Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用|极客笔记

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

参考：Matplotlib.artist.Artist.get_contains() in Python

Matplotlib是Python中最流行的数据可视化库之一，它提供了丰富的绘图功能和灵活的自定义选项。在Matplotlib的架构中，Artist对象是构建可视化图形的基本单元。本文将深入探讨Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法，这是一个用于判断某个点是否包含在Artist对象内的重要方法。我们将详细介绍get_contains()方法的原理、用法以及在实际应用中的各种场景。

1. Artist对象简介

在深入了解get_contains()方法之前，我们需要先了解Matplotlib中的Artist对象。Artist是Matplotlib中所有可视化元素的基类，包括图形、轴、线条、文本等。每个Artist对象都有自己的属性和方法，用于控制其外观和行为。

以下是一个简单的示例，展示了如何创建一个基本的Artist对象：

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

fig, ax = plt.subplots()
circle = patches.Circle((0.5, 0.5), 0.2, fill=False)
ax.add_artist(circle)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Basic Artist Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了一个Circle对象，它是Artist的一个子类。我们将这个圆形添加到坐标轴中，从而在图形上显示出来。

2. get_contains()方法概述

get_contains()是Artist类中的一个方法，它返回一个函数，该函数用于判断给定的点是否包含在Artist对象内。这个方法在处理鼠标事件、选择图形元素等交互操作中非常有用。

get_contains()方法的基本语法如下：

contains_func = artist.get_contains()

返回的contains_func是一个函数，它接受两个参数：

鼠标事件对象（通常包含鼠标位置信息）
转换器对象（用于坐标转换）

contains_func返回一个元组，包含两个元素：

一个布尔值，表示点是否包含在Artist对象内
一个字典，包含额外的信息（如最近点的索引等）

3. 使用get_contains()方法

让我们通过一个简单的例子来了解如何使用get_contains()方法：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
line, = ax.plot(np.random.rand(10), 'o-', label='How2matplotlib.com')

contains_func = line.get_contains()
event = type('Event', (), {'xdata': 0.5, 'ydata': 0.5})()
result = contains_func(event)

print(f"Point (0.5, 0.5) is contained: {result[0]}")
ax.set_title("How2matplotlib.com - get_contains() Example")
plt.legend()
plt.show()

在这个例子中，我们首先创建了一个包含随机数据的线条图。然后，我们获取了线条对象的contains_func。我们创建了一个模拟的事件对象，包含x和y坐标。最后，我们调用contains_func来检查点(0.5, 0.5)是否包含在线条中。

4. 自定义contains函数

虽然Artist对象默认提供了contains函数，但有时我们可能需要自定义这个函数来满足特定需求。我们可以通过set_contains()方法来设置自定义的contains函数。

以下是一个自定义contains函数的例子：

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

def custom_contains(artist, event):
    x, y = event.xdata, event.ydata
    return (0 <= x <= 1 and 0 <= y <= 1), {}

fig, ax = plt.subplots()
rect = patches.Rectangle((0, 0), 1, 1, fill=False)
rect.set_contains(custom_contains)
ax.add_patch(rect)

contains_func = rect.get_contains()
event = type('Event', (), {'xdata': 0.5, 'ydata': 0.5})()
result = contains_func(event)

print(f"Point (0.5, 0.5) is contained: {result[0]}")
ax.set_title("How2matplotlib.com - Custom contains() Example")
plt.show()

在这个例子中，我们定义了一个自定义的contains函数，它检查点是否在单位正方形内。我们将这个函数设置为Rectangle对象的contains函数，然后使用get_contains()方法获取并测试它。

5. get_contains()在交互式绘图中的应用

get_contains()方法在创建交互式绘图时特别有用。例如，我们可以使用它来实现鼠标悬停效果或点击选择功能。

以下是一个使用get_contains()实现鼠标悬停效果的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
scatter = ax.scatter(np.random.rand(10), np.random.rand(10), s=100)

def hover(event):
    if event.inaxes == ax:
        cont, _ = scatter.contains(event)
        if cont:
            scatter.set_facecolors('red')
        else:
            scatter.set_facecolors('blue')
        fig.canvas.draw_idle()

fig.canvas.mpl_connect('motion_notify_event', hover)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Hover Effect Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了一个散点图，并定义了一个hover函数来处理鼠标移动事件。当鼠标悬停在点上时，点的颜色会变为红色；否则，点的颜色保持蓝色。

6. get_contains()在选择图形元素中的应用

get_contains()方法也可以用于实现图形元素的选择功能。以下是一个允许用户通过点击选择线条的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
lines = [ax.plot(np.random.rand(10), label=f'Line {i+1}')[0] for i in range(3)]

def on_click(event):
    if event.inaxes == ax:
        for line in lines:
            cont, _ = line.contains(event)
            if cont:
                line.set_linewidth(3)
            else:
                line.set_linewidth(1)
        fig.canvas.draw_idle()

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_click)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Line Selection Example")
plt.legend()
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了三条线，并定义了一个on_click函数来处理鼠标点击事件。当用户点击一条线时，该线的宽度会增加，而其他线的宽度保持不变。

7. get_contains()在自定义Artist中的应用

当我们创建自定义的Artist对象时，我们可能需要实现自己的contains方法。以下是一个自定义Artist的例子，它实现了自己的contains方法：

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

class CustomShape(patches.Patch):
    def __init__(self, xy, width, height, **kwargs):
        super().__init__(**kwargs)
        self.xy = xy
        self.width = width
        self.height = height
        self._path = path.Path.unit_rectangle()
        self._transform = plt.transforms.Affine2D().scale(width, height).translate(*xy)

    def get_path(self):
        return self._path

    def get_transform(self):
        return self._transform

    def contains(self, mouseevent):
        inside = self._path.contains_point(self._transform.inverted().transform_point((mouseevent.xdata, mouseevent.ydata)))
        return inside, {}

fig, ax = plt.subplots()
custom_shape = CustomShape((0.2, 0.2), 0.6, 0.4, facecolor='lightblue', edgecolor='blue')
ax.add_patch(custom_shape)

def on_click(event):
    if event.inaxes == ax:
        cont, _ = custom_shape.contains(event)
        if cont:
            custom_shape.set_facecolor('red')
        else:
            custom_shape.set_facecolor('lightblue')
        fig.canvas.draw_idle()

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_click)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Custom Artist Example")
plt.show()

在这个例子中，我们创建了一个CustomShape类，它是patches.Patch的子类。我们实现了自己的contains方法，用于判断点是否在自定义形状内。我们还添加了一个点击事件处理函数，当用户点击形状时，形状的颜色会改变。

8. get_contains()在动画中的应用

get_contains()方法也可以在动画中使用，例如创建一个可以与用户交互的动画。以下是一个简单的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
scatter = ax.scatter(np.random.rand(10), np.random.rand(10), s=100)
selected = np.zeros(10, dtype=bool)

def update(frame):
    offsets = scatter.get_offsets()
    offsets[:, 0] = (offsets[:, 0] + 0.01) % 1
    scatter.set_offsets(offsets)
    scatter.set_array(selected)
    return scatter,

def on_click(event):
    if event.inaxes == ax:
        cont, ind = scatter.contains(event)
        if cont:
            i = ind['ind'][0]
            selected[i] = not selected[i]

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_click)
ani = animation.FuncAnimation(fig, update, frames=200, interval=50, blit=True)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Interactive Animation Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了一个散点图动画，点会沿x轴移动。用户可以通过点击来选择或取消选择点。被选中的点会变色。

9. get_contains()在复杂图形中的应用

get_contains()方法在处理复杂图形时也非常有用。例如，我们可以使用它来实现一个交互式的饼图：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
sizes = [30, 20, 25, 15, 10]
labels = ['A', 'B', 'C', 'D', 'E']
explode = [0.1, 0, 0, 0, 0]
wedges, texts, autotexts = ax.pie(sizes, explode=explode, labels=labels, autopct='%1.1f%%', startangle=90)

def on_click(event):
    if event.inaxes == ax:
        for wedge in wedges:
            cont, _ = wedge.contains(event)
            if cont:
                wedge.set_width(wedge.get_width() + 0.05)
            else:
                wedge.set_width(0.5)
        fig.canvas.draw_idle()

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_click)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Interactive Pie Chart Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了一个饼图，并添加了点击事件处理函数。当用户点击某个扇形时，该扇形会突出显示。

10. get_contains()在3D图形中的应用

虽然get_contains()方法主要用于2D图形，但我们也可以在3D图形中使用它。以下是一个在3D散点图中使用get_contains()的例子：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D

fig = plt.figure()
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
x = np.random.rand(100)
y = np.random.rand(100)
z = np.random.rand(100)
scatter = ax.scatter(x, y, z)

def on_click(event):
    if event.inaxes == ax:
        cont, ind = scatter.contains(event)
        if cont:
            i = ind['ind'][0]
            ax.text(x[i], y[i], z[i], f'Point {i}', fontsize=12)
            fig.canvas.draw_idle()

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_click)
ax.set_title("How2matplotlib.com - 3D Scatter Plot Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了一个3D散点图，并添加了点击事件处理函数。当用户点击某个点时，会在该点旁边显示点的索引。

11. get_contains()在图例交互中的应用

get_contains()方法也可以用于实现图例的交互功能。以下是一个例子，展示如何创建一个可以通过点击图例来显示/隐藏线条的图形：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
lines = [ax.plot(np.random.rand(10), label=f'Line {i+1}')[0] for i in range(3)]
leg = ax.legend()

def on_pick(event):
    if event.artist in leg.get_lines():
        line = lines[leg.get_lines().index(event.artist)]
        vis = not line.get_visible()
        line.set_visible(vis)
        event.artist.set_alpha(1.0 if vis else 0.2)
        fig.canvas.draw()

for legline in leg.get_lines():
    legline.set_picker(5)

fig.canvas.mpl_connect('pick_event', on_pick)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Interactive Legend Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了三条线，并为每条线添加了图例。我们设置了一个pick事件处理函数，当用户点击图例中的某个项目时，对应的线条会显示或隐藏。

12. get_contains()在自定义交互工具中的应用

get_contains()方法可以用于创建自定义的交互工具。以下是一个例子，展示如何创建一个简单的缩放工具：

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.patches as patches
import numpy as np

fig, ax = plt.subplots()
ax.plot(np.random.rand(100))

class ZoomTool:
    def __init__(self, ax):
        self.ax = ax
        self.rect = patches.Rectangle((0,0), 0, 0, fill=False, edgecolor='r')
        self.ax.add_patch(self.rect)
        self.press = None

    def connect(self):
        self.cidpress = fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', self.on_press)
        self.cidrelease = fig.canvas.mpl_connect('button_release_event', self.on_release)
        self.cidmotion = fig.canvas.mpl_connect('motion_notify_event', self.on_motion)

    def on_press(self, event):
        if event.inaxes != self.ax: return
        self.press = event.xdata, event.ydata
        self.rect.set_width(0)
        self.rect.set_height(0)

    def on_motion(self, event):
        if self.press is None: return
        if event.inaxes != self.ax: return
        xpress, ypress = self.press
        dx = event.xdata - xpress
        dy = event.ydata - ypress
        self.rect.set_xy((xpress, ypress))
        self.rect.set_width(dx)
        self.rect.set_height(dy)
        fig.canvas.draw()

    def on_release(self, event):
        if event.inaxes != self.ax: return
        self.press = None
        self.ax.set_xlim(self.rect.get_x(), self.rect.get_x() + self.rect.get_width())
        self.ax.set_ylim(self.rect.get_y(), self.rect.get_y() + self.rect.get_height())
        self.rect.set_width(0)
        self.rect.set_height(0)
        fig.canvas.draw()

zoom_tool = ZoomTool(ax)
zoom_tool.connect()

ax.set_title("How2matplotlib.com - Custom Zoom Tool Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了一个ZoomTool类，它允许用户通过拖动鼠标来选择要放大的区域。这个工具使用get_contains()方法来检测鼠标事件是否发生在坐标轴内。

13. get_contains()在多子图中的应用

get_contains()方法在处理多个子图时也非常有用。以下是一个例子，展示如何在多个子图中实现交互式选择：

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(10, 5))
scatter1 = ax1.scatter(np.random.rand(20), np.random.rand(20), s=100)
scatter2 = ax2.scatter(np.random.rand(20), np.random.rand(20), s=100)

def on_click(event):
    for ax, scatter in [(ax1, scatter1), (ax2, scatter2)]:
        if event.inaxes == ax:
            cont, ind = scatter.contains(event)
            if cont:
                colors = scatter.get_facecolors()
                colors[ind['ind'][0]] = [1, 0, 0, 1]  # Red
                scatter.set_facecolors(colors)
            fig.canvas.draw_idle()

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_click)
ax1.set_title("How2matplotlib.com - Subplot 1")
ax2.set_title("How2matplotlib.com - Subplot 2")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，我们创建了两个子图，每个子图都包含一个散点图。我们添加了一个点击事件处理函数，允许用户在任一子图中选择点。

14. get_contains()在动态添加Artist对象中的应用

get_contains()方法也可以用于动态添加的Artist对象。以下是一个例子，展示如何动态添加可交互的矩形：

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

fig, ax = plt.subplots()
rectangles = []

def on_click(event):
    if event.inaxes == ax:
        rect = patches.Rectangle((event.xdata, event.ydata), 0.1, 0.1, fill=False)
        ax.add_patch(rect)
        rectangles.append(rect)
        fig.canvas.draw_idle()

def on_move(event):
    if event.inaxes == ax:
        for rect in rectangles:
            cont, _ = rect.contains(event)
            if cont:
                rect.set_edgecolor('red')
            else:
                rect.set_edgecolor('blue')
        fig.canvas.draw_idle()

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_click)
fig.canvas.mpl_connect('motion_notify_event', on_move)
ax.set_title("How2matplotlib.com - Dynamic Rectangle Addition Example")
plt.show()

Output:

Matplotlib中Artist对象的get_contains()方法详解与应用

在这个例子中，每次用户点击图形时，我们都会在点击位置添加一个新的矩形。当鼠标移动over这些矩形时，矩形的边框颜色会改变。

15. get_contains()在自定义事件处理中的应用

get_contains()方法可以与自定义事件结合使用，创建更复杂的交互效果。以下是一个例子，展示如何创建一个可拖动的文本标签：

import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots()
ax.set_xlim(0, 1)
ax.set_ylim(0, 1)

text = ax.text(0.5, 0.5, "Drag me!", ha='center', va='center', bbox=dict(boxstyle="round", fc="w"))

def on_press(event):
    if text.contains(event)[0]:
        text.set_picker(True)

def on_release(event):
    text.set_picker(False)

def on_pick(event):
    if event.artist == text:
        text.set_position((event.mouseevent.xdata, event.mouseevent.ydata))
        fig.canvas.draw()

fig.canvas.mpl_connect('button_press_event', on_press)
fig.canvas.mpl_connect('button_release_event', on_release)
fig.canvas.mpl_connect('pick_event', on_pick)

ax.set_title("How2matplotlib.com - Draggable Text Example")
plt.show()