

接下来，我们创建一个 Line2D 对象，并把它添加到 Axes 对象中：

import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()

x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [2, 4, 1, 3, 5]

line, = ax.plot(x, y) # 返回的是一个列表，所以要解包
print(type(line))

# 或者直接创建 Line2D 对象
from matplotlib.lines import Line2D
line2 = Line2D(x,y)
ax.add_line(line2)
ax.relim() # 重新计算坐标轴的范围，很重要
ax.autoscale_view() # 根据数据自动调整坐标轴的范围

plt.show()

这里我们使用了 ax.plot() 方法来创建一个 Line2D 对象，并自动将其添加到 Axes 对象中。注意 ax.plot() 返回的是一个包含 Line2D 对象的列表，所以我们需要使用 line, 来解包。

3. 修改 Line2D 对象的属性

现在，我们可以修改 Line2D 对象的属性来定制线条的外观：

import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()

x = [1, 2, 3, 4, 5]
y = [2, 4, 1, 3, 5]

line, = ax.plot(x, y)

line.set_color('red')  # 设置颜色为红色
line.set_linewidth(3)  # 设置线宽为 3
line.set_linestyle('--')  # 设置线型为虚线

plt.show()

这段代码将线条的颜色设置为红色，线宽设置为 3，线型设置为虚线。

4. 创建 Text 对象

我们可以使用 ax.text() 方法来创建一个 Text 对象，并把它添加到 Axes 对象中：

import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()

ax.text(2, 3, 'Hello, Matplotlib!', fontsize=12, color='blue')

plt.show()

这段代码在坐标 (2, 3) 的位置添加了一个文本，内容为 "Hello, Matplotlib!"，字体大小为 12，颜色为蓝色。

5. 创建 Rectangle 对象

我们可以使用 matplotlib.patches.Rectangle 类来创建一个 Rectangle 对象，并把它添加到 Axes 对象中：

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.patches as patches

fig, ax = plt.subplots()

rect = patches.Rectangle((1, 1), 2, 3, facecolor='yellow', alpha=0.5)
ax.add_patch(rect)
ax.set_xlim(0, 5)  # 设置 x 轴的范围
ax.set_ylim(0, 5)  # 设置 y 轴的范围

plt.show()

这段代码创建了一个矩形，左下角的坐标为 (1, 1)，宽度为 2，高度为 3，填充颜色为黄色，透明度为 0.5。

6. 获取 Artist 对象

有时候我们需要获取已经存在的 Artist 对象，比如修改图例中的线条样式。我们可以通过 Axes 对象的 get_children() 方法来获取其包含的所有 Artist 对象，然后遍历这些对象，找到我们需要修改的对象。

import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()

x = [1, 2, 3, 4, 5]
y1 = [2, 4, 1, 3, 5]
y2 = [3, 1, 4, 2, 6]

line1, = ax.plot(x, y1, label='Line 1')
line2, = ax.plot(x, y2, label='Line 2')

ax.legend()

# 获取图例对象
legend = ax.get_legend()

# 获取图例中的所有 Line 对象
for line in legend.get_lines():
    line.set_linewidth(4)  # 加粗图例中的线条

plt.show()

这段代码首先创建了一个包含两条线条的图表，并添加了图例。然后，它获取了图例对象，并遍历图例中的所有 Line 对象，将它们的线宽设置为 4。

7. zorder 属性：控制图层的叠放顺序

zorder 属性决定了 Artist 对象的绘制顺序。 zorder 值越大，对象越靠上，也就是越后绘制。默认情况下， Axes 对象的 zorder 值为 0， Line2D 对象的 zorder 值为 2， Text 对象的 zorder 值为 3。

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.patches as patches

fig, ax = plt.subplots()

rect = patches.Rectangle((1, 1), 2, 3, facecolor='yellow', alpha=0.5, zorder=1)
line, = ax.plot([1, 2, 3, 4], [2, 3, 1, 4], zorder=2) # zorder 默认值为 2
text = ax.text(2, 3, 'Hello', zorder=3) # zorder 默认值为 3
ax.add_patch(rect)
ax.set_xlim(0, 5)
ax.set_ylim(0, 5)

plt.show()

在这个例子中，矩形的 zorder 值为 1，线条的 zorder 值为 2，文本的 zorder 值为 3。因此，文本会显示在最上面，线条显示在中间，矩形显示在最下面。如果你将矩形的 zorder 值设置为 4，那么矩形就会显示在最上面，遮盖住线条和文本。

8. Artist 的生命周期：draw() 方法

当你调用 plt.show() 或 fig.savefig() 时， Matplotlib 会遍历 Figure 对象中的所有 Artist 对象，并调用它们的 draw() 方法，将它们绘制到画布上。通常情况下，你不需要直接调用 draw() 方法， Matplotlib 会自动处理。但是，如果你需要自定义绘制过程，可以重写 Artist 类的 draw() 方法。

9. 一个更复杂的例子：自定义图例

假设我们需要创建一个自定义的图例，图例中的每个条目都包含一个自定义的图标和一个文本标签。我们可以通过创建 Artist 对象来实现这个目标。

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.lines as mlines
import matplotlib.patches as mpatches

fig, ax = plt.subplots()

# 创建自定义的图标
line = mlines.Line2D([], [], color='red', marker='o', linestyle='-', label='Line')
square = mpatches.Rectangle((0, 0), 1, 1, facecolor='green', label='Square')

# 添加到图例中
ax.legend(handles=[line, square], loc='best')

plt.show()

在这个例子中，我们首先创建了一个 Line2D 对象和一个 Rectangle 对象，作为自定义的图标。然后，我们使用 ax.legend() 方法将它们添加到图例中。 handles 参数指定了图例中要显示的 Artist 对象列表。

总结：Artist 的力量

掌握 Matplotlib 的 Artist 对象，就像掌握了绘画的笔触，你可以随心所欲地创作出你想要的图表。虽然刚开始学习可能会觉得有些复杂，但一旦你理解了 Artist 的层级结构和基本属性，就能感受到它带来的强大力量。记住，实践是最好的老师，多尝试、多探索，你会发现 Matplotlib 的世界是如此的精彩！

一些额外的提示和技巧：

善用搜索引擎：当你遇到问题时，不要害怕搜索。 Matplotlib 的官方文档和 Stack Overflow 上有很多有用的信息。
查看源代码：如果你想深入了解某个 Artist 对象的工作原理，可以查看 Matplotlib 的源代码。
利用 IPython 的 Tab 自动补全功能： IPython 的 Tab 自动补全功能可以帮助你快速找到 Artist 对象的属性和方法。
使用 plt.gca()： plt.gca() 函数可以获取当前 Axes 对象，方便你进行操作。
使用 plt.gcf()： plt.gcf() 函数可以获取当前 Figure 对象。

希望今天的分享对你有所帮助！祝你绘图愉快！

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