matplotlib从起点出发(10)_Tutorial_10

使用受约束的绘图干净整洁地将图形合适排列。

受约束的布局会自动调整子图，以便刻度标签、图例和颜色条等装饰不会重叠，同时仍保留用户请求的逻辑布局。

受约束布局类似于“紧密布局”，但它要更灵活。它处理放置在多个轴上的Axes(放置颜色条)嵌套布局（子图）和跨越行或列的Axes(子图拼接)，努力将Axes中的脊对齐在同一行或同一列中。此外，压缩布局将尝试将固定纵横比Axes移动得更近。本文档介绍了这些功能，并在最后讨论了一些实现的细节。

在将任何Axes添加到图窗之前，通常需要激活受约束的布局，有两种方法可以做到这一点。

使用相应的参数进行子绘图、图形的子图拼接，例如：

plt.subplots(layout="constrained")

通过rcParams激活它，例如：

plt.rcParams['figure.constrained_layout.use'] = True

以下各节将详细介绍这些内容。

注意
调用plt.tight_layout()会关闭掉受约束布局！

1. 简单的例子

在matplotlib中，Axes(包括子图）的位置以归一化的图形坐标指定。轴标签或标题（有时甚至是刻度标签）可能会超出图窗区域，从而遭到剪裁

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

import matplotlib.colors as mcolors
import matplotlib.gridspec as gridspec

plt.rcParams['savefig.facecolor'] = "0.8"
plt.rcParams['figure.figsize'] = 4.5, 4.
plt.rcParams['figure.max_open_warning'] = 50


def example_plot(ax, fontsize=12, hide_labels=False):
    ax.plot([1, 2])

    ax.locator_params(nbins=3)
    if hide_labels:
        ax.set_xticklabels([])
        ax.set_yticklabels([])
    else:
        ax.set_xlabel('x-label', fontsize=fontsize)
        ax.set_ylabel('y-label', fontsize=fontsize)
        ax.set_title('Title', fontsize=fontsize)

fig, ax = plt.subplots(layout=None)
example_plot(ax, fontsize=24)

在这里插入图片描述

为了避免遭到这种问题，需要调整图像Axes的位置。对于子图，可以通过使用Figure.subplots_adjust调整子图参数来手动完成，但是，使用layout="constrained"关键字参数指定图形将自动进行调整。

fig, ax = plt.subplots(layout="constrained")
example_plot(ax, fontsize=24)

在这里插入图片描述

当有多幅子图需要绘制时，经常会发现它们之间出现互相遮盖的问题。

fig, axs = plt.subplots(2, 2, layout=None)
for ax in axs.flat:
    example_plot(ax)

在这里插入图片描述

在对plt.subplots的调用中指定layout="constrained"会使得布局受到适当的约束。

fig, axs = plt.subplots(2, 2, layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    example_plot(ax)

在这里插入图片描述

2. 颜色条

如果使用Figure.colorbar创建颜色条，则需要为其腾出空间。受约束的布局会自动执行此操作。请注意，如果指定use_gridspec=True，它将被忽略，因为此选项用于通过tight_layout来改进布局。

注意：
对于pcolormesh关键字参数（pc_kwargs)，我们使用字典来保持本文档中调用的一致性。

arr = np.arange(100).reshape((10, 10))
norm = mcolors.Normalize(vmin=0., vmax=100.)
# 参看上面的注意，下面的设置可以保持样式的一致性:
pc_kwargs = {'rasterized': True, 'cmap': 'viridis', 'norm': norm}
fig, ax = plt.subplots(figsize=(4, 4), layout="constrained")
im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
fig.colorbar(im, ax=ax, shrink=0.6)

在这里插入图片描述

如果将Axes（或其他可迭代容器）列表指定到colorbar的ax参数，则受约束的布局将从指定的Axis轴中占用空间。

fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(4, 4), layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
fig.colorbar(im, ax=axs, shrink=0.6)

在这里插入图片描述

如果从Axes网格内指定Axes列表，则颜色条将适当地窃取空间，并留出间隙，但所有子图的大小仍将相同。

fig, axs = plt.subplots(3, 3, figsize=(4, 4), layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
fig.colorbar(im, ax=axs[1:, 1], shrink=0.8)
fig.colorbar(im, ax=axs[:, -1], shrink=0.6)

在这里插入图片描述

3. 总标题

受约束的布局也可以为总标题腾出空间。

fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(4, 4), layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
fig.colorbar(im, ax=axs, shrink=0.6)
fig.suptitle('Big Suptitle')

在这里插入图片描述

4. 图例

图像可以放在其父轴之外，Constrained layout旨在为Axes.legend()处理此问题。但是，受约束的布局还不能处理通过Figure.legend()创建的图例。

fig, ax = plt.subplots(layout="constrained")
ax.plot(np.arange(10), label='This is a plot')
ax.legend(loc='center left', bbox_to_anchor=(0.8, 0.5))

在这里插入图片描述

但是，这将从子图布局中窃取空间：

fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(4, 2), layout="constrained")
axs[0].plot(np.arange(10))
axs[1].plot(np.arange(10), label='This is a plot')
axs[1].legend(loc='center left', bbox_to_anchor=(0.8, 0.5))

在这里插入图片描述

为了让图例或其他的artist对象不从子布局中窃取空间，我们可以让leg.set_in_layout(False)。当然，这可能意味着图例最终会被裁剪，但如果随后使用fig.savefig('outname.png',bbox_inches='tight')调用图，则图例会很有用。但是请注意，必须再次切换图例的get_in_layout状态才能使保存的文件正常工作，如果我们希望受约束的布局在打印前调整Axes的大小，则必须手动触发绘制。

fig, axs = plt.subplots(1, 2, figsize=(4, 2), layout="constrained")

axs[0].plot(np.arange(10))
axs[1].plot(np.arange(10), label='This is a plot')
leg = axs[1].legend(loc='center left', bbox_to_anchor=(0.8, 0.5))
leg.set_in_layout(False)
# trigger a draw so that constrained layout is executed once
# before we turn it off when printing....
fig.canvas.draw()
# we want the legend included in the bbox_inches='tight' calcs.
leg.set_in_layout(True)
# we don't want the layout to change at this point.
fig.set_layout_engine('none')
try:
    fig.savefig('../../../doc/_static/constrained_layout_1b.png',
                bbox_inches='tight', dpi=100)
except FileNotFoundError:
    # this allows the script to keep going if run interactively and
    # the directory above doesn't exist
    pass

在这里插入图片描述

保存的文件如下所示：
在这里插入图片描述

5. 填充和空间

Axes之间的填充在水平方向上由w_pad和wspace控制，垂直方向由h_pad和hspace控制。这些可以通过设置进行编辑。w/h_pad是Axes周围的最小空间，以英寸为单位：

fig, axs = plt.subplots(2, 2, layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    example_plot(ax, hide_labels=True)
fig.get_layout_engine().set(w_pad=4 / 72, h_pad=4 / 72, hspace=0,
                            wspace=0)

在这里插入图片描述

子图之间的间距由wspace和hspace进一步设置。这些值被指定为整个子图组大小的一小部分。如果这些值小于w_pad或h_pad，则改用固定焊盘。请注意，在下面的环境中，边缘的空间与上面的空间没有变化，但子图之间的空间却发生了变化。

fig, axs = plt.subplots(2, 2, layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    example_plot(ax, hide_labels=True)
fig.get_layout_engine().set(w_pad=4 / 72, h_pad=4 / 72, hspace=0.2,
                            wspace=0.2)

在这里插入图片描述

如果有两列以上，则wspace在它们之间共享，因此这里wspace一分为二，每列之间的wspace为0.1：

fig, axs = plt.subplots(2, 3, layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    example_plot(ax, hide_labels=True)
fig.get_layout_engine().set(w_pad=4 / 72, h_pad=4 / 72, hspace=0.2,
                            wspace=0.2)

在这里插入图片描述

GridSpecs还具有可选的hspace和wspace关键字参数，这些参数将用于代替受约束布局设置的填充：

fig, axs = plt.subplots(2, 2, layout="constrained",
                        gridspec_kw={'wspace': 0.3, 'hspace': 0.2})
for ax in axs.flat:
    example_plot(ax, hide_labels=True)
# this has no effect because the space set in the gridspec trumps the
# space set in *constrained layout*.
fig.get_layout_engine().set(w_pad=4 / 72, h_pad=4 / 72, hspace=0.0,
                            wspace=0.0)

在这里插入图片描述

带有颜色条的空间

颜色条放置在与其父项的距离填充上，其中填充是父项宽度的一小部分。然后，下一个子图的间距由w/hspace给出。

fig, axs = plt.subplots(2, 2, layout="constrained")
pads = [0, 0.05, 0.1, 0.2]
for pad, ax in zip(pads, axs.flat):
    pc = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
    fig.colorbar(pc, ax=ax, shrink=0.6, pad=pad)
    ax.set_xticklabels([])
    ax.set_yticklabels([])
    ax.set_title(f'pad: {pad}')
fig.get_layout_engine().set(w_pad=2 / 72, h_pad=2 / 72, hspace=0.2,
                            wspace=0.2)

在这里插入图片描述

6. rcParams

可以在脚本或matplotlibrc文件中设置五个rcParams。它们都具有前缀figure.constrained_layout：

use: 是否使用受约束的布局。默认值为False；
w_pad,h_pad: 围绕Axes对象进行填充。表示英寸的浮点数。默认值为3./72.英寸(3pts);
wspace,hspace：子图组之间的间距。浮点数表示要分隔的子图宽度的一小部分。默认值为0.02。

plt.rcParams['figure.constrained_layout.use'] = True
fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(3, 3))
for ax in axs.flat:
    example_plot(ax)

在这里插入图片描述

7. 使用GridSpec

约束布局旨在与subplots()、subplot_mosaic()或带有add_subplot()的GridSpec()一起使用。

注意到这些是跟在layout="constrained"

plt.rcParams['figure.constrained_layout.use'] = False
fig = plt.figure(layout="constrained")

gs1 = gridspec.GridSpec(2, 1, figure=fig)
ax1 = fig.add_subplot(gs1[0])
ax2 = fig.add_subplot(gs1[1])

example_plot(ax1)
example_plot(ax2)

在这里插入图片描述

可以进行更复杂的网格规范布局。请清廉，这里我们使用便利函数add_gridspec和subgridspec。

fig = plt.figure(layout="constrained")

gs0 = fig.add_gridspec(1, 2)

gs1 = gs0[0].subgridspec(2, 1)
ax1 = fig.add_subplot(gs1[0])
ax2 = fig.add_subplot(gs1[1])

example_plot(ax1)
example_plot(ax2)

gs2 = gs0[1].subgridspec(3, 1)

for ss in gs2:
    ax = fig.add_subplot(ss)
    example_plot(ax)
    ax.set_title("")
    ax.set_xlabel("")

ax.set_xlabel("x-label", fontsize=12)

在这里插入图片描述

请注意，在上面的列中，左列和右列的垂直范围不同。如果我们希望两个网格的顶部和底部对齐，那么它们需要位于同一个网格规范中。我们还需要使这个数字变大，以便Axes不会折叠到零高度：

fig = plt.figure(figsize=(4, 6), layout="constrained")

gs0 = fig.add_gridspec(6, 2)

ax1 = fig.add_subplot(gs0[:3, 0])
ax2 = fig.add_subplot(gs0[3:, 0])

example_plot(ax1)
example_plot(ax2)

ax = fig.add_subplot(gs0[0:2, 1])
example_plot(ax, hide_labels=True)
ax = fig.add_subplot(gs0[2:4, 1])
example_plot(ax, hide_labels=True)
ax = fig.add_subplot(gs0[4:, 1])
example_plot(ax, hide_labels=True)
fig.suptitle('Overlapping Gridspecs')

在这里插入图片描述

此示例使用两个gridspec使颜色条仅与一组pcolor相关。请注意，由于这个原因，左边的列比右边的两列宽。当然，如果你希望子图的大小相同，则只需要一个网格规范。请注意，使用子图可以达到相同的效果。

fig = plt.figure(layout="constrained")
gs0 = fig.add_gridspec(1, 2, figure=fig, width_ratios=[1, 2])
gs_left = gs0[0].subgridspec(2, 1)
gs_right = gs0[1].subgridspec(2, 2)

for gs in gs_left:
    ax = fig.add_subplot(gs)
    example_plot(ax)
axs = []
for gs in gs_right:
    ax = fig.add_subplot(gs)
    pcm = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
    ax.set_xlabel('x-label')
    ax.set_ylabel('y-label')
    ax.set_title('title')
    axs += [ax]
fig.suptitle('Nested plots using subgridspec')
fig.colorbar(pcm, ax=axs)

在这里插入图片描述

Matplotlib现在不再使用subgridspecs，而是提供了子图形，这些子图形也适用于受约束的布局：

fig = plt.figure(layout="constrained")
sfigs = fig.subfigures(1, 2, width_ratios=[1, 2])

axs_left = sfigs[0].subplots(2, 1)
for ax in axs_left.flat:
    example_plot(ax)

axs_right = sfigs[1].subplots(2, 2)
for ax in axs_right.flat:
    pcm = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
    ax.set_xlabel('x-label')
    ax.set_ylabel('y-label')
    ax.set_title('title')
fig.colorbar(pcm, ax=axs_right)
fig.suptitle('Nested plots using subfigures')

在这里插入图片描述

8. 手动设置Axes位置

手动设置Axes位置可能是有充分理由的。手动调用set_position将设置Axes，因此受约束的布局不再对其产生影响。（请注意，受约束的布局仍会为移动的Axes留出空间）。

fig, axs = plt.subplots(1, 2, layout="constrained")
example_plot(axs[0], fontsize=12)
axs[1].set_position([0.2, 0.2, 0.4, 0.4])

在这里插入图片描述

9. 固定纵横比的网格：压缩布局

受约束的布局在Axes的原始位置网格上运行。但是，当轴具有固定的纵横比时，一侧通常会变短，并在缩短的方向上留下较大的间隙。在下图中，Axes是正方形的，但图形很宽，因此存在水平间隙：

fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(5, 3),
                        sharex=True, sharey=True, layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    ax.imshow(arr)
fig.suptitle("fixed-aspect plots, layout='constrained'")

在这里插入图片描述

解决这个问题的一个明显方法是使图形大小更方形，但是，缩小差距完全需要反复试验。对于简单的轴网格，我们可以使用layout="compressed"为我们完成这项工作：

fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(5, 3),
                        sharex=True, sharey=True, layout='compressed')
for ax in axs.flat:
    ax.imshow(arr)
fig.suptitle("fixed-aspect plots, layout='compressed'")

在这里插入图片描述

10. 手动关闭受约束的布局

受约束的布局通常会调整图形每次绘制时的Axes位置。如果要获取受约束布局提供的间距，但不对其进行更新，请执行初始绘制，然后调用fig.set_layout_engine('none')。这对于刻度标签可能更改长度的动画可能很有用。

请注意，对于使用工具栏的后端，ZOOM和PAN GUI事件的约束布处于关闭状态。这样可以防止Axes在缩放和平移期间改变位置。

11. 限制

不兼容的功能

受约束的布局将适用于pyplot.subplot，但前提是每次调用的行数和列数相同。原因是，如果几何形状不同且布局受约束，则每次调用pyplot.subplot都会创建一个新的GridSpec实例。因此，以下工作正常：

fig = plt.figure(layout="constrained")

ax1 = plt.subplot(2, 2, 1)
ax2 = plt.subplot(2, 2, 3)
# third Axes that spans both rows in second column:
ax3 = plt.subplot(2, 2, (2, 4))

example_plot(ax1)
example_plot(ax2)
example_plot(ax3)
plt.suptitle('Homogenous nrows, ncols')

在这里插入图片描述

但以下情况会导致布局不佳：

fig = plt.figure(layout="constrained")

ax1 = plt.subplot(2, 2, 1)
ax2 = plt.subplot(2, 2, 3)
ax3 = plt.subplot(1, 2, 2)

example_plot(ax1)
example_plot(ax2)
example_plot(ax3)
plt.suptitle('Mixed nrows, ncols')

在这里插入图片描述

类似地，subplot2gird的工作限制与nrows和ncols无法更改以使布局看起来不错相同的限制。

fig = plt.figure(layout="constrained")

ax1 = plt.subplot2grid((3, 3), (0, 0))
ax2 = plt.subplot2grid((3, 3), (0, 1), colspan=2)
ax3 = plt.subplot2grid((3, 3), (1, 0), colspan=2, rowspan=2)
ax4 = plt.subplot2grid((3, 3), (1, 2), rowspan=2)

example_plot(ax1)
example_plot(ax2)
example_plot(ax3)
example_plot(ax4)
fig.suptitle('subplot2grid')

在这里插入图片描述

其他注意事项

受约束的布局仅考虑刻度标签、轴标签、标题和图例。因此，其他artist对象可能会被剪裁，也可能重叠。
它假定刻度标签、轴标签和标题所需的额外空间与轴的原始位置无关。这通常是正确的，但在极少数情况下并非如此。
后端处理呈现字体的方式存在细微差异，因此结果不会在像素上完全相同。
如果artist对象使用的坐标区坐标超出了坐标区边界，则在添加到坐标区时，将导致布局异常。通过使用add_artist()将artist对象直接添加到图中，可以避免这种情况。有关示例，请参阅ConnectionPatch。

12. 调试bug

受约束的布局可能会以某种意想不到的方式失败。由于它使用约束求解器，因此求解器可以找到数学上正确的解决方案，但这些解决方案根本不是用户想要的。通常的故障模式是所有尺寸都折叠到其最小允许值。如果发生这种情况，则有两个原因之一：

没有足够的空间来容纳你请求绘制的元素；
有一个错误-在这种情况下，在以下位置打开一个issue:matplotlib/matplotlib#issues.

如果有错误，请报告一个独立的示例，不需要外部数据或依赖项（numpy除外）。

13. 关于算法的注意事项

约束的算法相对简单，但由于我们可以布置图形的复杂方式，因此具有一定的复杂性。

Matplotlib中的布局是通过GridSpec类使用gridspec执行的。网格规范是将图形逻辑划分为行和列，这些行和列中轴的相对宽度由width_ratios和height_ratios设置。

在受约束的布局中，每个gridspec都会获得一个与之关联的layoutgrid。layoutgrid每列都有一系列左右变量，每行都有bottom和top变量，此外，它还有左、右、下和上各边的边距。在每一行中，下边距和上边距被加宽，直到容纳该行中的所有修饰器。同样，对于列和左边距/右边距。

简单例证：一个Axes

对于单个Axes，布局是直接的。对于由一列和一行组成的图窗，有一个父layoutgird，对于包含轴的gridspec，有一个子layoutgrid，同样由一行和一列组成。Axes的每一侧都有空间用于“装饰”。在代码中，这是通过do_constrained_layout()中的条目完成的，例如：

gridspec._layoutgrid[0, 0].edit_margin_min('left',
      -bbox.x0 + pos.x0 + w_pad)

其中bbox是Axes的紧密边界框，并定位其位置。请注意四个边距如何包含Axes装饰。

from matplotlib._layoutgrid import plot_children

fig, ax = plt.subplots(layout="constrained")
example_plot(ax, fontsize=24)
plot_children(fig)

在这里插入图片描述

简单例证：两个Axes

当有多个Axes时，它们的布局以简单的方式绑定。在此示例中，左Axes的修饰比右Axes大得多，但它们共享一个底部边距，该边距足够大以容纳较大的xlabel。与共享的上边距相同。左边距和右边距不共享，因此允许不同。

fig, ax = plt.subplots(1, 2, layout="constrained")
example_plot(ax[0], fontsize=32)
example_plot(ax[1], fontsize=8)
plot_children(fig)

在这里插入图片描述

两个Axes和颜色条

颜色条只是扩展父layoutgrid单元格边距的另一个项目：

fig, ax = plt.subplots(1, 2, layout="constrained")
im = ax[0].pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
fig.colorbar(im, ax=ax[0], shrink=0.6)
im = ax[1].pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
plot_children(fig)

在这里插入图片描述

与GridSpec关联的颜色条

如果颜色条属于网格的多个单元格，则它为每个单元格创建更大的边距：

fig, axs = plt.subplots(2, 2, layout="constrained")
for ax in axs.flat:
    im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
fig.colorbar(im, ax=axs, shrink=0.6)
plot_children(fig)

在这里插入图片描述

尺寸不均匀的Axes

有两种方法可以使Axes在GridSpec布局中具有不均匀的大小，一种是指定它们跨GridSpecs行或列，另一种是指定宽度和高度比率。

这里使用第一种方法。请注意，中间的上边距和下边距不受左侧列的影响。这是算法有意识的决定，并导致两个右手轴有相同的高度，但不是左手轴高度的1/2。这与gridspec在没有受约束布局的情况下的工作方式是一致的。

fig = plt.figure(layout="constrained")
gs = gridspec.GridSpec(2, 2, figure=fig)
ax = fig.add_subplot(gs[:, 0])
im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
ax = fig.add_subplot(gs[0, 1])
im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
ax = fig.add_subplot(gs[1, 1])
im = ax.pcolormesh(arr, **pc_kwargs)
plot_children(fig)

在这里插入图片描述

需要调整的一个情况是，如果边距没有任何artist对象限制其宽度。在下面的例子中，第0列的右边距和第3列的左边距没有边距artist对象来设置其宽度，因此我们取有artist的边距宽度的最大宽度。这使得所有Axes都具有相同的大小：

fig = plt.figure(layout="constrained")
gs = fig.add_gridspec(2, 4)
ax00 = fig.add_subplot(gs[0, 0:2])
ax01 = fig.add_subplot(gs[0, 2:])
ax10 = fig.add_subplot(gs[1, 1:3])
example_plot(ax10, fontsize=14)
plot_children(fig)
plt.show()