Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化|极客教程

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

Matplotlib 是 Python 中最流行的数据可视化库之一，它提供了丰富的颜色选项，使得我们能够创建出美观、富有表现力的图表。本文将深入探讨 Matplotlib 中的颜色使用，从基础的颜色指定方法到高级的颜色映射技巧，帮助你掌握如何在数据可视化中灵活运用颜色。

1. 基本颜色指定方法

在 Matplotlib 中，有多种方式可以指定颜色。最常见的方法包括使用颜色名称、RGB 值、十六进制代码等。

1.1 使用颜色名称

Matplotlib 支持一系列预定义的颜色名称，如 ‘red’、’blue’、’green’ 等。这是最简单直观的颜色指定方法。

import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.plot([1, 2, 3, 4], [1, 4, 2, 3], color='red', label='Red Line')
plt.plot([1, 2, 3, 4], [2, 3, 4, 1], color='blue', label='Blue Line')
plt.title('How to use color names in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

在这个例子中，我们使用 ‘red’ 和 ‘blue’ 作为颜色名称来绘制两条不同颜色的线。

1.2 使用 RGB 值

RGB 值允许我们更精确地控制颜色。在 Matplotlib 中，RGB 值通常以 0 到 1 之间的浮点数元组表示。

import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.plot([1, 2, 3, 4], [1, 4, 2, 3], color=(1, 0, 0), label='Red')
plt.plot([1, 2, 3, 4], [2, 3, 4, 1], color=(0, 0, 1), label='Blue')
plt.plot([1, 2, 3, 4], [3, 1, 4, 2], color=(0, 0.5, 0), label='Dark Green')
plt.title('RGB color specification in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

在这个例子中，(1, 0, 0) 表示红色，(0, 0, 1) 表示蓝色，(0, 0.5, 0) 表示深绿色。

1.3 使用十六进制代码

十六进制代码是另一种常用的颜色指定方法，特别是在 Web 开发中广泛使用。

import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.plot([1, 2, 3, 4], [1, 4, 2, 3], color='#FF0000', label='Red')
plt.plot([1, 2, 3, 4], [2, 3, 4, 1], color='#0000FF', label='Blue')
plt.plot([1, 2, 3, 4], [3, 1, 4, 2], color='#008000', label='Green')
plt.title('Hex color codes in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

在这个例子中，’#FF0000′ 表示红色，’#0000FF’ 表示蓝色，’#008000′ 表示绿色。

2. 颜色透明度

透明度是颜色的一个重要属性，可以通过 alpha 参数来控制。alpha 值范围从 0（完全透明）到 1（完全不透明）。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(x, np.sin(x), color='red', alpha=0.3, label='Low Alpha')
plt.plot(x, np.cos(x), color='blue', alpha=0.7, label='Medium Alpha')
plt.plot(x, np.tan(x), color='green', alpha=1.0, label='Full Alpha')
plt.title('Color transparency in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.ylim(-2, 2)
plt.show()

Output:

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这个例子展示了如何使用不同的 alpha 值来创建具有不同透明度的线条。

3. 颜色映射（Colormaps）

颜色映射是 Matplotlib 中一个强大的功能，它允许我们将数据值映射到颜色空间。这在绘制热图、等高线图等时特别有用。

3.1 内置颜色映射

Matplotlib 提供了多种内置的颜色映射，如 ‘viridis’、’plasma’、’inferno’ 等。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

data = np.random.rand(10, 10)
plt.figure(figsize=(12, 4))

plt.subplot(131)
plt.imshow(data, cmap='viridis')
plt.title('Viridis Colormap')

plt.subplot(132)
plt.imshow(data, cmap='plasma')
plt.title('Plasma Colormap')

plt.subplot(133)
plt.imshow(data, cmap='inferno')
plt.title('Inferno Colormap')

plt.suptitle('Built-in colormaps in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.tight_layout()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了三种不同的内置颜色映射应用于相同的随机数据。

3.2 自定义颜色映射

我们还可以创建自定义的颜色映射，以满足特定的可视化需求。

import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.colors as mcolors
import numpy as np

# 创建自定义颜色映射
colors = ['red', 'yellow', 'green']
n_bins = 100
cmap = mcolors.LinearSegmentedColormap.from_list('custom_cmap', colors, N=n_bins)

# 生成数据
data = np.random.randn(100, 100)

plt.figure(figsize=(10, 8))
plt.imshow(data, cmap=cmap)
plt.colorbar(label='Custom Colormap')
plt.title('Custom Colormap in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了如何创建一个从红色到黄色再到绿色的自定义颜色映射。

4. 离散颜色

在某些情况下，我们需要使用离散的颜色来表示不同的类别或分组。

4.1 使用颜色循环

Matplotlib 提供了一个默认的颜色循环，我们可以通过 plt.cm.get_cmap() 来访问。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 获取默认的颜色循环
colors = plt.cm.get_cmap('tab10')

x = np.linspace(0, 10, 100)
plt.figure(figsize=(10, 6))

for i in range(5):
    plt.plot(x, np.sin(x + i), color=colors(i), label=f'Line {i+1}')

plt.title('Using color cycle in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了如何使用默认的颜色循环来为多条线条分配不同的颜色。

4.2 自定义离散颜色

我们也可以手动指定一组离散的颜色。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 自定义颜色列表
custom_colors = ['#FF9999', '#66B2FF', '#99FF99', '#FFCC99', '#FF99CC']

x = np.linspace(0, 10, 100)
plt.figure(figsize=(10, 6))

for i in range(5):
    plt.plot(x, np.sin(x + i), color=custom_colors[i], label=f'Line {i+1}')

plt.title('Custom discrete colors in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了如何使用自定义的颜色列表来为不同的线条分配颜色。

5. 颜色标准化

在处理数据范围较大或者需要特殊映射的情况下，颜色标准化是一个有用的技术。

5.1 线性标准化

线性标准化是最常见的标准化方法，它将数据线性映射到颜色空间。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.colors import Normalize

# 生成数据
x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x) * np.exp(-x/10)

# 创建颜色映射
norm = Normalize(vmin=y.min(), vmax=y.max())
colors = plt.cm.viridis(norm(y))

plt.figure(figsize=(10, 6))
for i in range(len(x)-1):
    plt.plot(x[i:i+2], y[i:i+2], color=colors[i])

plt.colorbar(plt.cm.ScalarMappable(norm=norm, cmap='viridis'), label='y value')
plt.title('Linear color normalization in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.show()

这个例子展示了如何使用线性标准化来将数据值映射到颜色空间。

5.2 对数标准化

对于范围跨越多个数量级的数据，对数标准化可能更合适。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.colors import LogNorm

# 生成数据
x = np.linspace(1, 10, 100)
y = np.exp(x)

# 创建颜色映射
norm = LogNorm(vmin=y.min(), vmax=y.max())
colors = plt.cm.viridis(norm(y))

plt.figure(figsize=(10, 6))
for i in range(len(x)-1):
    plt.plot(x[i:i+2], y[i:i+2], color=colors[i])

plt.colorbar(plt.cm.ScalarMappable(norm=norm, cmap='viridis'), label='y value (log scale)')
plt.yscale('log')
plt.title('Logarithmic color normalization in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.show()

这个例子展示了如何使用对数标准化来处理指数增长的数据。

6. 颜色在不同类型图表中的应用

不同类型的图表可能需要不同的颜色应用策略。让我们看看颜色在一些常见图表类型中的应用。

6.1 散点图中的颜色应用

在散点图中，我们可以使用颜色来表示第三个维度的数据。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 生成数据
np.random.seed(0)
x = np.random.rand(100)
y = np.random.rand(100)
colors = np.random.rand(100)
sizes = 1000 * np.random.rand(100)

plt.figure(figsize=(10, 8))
scatter = plt.scatter(x, y, c=colors, s=sizes, alpha=0.6, cmap='viridis')
plt.colorbar(scatter)
plt.title('Color in scatter plots - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

在这个例子中，点的颜色表示第三个维度的数据，而点的大小表示第四个维度的数据。

6.2 热图中的颜色应用

热图是另一种广泛使用颜色的图表类型，它用颜色来表示数值的大小。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 生成数据
data = np.random.rand(10, 10)

plt.figure(figsize=(10, 8))
heatmap = plt.imshow(data, cmap='YlOrRd')
plt.colorbar(heatmap)
plt.title('Color in heatmaps - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了如何使用颜色映射来创建热图。

6.3 等高线图中的颜色应用

等高线图使用颜色来表示不同的高度或值。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 生成数据
x = np.linspace(-3, 3, 100)
y = np.linspace(-3, 3, 100)
X, Y = np.meshgrid(x, y)
Z = np.sin(X) * np.cos(Y)

plt.figure(figsize=(10, 8))
contour = plt.contourf(X, Y, Z, cmap='coolwarm', levels=20)
plt.colorbar(contour)
plt.title('Color in contour plots - how2matplotlib.com')
plt.xlabel('X-axis')
plt.ylabel('Y-axis')
plt.show()

Output:

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这个例子展示了如何在等高线图中使用颜色映射。

7. 颜色无障碍设计

在数据可视化中，考虑颜色无障碍设计是非常重要的。这意味着我们需要选择对色盲人士友好的颜色方案。

7.1 使用色盲友好的颜色映射

Matplotlib 提供了一些色盲友好的颜色映射，如 ‘viridis’、’plasma’ 等。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 生成数据
data = np.random.rand(10, 10)

fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(1, 2, figsize=(12, 5))

im1 = ax1.imshow(data, cmap='viridis')
fig.colorbar(im1, ax=ax1)
ax1.set_title('Viridis (color-blind friendly)')

im2 = ax2.imshow(data, cmap='jet')
fig.colorbar(im2, ax=ax2)
ax2.set_title('Jet (not color-blind friendly)')

plt.suptitle('Color-blind friendly colormaps - how2matplotlib.com')
plt.tight_layout()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子比较了色盲友好的 ‘viridis’ 颜色映射和不太友好的 ‘jet’ 颜色映射。

7.2 使用标记和线型增强可读性

除了颜色，我们还可以使用不同的标记和线型来增强图表的可读性。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
plt.figure(figsize=(10, 6))

plt.plot(x, np.sin(x), color='blue', linestyle='-', marker='o', label='Sin')
plt.plot(x, np.cos(x), color='red', linestyle='--', marker='s', label='Cos')
plt.plot(x, np.tan(x), color='green', linestyle=':', marker='^', label='Tan')

plt.title('Enhancing readability with markers and line styles - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.ylim(-2, 2)
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了如何结合使用颜色、线型和标记来增强图表的可读性。

8. 高级颜色技巧

8.1 使用渐变色

渐变色可以为图表添加更多的视觉吸引力和信息。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from matplotlib.colors import LinearSegmentedColormap

# 创建自定义渐变色
colors = ['#FF9999', '#FFCC99', '#CCFFCC', '#99CCFF']
n_bins = 100
cmap = LinearSegmentedColormap.from_list('custom_cmap', colors, N=n_bins)

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

plt.figure(figsize=(10, 6))
for i in range(len(x)-1):
    plt.plot(x[i:i+2], y[i:i+2], color=cmap(i/len(x)))

plt.title('Gradient color in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.colorbar(plt.cm.ScalarMappable(cmap=cmap), label='Position')
plt.show()

这个例子展示了如何创建和使用自定义的渐变色。

8.2 使用颜色循环

颜色循环可以帮助我们为多个数据系列自动分配不同的颜色。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

plt.figure(figsize=(10, 6))

for i in range(5):
    x = np.linspace(0, 10, 100)
    y = np.sin(x + i)
    plt.plot(x, y, label=f'Series {i+1}')

plt.title('Color cycle in Matplotlib - how2matplotlib.com')
plt.legend()
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了 Matplotlib 如何自动为多个数据系列分配不同的颜色。

9. 保存和导出带有颜色的图表

当我们创建了漂亮的彩色图表后，正确地保存和导出它们也很重要。

9.1 保存为 PNG 文件

PNG 格式可以保持图表的高质量和颜色准确性。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.sin(x)

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(x, y, color='#FF5733')
plt.title('Saving color plots as PNG - how2matplotlib.com')
plt.savefig('color_plot.png', dpi=300, bbox_inches='tight')
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了如何将彩色图表保存为高质量的 PNG 文件。

9.2 保存为 SVG 文件

SVG 格式是矢量格式，适合需要缩放的情况。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

x = np.linspace(0, 10, 100)
y = np.cos(x)

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(x, y, color='#33FF57')
plt.title('Saving color plots as SVG - how2matplotlib.com')
plt.savefig('color_plot.svg', format='svg', bbox_inches='tight')
plt.show()

Output:

Matplotlib 颜色使用指南：如何创建丰富多彩的数据可视化

这个例子展示了如何将彩色图表保存为 SVG 文件。

10. 颜色在多子图中的应用

在创建包含多个子图的复杂图表时，合理使用颜色可以增强整体的可读性和美观性。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

fig, axs = plt.subplots(2, 2, figsize=(12, 10))

# 子图1：线图
x = np.linspace(0, 10, 100)
axs[0, 0].plot(x, np.sin(x), color='red')
axs[0, 0].plot(x, np.cos(x), color='blue')
axs[0, 0].set_title('Line Plot')

# 子图2：散点图
n = 50
x = np.random.rand(n)
y = np.random.rand(n)
colors = np.random.rand(n)
axs[0, 1].scatter(x, y, c=colors, cmap='viridis')
axs[0, 1].set_title('Scatter Plot')

# 子图3：柱状图
categories = ['A', 'B', 'C', 'D']
values = [3, 7, 2, 5]
axs[1, 0].bar(categories, values, color=['red', 'green', 'blue', 'yellow'])
axs[1, 0].set_title('Bar Plot')

# 子图4：热图
data = np.random.rand(10, 10)
im = axs[1, 1].imshow(data, cmap='coolwarm')
fig.colorbar(im, ax=axs[1, 1])
axs[1, 1].set_title('Heatmap')

plt.suptitle('Color usage in multiple subplots - how2matplotlib.com', fontsize=16)
plt.tight_layout()
plt.show()