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Matplotlib

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1. 개요

Matplotlib는 MATLAB과 유사한 인터페이스를 제공하는 파이썬 기반의 2차원 및 3차원 플롯을 지원하는 라이브러리이다. MATLAB만큼 사용하기 쉽도록 설계되었으며, 다양한 플롯 유형을 제공한다. Matplotlib는 파이썬의 장점을 활용하여 자유-오픈 소스, SVG 지원, 대규모 소프트웨어 개발 가능성을 제공한다. Matplotlib 기능을 확장하는 다양한 툴킷이 있으며, 애니메이션 기능도 지원한다.

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목차

2. MATLAB과의 비교

Pyplot은 MATLAB과 유사한 인터페이스를 제공하는 Matplotlib 모듈이다. Matplotlib은 Python을 사용할 수 있고, 무료이며 오픈 소스라는 장점을 활용하여 MATLAB만큼 사용하기 쉽도록 설계되었다. matplotlib의 pylab 인터페이스는 MATLAB 사용 경험이 있는 사용자가 matplotlib를 쉽게 습득할 수 있도록 설계되었다.

Python, Numpy, matplotlib, SciPy 등을 조합하는 것은 MATLAB보다 다음과 같은 장점이 있다.

* MATLAB과 같은 특정 용도 언어가 아닌, 대규모 소프트웨어 개발도 가능한 현대적인 객체 지향 언어인 Python을 기반으로 한다.
* 빠르게 스크립트를 작성하는 데 적합하며, CGI 스크립트를 만들 수도 있다.
* 자유-오픈 소스이므로 라이선스 서버가 필요 없다.
* 네이티브 SVG를 지원한다.

3. 플롯 유형

Matplotlib는 다양한 종류의 2차원 및 3차원 플롯을 지원한다. 2차원 플롯에 대한 지원은 강력하며, 3차원 플롯은 2차원 플롯만큼 강력하지는 않지만 훌륭하게 지원하고 있다.

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꺾은선 그래프
꺾은선 그래프

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3.1. 2차원 플롯

Matplotlib는 다양한 종류의 2차원 및 3차원 플롯을 지원한다. 2차원 플롯에 대한 지원은 강력하다.

꺾은선 그래프

꺾은선 그래프 예시
꺾은선 그래프 예시


>>> import matplotlib.pyplot as plt
>>> import numpy as np
>>> a = np.linspace(0, 10, 100)
>>> b = np.exp(-a)
>>> plt.plot(a, b)
>>> plt.show()


히스토그램
히스토그램 예시
히스토그램 예시


>>> import matplotlib.pyplot as plt
>>> from numpy.random import normal, rand
>>> x = normal(size=200)
>>> plt.hist(x, bins=30)
>>> plt.show()


산점도
산점도 예시
산점도 예시


>>> import matplotlib.pyplot as plt
>>> from numpy.random import rand
>>> a = rand(100)
>>> b = rand(100)
>>> plt.scatter(a, b)
>>> plt.show()

3.2. 3차원 플롯



from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection='3d')
X = np.arange(-5, 5, 0.25)
Y = np.arange(-5, 5, 0.25)
X, Y = np.meshgrid(X, Y)
R = np.sqrt(X2 + Y2)
Z = np.sin(R)
surf = ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1, cmap=cm.coolwarm)
plt.show()

Matplotlib는 3차원 플롯을 지원한다. 다만 3차원 플롯에 대한 지원은 2차원 플롯만큼 강력하지는 않다.

3.3. 예시

python
# 꺾은선 그래프 예시
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
a = np.linspace(0, 10, 100)
b = np.exp(-a)
plt.plot(a, b)
plt.show()
```
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```python
# 히스토그램 예시
import matplotlib.pyplot as plt
from numpy.random import normal,rand
x = normal(size=200)
plt.hist(x, bins=30)
plt.show()
```
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```python
# 산점도 예시
import matplotlib.pyplot as plt
from numpy.random import rand
a = rand(100)
b = rand(100)
plt.scatter(a, b)
plt.show()
```
--

```python
# 3D 그래프 예시
from matplotlib import cm
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
fig = plt.figure()
ax = fig.gca(projection='3d')
X = np.arange(-5, 5, 0.25)
Y = np.arange(-5, 5, 0.25)
X, Y = np.meshgrid(X, Y)
R = np.sqrt(X2 + Y2)
Z = np.sin(R)
surf = ax.plot_surface(X, Y, Z, rstride=1, cstride=1, cmap=cm.coolwarm)
plt.show()
```
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Matplotlib는 다양한 종류의 2차원 및 3차원 플롯을 지원한다.

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Line plot
Line plot

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4. 애니메이션

Matplotlib의 애니메이션 기능은 특정 데이터가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 시각화하는 데 사용된다. 그러나 이 기능은 필요에 따라 다양하게 활용할 수 있다.

애니메이션은 프레임 번호(또는 시간)에 따라 정의된다. 즉, 프레임 번호를 입력으로 받아 Matplotlib Figure를 정의하거나 업데이트하는 함수를 정의해야 한다.

애니메이션 시작 이후 프레임 번호 시작 시점의 시간은 다음과 같이 계산할 수 있다.

* 시간 = (프레임 번호 - 1) / FPS

5. 툴킷

Matplotlib 기능을 확장하는 여러 툴킷이 있다. 일부는 별도로 다운로드해야 하며, 다른 일부는 Matplotlib 소스 코드와 함께 제공되지만 외부 종속성이 있다.

* Basemap: 다양한 지도 투영법, 해안선, 정치적 경계를 이용한 지도 그리기를 지원한다. 현재는 카토피(cartopy)의 사용이 권장된다.
* Cartopy: 객체 지향적 지도 투영 정의, 임의의 점, 선, 다각형, 이미지 변환 기능을 갖춘 매핑 라이브러리이다. (Matplotlib v1.2 이상)
* Excel 도구: 마이크로소프트 엑셀과 데이터 교환을 위한 유틸리티이다.
* GTK 도구: GTK 라이브러리 인터페이스이다.
* Qt 인터페이스
* Mplot3d: 3-D 플롯을 지원한다.
* Natgrid: 불규칙하게 배치된 데이터를 그리드화하기 위한 natgrid 라이브러리 인터페이스이다.
* tikzplotlib: LaTeX 문서로의 원활한 통합을 위해 Pgfplots로 내보내는 기능을 제공한다. (이전에는 matplotlib2tikz로 알려짐)
* Seaborn: Matplotlib 위에 API를 제공하여 플롯 스타일 및 색상 기본값에 대한 적절한 선택을 제공하고, 일반적인 통계 플롯 유형에 대한 간단한 고급 함수를 정의하며, Pandas에서 제공하는 기능과 통합된다.
* GeoPandas: PostGIS와 같은 공간 데이터베이스 없이 Python에서 지리 공간 작업을 단순화한다.
* Cartopy: 사용자가 투영법을 지정하고 한 줄의 코드로 해안선을 추가할 수 있도록 하여 matplotlib에서 지도 생성을 간소화한다.

6. 관련 프로젝트

Matplotlib의 기능을 확장하기 위한 몇 가지 툴킷이 존재한다. Matplotlib 소스 코드에 포함된 것도 있고, 별도로 다운로드해야 하는 것도 있다.

* 빅글스(Biggles)
* 차코(Chaco)
* DISLIN
* GNU 옥타브
* [https://github.com/dkogan/gnuplotlib/ gnuplotlib] – gnuplot 백엔드를 사용한 numpy용 플로팅
* Gnuplot-py
* PLplot – Python 바인딩 사용 가능
* SageMath – 플롯을 그리기 위해 `Matplotlib` 사용
* SciPy (모듈 `plt` 및 `gplt`)
* Plotly – 대화형 온라인 Matplotlib 및 Python 그래프
* Bokeh – 프레젠테이션을 위해 최신 웹 브라우저를 타겟으로 하는 Python 대화형 시각화 라이브러리
* Basemap: 다양한 투영법, 해안선, 정치적 국경에 따른 지도의 그리기
* 현재는 카토피(cartopy)의 사용이 권장된다.
* Mplot3d: 3차원 플롯
* Natgrid: natgrid 라이브러리용 인터페이스
* Excel tools: 마이크로소프트 엑셀(Microsoft Excel)과의 데이터 교환을 수행하는 유틸리티
* GTK tools: GTK 라이브러리용 인터페이스