python tkinter、turtle、matplotlib库图形绘制

from tkinter import *
root=Tk()
root.geometry('320x240')
mycanvas=Canvas(root,bg='red',height=200,width=280)
mycanvas.pack()
btn1=Button(root,text='关闭',command=root.destroy)
btn1.pack()
root.mainloop()

2．绘制图形

在320×240的窗体上创建高200像素，宽300像素的画布，鼠标单击画布，依次绘出：从（90,10）到（200,200）点的矩形；从（90,10）到（200,200）点的内切椭圆并填充绿色；从（90,10）到（200,200）点的内切扇形并填充粉红色；连接（20,180）、（150,10）和（290,180）三点形成蓝色框线且无色填充的三角形；从（10,105）到（290,105）点的红色直线；以（50,10）为起点用RGB"#123456"颜色绘制文本标签“我的画布”。单击“清空”按钮删除所有图形。

from tkinter import *
root=Tk()
root.geometry('320x240')
def draw(event):
    # 画矩形
    mycanvas.create_rectangle(90,10,200,200)
    # 画椭圆，填充绿色
    mycanvas.create_oval(90,10,200,200,fill='green')
    # 画扇形
    mycanvas.create_arc(90,10,200,200,fill='pink')
    # 画多边形（三角形），前景色为蓝色，无填充色
    mycanvas.create_polygon(20,180,150,10,290,180,
                                 outline='blue',fill='')
    # 画直线
    mycanvas.create_line(10,105,290,105,fill='red')
    # 写文字，颜色为十六进制RGB字符串
    mycanvas.create_text(50,10,text='我的画布',fill='#123456')
def delt():
    # 删除画布上的所有图形
    mycanvas.delete(ALL)

mycanvas=Canvas(root,width=300,height=200)
mycanvas.pack()
mycanvas.bind('< Button- 1>',draw)   # 画布绑定鼠标单击事件
btnclear=Button(root,text='清空',command=delt)
btnclear.pack()
root.mainloop()

3．呈现位图图像

Canvas画布支持呈现位图图像文件，文件类型包括GIF（无动画）、PNG等格式，但不支持JPG格式。【例9-3】在320×240的窗体上创建画布，并呈现C:\1.gif图像。

from tkinter import *
root=Tk()
root.geometry('320x240')
mycanvas=Canvas(root)
mycanvas.pack()
photo=PhotoImage(file='c:/1.gif')
mycanvas.create_image(100,100,image=photo)
root.mainloop()

4．利用鼠标事件绘图

利用按住鼠标左键移动的鼠标事件，不断读取鼠标当前位置，每次扩张1个像素绘制椭圆点，即可在画布上留下鼠标轨迹。【例9-4】在320×240的窗体上创建画布，并以蓝色笔创建鼠标画板。


from tkinter import *
root = Tk()
def move(event):
    x=event.x
    y=event.y
    w.create_oval(x,y,x+1,y+1,fill='blue')

w = Canvas(root, width=320, height=240)
w.pack()
w.bind('<B1-Motion>',move)
root.mainloop()

5. 读取

读取“ecgdata.txt”的心电图数据，绘制心电图

import tkinter
root=tkinter.Tk()
root.title('心电图')
cv=tkinter.Canvas(root, width=500, height=500)
cv.pack()
ecg=list(open('ecgdata.txt','r'))
x=0
while x<len(ecg)-1:
    #y轴正方向向下。去掉换行符转换为整数,再向下移动300
    y=-int(ecg[x][:-1])+300  
    y1=-int(ecg[x+1][:-1])+300
    cv.create_line(x,y,x+1,y1,fill='red')
    x+=1
root.mainloop()

6.Canvas画布上的函数图形绘制

用create_line()方法可在画布上绘制直线，而随着变量的变化，用该方法连续绘制微直线，即可得到函数的图形。

“分而治之”的计算思维原则。

例如：在窗体上创建320×240的画布，以画布中心为原点，用红色绘制带箭头的x和y坐标轴，用蓝色笔绘制正弦曲线y=sinx的函数图形。其中，x、y轴的放大倍数均为40倍，即：x=40t。t以0.01的步长在-～范围内变化取值。


from tkinter import *
import math
root = Tk()
w = Canvas(root, width=320, height=240)
w.pack()
w0=160      # 半宽
h0=120      # 半高
# 画红色的坐标轴线
w.create_line(0, 120, 320, 120, fill="red", arrow=LAST)
w.create_line(160, 240, 160, 0, fill="red", arrow=LAST)
# 标题文字
w.create_text(w0+50,10,text='y=sin(x)')
# x轴刻度
for i in range(-3,4):
    j=i*40
    w.create_line(j+w0, h0, j+w0, h0-5, fill="red")
    w.create_text(j+w0,h0+5,text=str(i))
# y轴刻度
for i in range(-2,3):
    j=i*40
    w.create_line(w0, j+h0, w0+5, j+h0, fill="red")
    w.create_text(w0-10,j+h0,text=str(-i))
# 计算x
def x(t):
    x = t*40   	#  x轴放大40倍
    x+=w0    		# 平移x轴
    return x
# 计算y
def y(t):
    y = math.sin(t)*40    	# y轴放大40倍
    y-=h0              		# 平移y轴
    y = -y              		# y轴值反向
    return y
# 连续绘制微直线
t = -math.pi
while(t<math.pi):
    w.create_line(x(t), y(t), x(t+0.01), y(t+0.01),fill="blue")
    t+=0.01
root.mainloop()

例如：设置坐标原点(x0, y0)为画布的中心（x0, y0分别为画布宽、高的一半），以红色虚线绘制坐标轴，并按以下公式绘制函数曲线： x=(w0 /32)×(cost-tsint) y=(h0 /32)×(sint+tcost) 式中，w0是画布宽的一半，h0是画布高的一半。t的取值范围为0～25，步长为0.01。

from tkinter import *
import math
root = Tk()
w = Canvas(root, width=600, height=600)
w.pack()
# 画红色的坐标轴线（虚线）
w.create_line(0, 300, 600, 300, fill="red", dash=(4, 4))
w.create_line(300, 0, 300, 600, fill="red", dash=(4, 4))
w0=300
h0=300
def x(t):
    x = (w0 / 32) * (math.cos(t) - t*math.sin(t))
    x+=w0    #平移x轴
    return x
def y(t):
    y = (h0 / 32) * (math.sin(t) +t* math.cos(t))
    y-=h0    #平移y轴
    y = -y    #y轴值反向
    return y
t = 0.0
while(t<25):
    w.create_line(x(t), y(t), x(t+0.01), y(t+0.01),fill="blue")
    t+=0.01
root.mainloop()

二、 turtle库的图形绘制方法

turtle也是内置库Python图形绘制库，其绘制方法更为简单，原理如同控制一只“小龟”以不同的方向和速度进行位移而得到其运动轨迹

1、turtle绘图的基本方法

1．坐标位置和方向 setup()方法用于初始化画布窗口大小和位置，参数包括画布窗口宽、画布窗口高、窗口在屏幕的水平起始位置和窗口在屏幕的垂直起始位置

用turtle创建的画布与Canvas不同，其原点(0,0)在画布的中心，坐标方向与数学定义一致，向右、向上为正。

2．画笔方法color()用于设置或返回画笔颜色

方法pensize()或width()用于设置笔触粗细

3．画笔控制和运动方法penup()、pu()或up()为抬笔，当笔触移动时不留墨迹；方法pendown()，pd()或down()为落笔，当笔触移动时会留下墨迹。

画笔的移动方法有：向箭头所指方向前进forward()、fd()；逆箭头所指方向后退backward()，bk()或back()。

画笔的原地转角方法有：箭头方向左转left()或lt()；箭头方向右转right()或rt()。

位移至某点的方法：goto()，setpos()或setposition()；画圆的方法：circle()；返回原点的方法：home()。位移速度方法speed()，其取值范围从慢到快为1～10。注意：取0为最快（无移动过程，直接显示目标结果）。绘图完毕通常用方法done()结束进程。

4．文字输出文字标签用write()方法，默认参数为输出文本，可选参数有：对齐方式align（left，center，right），font元组型字体设置（字体、字号、字形）。

2、介绍

从原点出发至坐标点（-100,100），改为红色，沿光标指向（默认方向为水平向右）前进200像素，改为蓝色，后退100像素，以动画模式输出文字（黑体，36磅，斜体）

from turtle import *
setup(640,480,300,300)
reset()
pensize(5)
goto(-100,100)
color('red')
fd(200)
color('blue')
bk(100)
write('turtle绘图',move=True,font=('黑体',36,'italic'))
done()

3、简单形状图形

用循环结构可自动重复绘制步骤得出规则图形。以5像素笔触重复执行“前进100像素，右转60度”的操作共6次，绘制红色正六边形；再用circle()方法画半径为60像素的红色圆内接正六边形；然后抬笔移动至（-50,200）点落笔，重复执行“右转144度，前进400像素”的操作共5次，绘制五角星。

from turtle import *
reset()
pensize(5)
#画正六边形，每步右转60度
for i in range(6):
    fd(100)
    right(60)
#用circle方法画正六边形（半径为60的圆内接正六边形）
color('red')
circle(60,steps=6)
#抬笔移动位置
up()
goto(-50,200)
down()
#画五角星，每步右转144度
for i in range(5):
    right(144)
    fd(400)
done()

螺纹形状绘制

import turtle as tt
tt.speed(50)
tt.pencolor('blue')
for i in range(100):
    tt.circle(2*i)
    tt.right(4.5)

绘制小猪佩奇

import turtle
t = turtle.Turtle()
t.pensize(4) #设置画笔粗
t.color("pink")
turtle.setup(400,400) #设置主窗口的大小
t.speed(20) #设置画笔速度
#画鼻子
t.pu() #提笔
t.goto(-100,0) #画笔移至坐标(-100,100)
t.pd() # 落笔
t.seth(-30) #沿角度-30°
lengh=0.4
for i in range(120):
   if 0<=i<30 or 60<=i<90:
       lengh=lengh+0.08
       t.lt(3) #向左转3度
       t.fd(lengh) #向前移动lengh
   else:
       lengh=lengh-0.08
       t.lt(3)
       t.fd(lengh)
t.pu() # 提笔
t.seth(90) #沿角度90度
t.fd(25) # 向前移动25
t.seth(0) #沿角度0
t.fd(10)
t.pd()
t.pencolor("pink")
t.seth(10)
t.circle(5) # 画一个半径为5的圆
t.pu()
t.seth(0)
t.fd(20)
t.pd()
t.pencolor("pink")
t.seth(10)
t.circle(5)
#画头
t.color("pink")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(41)
t.seth(0)
t.pd()
t.seth(180)
t.circle(300,-30) #画一个半径为300,圆心角为-30°的弧
t.circle(100,-60)
t.circle(80,-100)
t.circle(150,-20)
t.circle(60,-95)
t.seth(161)
t.circle(-300,15)
t.pu()
t.goto(-80,70)
#画耳朵
t.color("pink")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(-7)
t.seth(0)
t.fd(70)
t.pd()
t.seth(100)
t.circle(-50,50)
t.circle(-10,120)
t.circle(-50,54)
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(-12)
t.seth(0)
t.fd(30)
t.pd()
t.seth(100)
t.circle(-50,50)
t.circle(-10,120)
t.circle(-50,56)
#画眼睛
t.color("pink")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(-20)
t.seth(0)
t.fd(-95)
t.pd()
t.circle(15)
t.color("black")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(12)
t.seth(0)
t.fd(-3)
t.pd()
t.circle(3)
t.color("pink")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(-25)
t.seth(0)
t.fd(40)
t.pd()
t.circle(15)
t.color("black")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(12)
t.seth(0)
t.fd(-3)
t.pd()
t.begin_fill()
t.circle(3)
t.end_fill()
#画腮红
t.color("pink")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(-95)
t.seth(0)
t.fd(65)
t.pd()
t.begin_fill()
t.circle(30)
t.end_fill()
#画嘴
t.color("pink")
t.pu()
t.seth(90)
t.fd(15)
t.seth(0)
t.fd(-100)
t.pd()
t.ht()  #不显示箭头
t.seth(-80)
t.circle(30,40)
t.circle(40,80)

4、函数图形

用turtle库也可以完成较为复杂的函数二维图形。其方法是：抬笔至图形起点，根据起点、终点、步长及画布的半宽、半高，利用循环逐点计算(x,y)的坐标并移动笔触至该点，最终得到函数图形。【例9-12】创建800×800的turtle画布，以画布中心为原点画出坐标轴，并按以下公式绘制函数曲线： x=(w0/4)×(-2sint+sin2t) y=(h0/4)×(2cost-cos2t) 式中，w0是画布宽的一半，h0是画布高的一半。t的取值范围为0~2，步长为0.01。

import math
import turtle
# 自定义从 (x1, y1) 到 (x2, y2)的画直线函数
def drawLine (ttl, x1, y1, x2, y2):
    ttl.penup()
    ttl.goto (x1, y1)
    ttl.pendown()
    ttl.goto (x2, y2)
    ttl.penup()
#逐点计算函数坐标，并按此移动
def drawFunc (ttl, begin, end, step, w0, h0):
    t=begin
    while t < end:
        if t>begin:
            ttl.pendown()
        x = (w0/4)*(-2*math.sin(t)+math.sin(2*t))
        y = (h0/4)*(2*math.cos(t)-math.cos(2*t))
        ttl.goto (x, y)
        t +=  step
    ttl.penup()
def main():
    # 设置画布窗口大小
    turtle.setup (800, 800, 0, 0)
    # 创建turtle对象
    ttl = turtle.Turtle()
    # 画坐标轴
    drawLine (ttl, -400, 0, 400, 0)
    drawLine (ttl, 0, 400, 0, -400)
    # 画函数曲线
    ttl.pencolor ('red')
    ttl.pensize(5)
    drawFunc (ttl, 0, 2*math.pi, 0.01,400,400)
    #对象，起点，终点，步长，半宽，半高
    # 绘图完毕
    turtle.done()
if __name__ == "__main__":
    main()

读取“ecgdata.txt”的心电图数据，绘制心电图。

import turtle
turtle.setup(500,600) #设置主窗口的大小
turtle.speed(20) #设置画笔速度
turtle.pu() #提笔
x=-300
turtle.goto(x,0) #画笔移至坐标
turtle.pd() # 落笔
ecg=list(open('ecgdata.txt','r'))
t=0
while t<len(ecg)-1:
    turtle.goto(t-300,int(ecg[t]))
    t+=1

三、 matplotlib库的图形绘制方法

matplotlib库是用于科学计算数据可视化的常见Python第三方模块。它借鉴了许多Matlab中的函数，可以轻松绘制高质量的线条图、直方图、饼图、散点图及误差线图等二维图形，也可以绘制三维图像，还可以方便地设定图形线条的类型、颜色、粗细及字体的大小等属性。

1、环境安装和基本方法

使用matplotlib库绘图，需要先安装导入numpy科学计算模块库。

如果不想经历烦琐的下载安装过程，也可使用Anaconda等集成安装方式来搭建科学计算环境。

通常，二维图形的绘制是导入matplotlib的pyplot子库所包含的plot函数来完成的。

首先，用导入pyplot子库语句：

import matplotlib.pyplot as plt 然后用 plt.figure(figsize=(w, h),dpi=x) 创建一个绘图对象，并设置对象的宽度比例w和高度比例h。

例如： plt.figure(figsize=(4,3), dpi=200) 为创建一个4:3的每英寸200点分辨率的绘图对象，调用plt.plot()方法在绘图对象中进行绘图。 pyplot()方法也可通过调用subplot()方法增加子图。subplot()方法通常包含三个参数：共有几行、几列、本子图是第几个子图。例如，p1 = plt.subplot(211)或p1 = plt.subplot(2,1,1)表示创建一个2行1列的子图，p1为第一个子图。

plot()方法的参数通常包括x、y轴两个变量及图形的颜色、线型、数据点标记等。

常见的颜色字符有：'r'（红色，red）、'g'（绿色，green）、'b'（蓝色，blue）、'c'（青色，cyan）、'm'（品红，magenta）、'y'（黄色，yellow）、'k'（黑色，black）、'w'（白色，white）等。

常见的线型字符有：'-'（直线）、'--'（虚线）、':'（点线）、'-.'（点画线）等。

常用的描点标记有：'.'（点）、'o'（圆圈）、's'（方块）、'^'（三角形）、'x'（叉）、'*'（五角星）、'+'（加号）等。

例如： plt.plot(x, y, '--*r')

表示以x和y两个变量绘制红色（r）虚线（--），以星号（*）作为描点标记。

在同一绘图对象中可用plot()方法同时绘制多个图形，例如： plt.plot(x, w, 'b',x, y, '--*r', x, z, '-.+g') 表示在同一绘图对象中同时呈现x-w、x-y和x-z三组变量的图形，并且分别以蓝色实线无描点、红色虚线星描点、绿色点画线加号描点表示。

matplotlib默认设置中没有对中文的支持，如果需要使用中文文本标注，应在matplotlib的字体管理器font_manager中专门设置。

例如，将个性化字体对象myfont设为华文宋体：

myfont = matplotlib.font_manager.FontProperties (fname = 'C:/Windows/Fonts/STSONG.TTF')

并在输出文字时，使用该字体属性参数：fontproperties=myfont。由于字体的变化，有时输出负号会受影响（显示不出负号，本例并不涉及），可预设matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False解决

2、在同一绘图对象中，利用不同颜色和标注绘制折线图形

import numpy as np
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt 
myfont = matplotlib.font_manager.FontProperties(fname='C:/Windows/Fonts/STSONG.TTF')  
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  
x = [0, 1, 2, 4, 5, 6]
w = [3, 2, 5, 2, 3, 2]
y = [1, 2, 3, 2, 4, 1]
z = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
plt.plot(x, w, 'b',x, y, '--*r', x, z, '-.+g')
plt.xlabel("x轴",fontproperties=myfont)
plt.ylabel("w、y、z轴",fontproperties=myfont)
plt.title("折线图",fontsize=20,fontproperties=myfont)
plt.show()

3、二维函数图形绘制

二维函数图形的绘制可调用numpy.linspace()方法，先生成数据系列，再用plot()方法绘图。通式为： numpy.linspace(start, stop, num=50, endpoint=True, retstep=False) 其中，参数依次为自变量起点、终点、生成数据点数、是否包括终点、是否返回间隔。在同一绘图对象中，分别以红色实线和蓝色点状线绘出x在-1.7～1.7之间变化时的函数图形（100个采样点），并标注其图例和对应公式： y=3x3−3x2+4sin(x) y=−3x3−3x2+4sin(x)。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
x = np.linspace(-1.7, 1.7, 100)
plt.plot(x, 3*x**3-3*x**2+4*np.sin(x),"r",label="$y=3x^{3}-3x^{2}+4sin(x)$")
plt.plot(x, -3*x**3-3*x**2+4*np.sin(x),"b.",label="$y=-3x^{3}-3x^{2}+4sin(x)$")
plt.legend()
plt.show()

4、按以下公式绘制函数图形

： x=−2sin2t+sint y=−2cos2t+cost 其中，t的取值范围为0～2p，步长为0.02。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
t=np.arange(0,2*np.pi,0.02)
plt.plot(-2*np.sin(2*t)+np.sin(t),-2*np.cos(2*t)+np.cos(t))
plt.show()

5、用极坐标方式呈现如下公式的红色心状图形：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
t=np.arange(0,2*np.pi,0.02)
plt.subplot(111,polar=True)
w=np.sin(t)*(np.abs(np.cos(t)))**(1/2)/(np.sin(t)+7/5)-2*np.sin(t)+2
plt.plot(t,w,'r')
plt.show()

6、创建9:6的200dpi绘图对象

并且在上、下两个子图中分别用蓝色点状线和红色实线呈现x在0.5～2.5范围内变化的函数图形，分别标注坐标轴标签、图例和相应的公式。

#coding=gbk
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from pylab import *
myfont = matplotlib.font_manager.FontProperties(fname='C:/Windows/Fonts/STSONG.TTF')  
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
 
def f1(x):
    return np.exp(-x)*np.cos(2*np.pi*x)
 
def f2(x):
    return np.sin(2*np.pi*x)*np.cos(3*np.pi*x)
 
x = np.arange(0.5,2.5,0.02)
 
plt.figure(figsize=(9,6),dpi=200)
p1 = plt.subplot(211)
p2 = plt.subplot(212)
 
p1.plot(x,f1(x),"b.",label="$y=e^{-x} \cdot \cos (2 \pi x)$")
p2.plot(x,f2(x),"r-",label="$y=\sin (2 \pi x) \cos (3 \pi x)$",linewidth=2)
 
p1.axis([0.5,2.5,-1.0,1.5])
 
p1.set_ylabel("y",fontsize=12)
#p1.set_title('Example Figures',fontsize=20)
p1.set_title('函数曲线',fontsize=20,fontproperties=myfont)
p1.grid(True)
p1.legend()
 
p2.axis([0.5,2.5,-1.0,1.5])
p2.set_ylabel("y",fontsize=12)
p2.set_xlabel("x",fontsize=12)
p2.legend()
 
plt.show()