极客教程matplotlib黑白色彩图
参考：matplotlib black and white colormap
matplotlib是一款功能强大的Python绘图库，可以用来创建各种类型的图表。在数据可视化中，选择合适的颜色显得尤为重要。在某些情况下，我们需要使用黑白色彩图进行数据展示，这时就需要选择合适的colormap来帮助我们展示数据。本文将详细介绍如何在matplotlib中使用黑白色彩图，并提供示例代码供参考。
1. 灰度色彩图
灰度色彩图是最基础的黑白色彩图方案，可以很好地展示数据的变化趋势。在matplotlib中，我们可以使用cmap='gray'来设置为灰度色彩图。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.imshow(data, cmap='gray')
plt.colorbar()
plt.show()
Output:
2. 二值色彩图
二值色彩图只有两种颜色，通常用黑色和白色表示。在matplotlib中，我们可以使用cmap='binary'来设置为二值色彩图。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.imshow(data, cmap='binary')
plt.colorbar()
plt.show()
Output:
3. 灰度反转色彩图
灰度反转色彩图是灰度色彩图的反色版本，可以将数据变化表现得更加清晰。在matplotlib中，我们可以使用cmap='gray_r'来设置为灰度反转色彩图。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.imshow(data, cmap='gray_r')
plt.colorbar()
plt.show()
Output:
4. 自定义黑白色彩图
除了常见的黑白色彩图外，我们还可以自定义黑白色彩图，根据数据的特点选择合适的颜色映射。在matplotlib中，我们可以使用LinearSegmentedColormap来创建自定义的黑白色彩图。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.colors import LinearSegmentedColormap
# 定义颜色映射
colors = [(0, 0, 0), (1, 1, 1)] # 黑色和白色
cmap_name = 'custom_bw'
cm = LinearSegmentedColormap.from_list(cmap_name, colors, N=256)
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.imshow(data, cmap=cm)
plt.colorbar()
plt.show()
Output:
5. 选择合适的黑白色彩图
在实际应用中，选择合适的黑白色彩图是非常重要的。以下是一些常用的黑白色彩图，可以根据数据的特点选择合适的颜色映射：
cmap='gray': 灰度色彩图，适用于展示数据变化趋势cmap='bone': 骨骼色彩图，适用于展示医学影像等细节图像cmap='CMRmap': 红黑色彩图，适用于高对比度的图像展示
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.imshow(data, cmap='bone')
plt.colorbar()
plt.show()
Output:
6. 使用黑白色彩图进行数据比较
黑白色彩图在数据比较方面有其独特的优势，可以更清晰地展示数据之间的差异。以下示例展示了如何使用黑白色彩图进行两组数据的比较。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成两组随机数据
data1 = np.random.random((10, 10))
data2 = np.random.random((10, 10))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.imshow(data1, cmap='gray')
plt.colorbar()
plt.title('Data 1')
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.imshow(data2, cmap='gray')
plt.colorbar()
plt.title('Data 2')
plt.show()
Output:
7. 调整黑白色彩图的亮度和对比度
在展示数据时，我们可以通过调整黑白色彩图的亮度和对比度来突出数据特征。以下示例展示了如何使用imshow函数的vmin和vmax参数来调整亮度和对比度。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.imshow(data, cmap='gray', vmin=0.2, vmax=0.8)
plt.colorbar()
plt.title('Low Contrast')
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.imshow(data, cmap='gray', vmin=0.4, vmax=0.6)
plt.colorbar()
plt.title('High Contrast')
plt.show()
Output:
8. 使用黑白色彩图呈现特定数据类型
在展示特定类型的数据时，选择合适的黑白色彩图更能突出数据的特点。以下示例展示了如何使用黑白色彩图来展示图像边缘检测结果。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成一幅图像
data = np.zeros((10, 10))
data[3:7, 3:7] = 1 # 在中心区域生成一个方块
plt.imshow(data, cmap='gray')
plt.colorbar()
plt.title('Edge Detection')
plt.show()
Output:
9. 结合黑白色彩图和标签展示数据
在数据可视化中，我们有时需要展示数据的数值范围，可以结合黑白色彩图和标签进行展示。以下示例展示了如何使用imshow函数的extent参数来显示数值范围。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.imshow(data, cmap='gray', extent=[0, 1, 0, 1])
plt.colorbar()
plt.title('Data Range')
plt.show()
Output:
10. 数据平滑展示
有时，我们需要对数据进行平滑展示以突出数据的整体趋势。以下示例展示了如何使用黑白色彩图对平滑数据进行展示。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((10, 10))
smoothened_data = np.convolve(np.ravel(data), np.ones(5)/5, mode='same').reshape(data.shape)
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.imshow(data, cmap='gray')
plt.colorbar()
plt.title('Original Data')
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.imshow(smoothened_data, cmap='gray')
plt.colorbar()
plt.title('Smoothened Data')
plt.show()
Output:
11. 数据分布展示
在数据分析中，展示数据的分布情况对于了解数据特征非常重要。以下示例展示了如何使用黑白色彩图展示数据的分布情况。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.normal(0, 1, 1000)
plt.hist(data, bins=20, color='black')
plt.title('Data Distribution')
plt.show()
Output:
12. 显示数据密度
数据密度是描述数据集中数据分布紧密程度的指标，在数据分析中具有重要意义。以下示例展示了如何使用黑白色彩图展示数据的密度图。
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.normal(0, 1, 1000)
plt.figure(figsize=(8, 6))
sns.kdeplot(data, color='black', shade=True)
plt.title('Data Density')
plt.show()
13. 数据聚类展示
展示数据聚类结果对于分析数据中的模式和规律非常有帮助。以下示例展示了如何使用黑白色彩图展示数据的聚类结果。
import numpy as np
from sklearn.cluster import KMeans
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random((100, 2))
# 使用KMeans算法进行数据聚类
kmeans = KMeans(n_clusters=3)
labels = kmeans.fit_predict(data)
plt.scatter(data[:, 0], data[:, 1], c=labels, cmap='gray')
plt.title('Data Clustering')
plt.show()
14. 数据热力图展示
数据热力图是一种直观展示数据热点区域的图表类型，在数据分析和可视化中应用广泛。以下示例展示了如何使用黑白色彩图展示数据的热力图。
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机矩阵数据
data = np.random.random((10, 10))
plt.figure(figsize=(8, 6))
sns.heatmap(data, cmap='gray')
plt.title('Heatmap')
plt.show()
15. 数据趋势展示
展示数据的变化趋势有助于观察数据的增长或减少趋势，对于预测未来数据变化具有指导意义。以下示例展示了如何使用黑白色彩图展示数据的趋势。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 生成随机数据
data = np.random.random(100)
plt.plot(data, color='black', linestyle='-', marker='o')
plt.title('Data Trend')
plt.show()
Output:
结语
在数据可视化中，选择合适的颜色映射对于展示数据特征具有重要意义。本文介绍了matplotlib中黑白色彩图的应用，包括灰度色彩图、二值色彩图、灰度反转色彩图等，以及如何选择和自定义黑白色彩图，展示不同类型的数据特征。