如何使用Matplotlib绘制圆角线段端点？

在数据可视化引擎Matplotlib中，绘制直线和折线是常见的绘图任务。但是，通常情况下，绘制的线段的端点是尖锐的，这在某些情况下可能会影响视觉效果。为了解决这个问题，我们可以使用一些技巧来实现线段端点的圆角化。本文将介绍如何使用Matplotlib绘制圆角线段端点。

示例数据

首先，让我们定义一些示例数据来演示如何绘制圆角线段端点。我们可以使用numpy库生成示例数据：

import numpy as np

# 生成示例数据
x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x)

使用圆滑插值生成圆角线段

使用圆滑插值是一种简单的方法来生成带有圆角端点的线段。我们可以使用SciPy中的interp1d函数进行圆滑插值。

以下是一个生成圆角线段的示例代码：

import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.interpolate import interp1d

# 创建插值函数
f = interp1d(x, y, kind='cubic')

# 计算插值
x_new = np.linspace(0, 10, 1000)
y_new = f(x_new)

# 绘制原始曲线
plt.plot(x, y, 'o')

# 绘制圆角线段
plt.plot(x_new, y_new, '-')
plt.show()

在上述代码中，我们首先使用 cubic 方法创建了一个插值函数 f。然后，我们使用新的 x 值计算相应的 y 值，并在原始曲线的基础上绘制圆角线段。

从图中可以看出，生成的线段端点已经变得十分平滑。

使用Bezier曲线生成圆角线段

除了使用圆滑插值外，我们还可以使用Bezier曲线来生成带有圆角端点的线段。

以下是一个生成Bezier曲线的示例代码：

from scipy.special import binom

def bezier_curve(points, num=200):
    """生成Bezier曲线"""
    N = len(points) - 1
    t = np.linspace(0, 1, num=num)
    curve = np.zeros((num, 2))
    for ii in range(num):
        polynomial_sum = np.zeros((2,))
        for jj in range(N + 1):
            bernstein = binom(N, jj) * (1 - t[ii]) ** (N - jj) * t[ii] ** jj
            polynomial_sum += points[jj] * bernstein
        curve[ii] = polynomial_sum
    return curve

# 创建Bezier曲线端点
points = np.zeros((4, 2))
points[0] = [1, 0]
points[1] = [2, 1]
points[2] = [3, -1]
points[3] = [4, 0]

# 生成Bezier曲线
curve = bezier_curve(points)

# 绘制Bezier曲线
plt.plot(points[:, 0], points[:, 1], 'o')
plt.plot(curve[:, 0], curve[:, 1], '-')
plt.show()

在上述代码中，我们首先定义了Bezier曲线的端点 points。然后，我们使用定义的端点生成Bezier曲线，并绘制生成的Bezier曲线。

从图中可以看出，生成的线段端点已经变得十分平滑。

使用Matplotlib绘制圆角线段端点

在Matplotlib中，我们可以使用LineCollection 函数实现绘制带有圆角线段的效果。在这种情况下，我们需要手动指定线段首尾的端点，并使用 PathPatch 函数实现圆角效果。

以下是一个使用Matplotlib绘制圆角线段端点的示例代码：

from matplotlib.collections import LineCollection
from matplotlib.patches import Arc
from matplotlib.path import Path

def rounded_corners(vertices, radius=0.15):
    """通过插值添加圆角效果"""
    num_verts = len(vertices)
    codes = np.ones(num_verts, dtype=int) * Path.LINETO
    codes[0], codes[-1] = Path.MOVETO, Path.STOP
    verts = np.zeros((num_verts + 1, 2))
    verts[:-1] = vertices
    verts[-1] = vertices[0]
    angles = np.zeros((num_verts,))

    for ii in range(num_verts - 1):
        pt1, pt2 = verts[ii : ii + 2]
        dx, dy = pt2 - pt1
        angles[ii] = np.degrees(np.arctan2(dy, dx))

    verts[0] = (verts[1] + verts[0]) / 2.0
    verts[-2] = (verts[-2] + verts[-1]) / 2.0

    codes[1] = Path.CURVE4
    codes[-2] = Path.CURVE4
    verts_list = [verts[0]]

    for ii in range(num_verts - 1):
        start_angle = angles[ii] - 90
        end_angle = angles[ii] + 90
        arc = Arc(
            verts[ii + 1],
            width=2.0 * radius,
            height=2.0 * radius,
            angle=0.0,
            theta1=start_angle,
            theta2=end_angle,
        )
        verts_list.extend(arc.vertices[:-1])
        verts_list.append(verts[ii + 1])

    return np.array(verts_list), codes

# 创建示例线段
segments = np.zeros((4, 2, 2))
segments[:, 0, 0] = np.arange(4)
segments[:, 1, 0] = np.arange(1, 5)
segments[:, :, 1] = np.random.random((4, 2))

# 绘制示例线段
fig, ax = plt.subplots()
line_segments = LineCollection(segments, linewidths=3, colors='purple')
ax.add_collection(line_segments)

# 绘制圆角线段
new_segments = []

for segment in segments:
    new_verts, new_codes = rounded_corners(segment)
    new_segments.append((new_verts, new_codes))

rounded_segments = LineCollection(new_segments, linewidths=3, colors='blue')
ax.add_collection(rounded_segments)

plt.show()

在上述代码中，我们首先创建了示例线段。然后，我们定义了一个 rounded_corners 函数，该函数实现了将线段的端点变为圆角的处理逻辑。最后，我们通过 LineCollection 函数将圆角线段添加到可视化图表中。

从图中可以看出，生成的线段端点已经变得十分平滑。