【数据处理】python Matplotlib将图进行局部放大；标出所关注的局部放大子图

前言

在数据可视化中，很多时候需要对某一区间的数据进行局部放大，以获得对比度更高的可视化效果。下面利用 Python 语言的 Matplotlib 库实现一个简单的局部放大图效果。

依赖库

matplotlib：绘图库
numpy：支持大量的维度数组、矩阵运算和数学函数的扩展库

步骤

1. 导入依赖库

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.axes_grid1.inset_locator import mark_inset
from mpl_toolkits.axes_grid1.inset_locator import inset_axes

2. 准备数据

x = np.linspace(-0.1*np.pi, 2*np.pi, 30)
y_1 = np.sinc(x)+0.7
y_2 = np.tanh(x)
y_3 = np.exp(-np.sinc(x))

3. 绘图

fig, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(6, 4))
ax.plot(x, y_1, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
        marker='o', markersize=5,
        markeredgecolor='black', markerfacecolor='C0')

ax.plot(x, y_2, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
        marker='o', markersize=5,
        markeredgecolor='black', markerfacecolor='C3')

ax.plot(x, y_3, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
        marker='o', markersize=5,
        markeredgecolor='black', markerfacecolor='C2')

ax.legend(labels=["y_1", "y_2","y_3"], ncol=3)

效果图如下：

4. 嵌入绘制局部放大图的坐标系

axins = inset_axes(ax, width="40%", height="30%", loc='lower left',
                   bbox_to_anchor=(0.1, 0.1, 1, 1),
                   bbox_transform=ax.transAxes)

参数说明

ax： 父坐标系
width, height： 子坐标系的宽度和高度（百分比形式或者浮点数个数）
loc： 子坐标系的位置
bbox_to_anchor：边界框，四元数组（x0, y0, width, height）
bbox_transform：从父坐标系到子坐标系的几何映射
axins：子坐标系
固定坐标系的宽度和高度以及边界框，分别设置loc为左上、左下、右上（默认）、右下和中间，效果图如下：

关于mpl_toolkits.axes_grid1.inset_locator.inset_axes的详细使用说明可以参考官方文档

https://matplotlib.org/3.2.1/api/_as_gen/mpl_toolkits.axes_grid1.inset_locator.inset_axes.html

在本例子中，将子坐标系嵌入到合适的位置：

axins = inset_axes(ax, width="40%", height="30%", loc='lower left',
                   bbox_to_anchor=(0.5, 0.1, 1, 1),
                   bbox_transform=ax.transAxes)

效果图如下：

另外有一种更加简洁的子坐标系嵌入方法：——推荐

axins = ax.inset_axes((0.2, 0.2, 0.4, 0.3))

ax为父坐标系，后面四个参数同样是（x0, y0, width, height），上述代码的含义是：以父坐标系中的x0=0.2x，y0=0.2y为左下角起点，嵌入一个宽度为0.4x，高度为0.3y的子坐标系，其中x和y分别为父坐标系的坐标轴范围。效果如下图所示：

5. 在子坐标系中绘制原始数据

axins.plot(x, y_1, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
            marker='o', markersize=5,
            markeredgecolor='black', markerfacecolor='C0')

axins.plot(x, y_2, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
            marker='o', markersize=5,
            markeredgecolor='black', markerfacecolor='C3')

axins.plot(x, y_3, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
            marker='o', markersize=5,
            markeredgecolor='black', markerfacecolor='C2')

效果图如下：

6. 设置放大区间，调整子坐标系的显示范围

# 设置放大区间
zone_left = 11
zone_right = 12

# 坐标轴的扩展比例（根据实际数据调整）
x_ratio = 0.5 # x轴显示范围的扩展比例
y_ratio = 0.5 # y轴显示范围的扩展比例

# X轴的显示范围
xlim0 = x[zone_left]-(x[zone_right]-x[zone_left])*x_ratio
xlim1 = x[zone_right]+(x[zone_right]-x[zone_left])*x_ratio

# Y轴的显示范围
y = np.hstack((y_1[zone_left:zone_right], y_2[zone_left:zone_right], y_3[zone_left:zone_right]))
ylim0 = np.min(y)-(np.max(y)-np.min(y))*y_ratio
ylim1 = np.max(y)+(np.max(y)-np.min(y))*y_ratio

# 调整子坐标系的显示范围
axins.set_xlim(xlim0, xlim1)
axins.set_ylim(ylim0, ylim1)

效果图如下：

7. 建立父坐标系与子坐标系的连接线

# loc1 loc2: 坐标系的四个角
# 1 (右上) 2 (左上) 3(左下) 4(右下)
mark_inset(ax, axins, loc1=3, loc2=1, fc="none", ec='k', lw=1)

loc1和loc2分别为父坐标系和子坐标系的四个角，取值为1，2，3，4，对应的四个角分别为：右上，左上，左下，右下。以loc1=3, loc2=1为例，实现的功能为：父坐标系的左下角和子坐标系的左下角相连，父坐标系的右上角和子坐标系的右上角相连。效果图如下：

以上就是利用Matplotlib实现局部放大图画法的例子，关键之处在于bbox_to_anchor参数的设定，利用这个参数可以实现任意位置的坐标系嵌入。

完整的代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.axes_grid1.inset_locator import mark_inset
from mpl_toolkits.axes_grid1.inset_locator import inset_axes

# 准备数据
x = np.linspace(-0.1*np.pi, 2*np.pi, 30)
y_1 = np.sinc(x)+0.7
y_2 = np.tanh(x)
y_3 = np.exp(-np.sinc(x))


# 绘图
fig, ax = plt.subplots(1, 1, figsize=(6, 4))
ax.plot(x, y_1, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
        marker='o', markersize=5,
        markeredgecolor='black', markerfacecolor='C0')

ax.plot(x, y_2, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
        marker='o', markersize=5,
        markeredgecolor='black', markerfacecolor='C3')

ax.plot(x, y_3, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
        marker='o', markersize=5,
        markeredgecolor='black', markerfacecolor='C2')

ax.legend(labels=["y_1", "y_2","y_3"], ncol=3)

# 嵌入绘制局部放大图的坐标系
axins = inset_axes(ax, width="40%", height="30%",loc='lower left',
                   bbox_to_anchor=(0.5, 0.1, 1, 1),
                   bbox_transform=ax.transAxes)

# 在子坐标系中绘制原始数据
axins.plot(x, y_1, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
            marker='o', markersize=5,
            markeredgecolor='black', markerfacecolor='C0')

axins.plot(x, y_2, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
            marker='o', markersize=5,
            markeredgecolor='black', markerfacecolor='C3')

axins.plot(x, y_3, color='k', linestyle=':', linewidth=1,
            marker='o', markersize=5,
            markeredgecolor='black', markerfacecolor='C2')

# 设置放大区间
zone_left = 11
zone_right = 12

# 坐标轴的扩展比例（根据实际数据调整）
x_ratio = 0.5 # x轴显示范围的扩展比例
y_ratio = 0.5 # y轴显示范围的扩展比例

# X轴的显示范围
xlim0 = x[zone_left]-(x[zone_right]-x[zone_left])*x_ratio
xlim1 = x[zone_right]+(x[zone_right]-x[zone_left])*x_ratio

# Y轴的显示范围
y = np.hstack((y_1[zone_left:zone_right], y_2[zone_left:zone_right], y_3[zone_left:zone_right]))
ylim0 = np.min(y)-(np.max(y)-np.min(y))*y_ratio
ylim1 = np.max(y)+(np.max(y)-np.min(y))*y_ratio

# 调整子坐标系的显示范围
axins.set_xlim(xlim0, xlim1)
axins.set_ylim(ylim0, ylim1)

# 建立父坐标系与子坐标系的连接线
# loc1 loc2: 坐标系的四个角
# 1 (右上) 2 (左上) 3(左下) 4(右下)
mark_inset(ax, axins, loc1=3, loc2=1, fc="none", ec='k', lw=1)

# 显示
plt.show()