Matplotlib のプロットに効果的に注釈を付ける

はじめに

この実験では、Matplotlib でのプロットの注釈付けの方法を学びます。特定の関心のある点を強調し、これらの点に目を向けるためにさまざまな視覚的ツールを使用する方法を学びます。注釈付けとテキストツールは、情報を伝え、プロットを視覚的に魅力的にするために欠かせないものです。

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テキストポイントと注釈ポイントの指定

このポイントに注釈を付けるには、注釈ポイント xy=(x, y) を指定する必要があります。また、この注釈のテキストの位置について、テキストポイント xytext=(x, y) を指定することもできます。任意で、xycoords と textcoords のために、次の文字列のいずれかを使って xy と xytext の座標系を指定できます（デフォルトは 'data'）：

• 'figure points' : グラフの左下隅からのポイント
• 'figure pixels' : グラフの左下隅からのピクセル
• 'figure fraction' : (0, 0) はグラフの左下隅で、(1, 1) は右上隅
• 'axes points' : 軸の左下隅からのポイント
• 'axes pixels' : 軸の左下隅からのピクセル
• 'axes fraction' : (0, 0) は軸の左下隅で、(1, 1) は右上隅
• 'offset points' : xy 値からのオフセット（ポイントで）を指定
• 'offset pixels' : xy 値からのオフセット（ピクセルで）を指定
• 'data' : 軸のデータ座標系を使用

注：物理座標系（ポイントまたはピクセル）の場合、原点はグラフまたは軸の (下，左) です。

任意で、注釈ポイントに向かってテキストから矢印を引く矢印のプロパティを指定できます。これは、矢印のプロパティの辞書を与えることで行います。有効なキーは：

• width : 矢印の幅（ポイントで）
• frac : 矢印の先端が占める矢印の長さの割合
• headwidth : 矢印の先端の基部の幅（ポイントで）
• shrink : 先端と基部を注釈ポイントとテキストから何パーセント離すか
• matplotlib.patches.polygon の任意のキー（例えば、facecolor）

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

from matplotlib.patches import Ellipse
from matplotlib.text import OffsetFrom

## Create our figure and data we'll use for plotting
fig, ax = plt.subplots(figsize=(4, 4))

t = np.arange(0.0, 5.0, 0.01)
s = np.cos(2*np.pi*t)

## Plot a line and add some simple annotations
line, = ax.plot(t, s)
ax.annotate('figure pixels',
            xy=(10, 10), xycoords='figure pixels')
ax.annotate('figure points',
            xy=(107, 110), xycoords='figure points',
            fontsize=12)
ax.annotate('figure fraction',
            xy=(.025,.975), xycoords='figure fraction',
            horizontalalignment='left', verticalalignment='top',
            fontsize=20)

## The following examples show off how these arrows are drawn.

ax.annotate('point offset from data',
            xy=(3, 1), xycoords='data',
            xytext=(-10, 90), textcoords='offset points',
            arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),
            horizontalalignment='center', verticalalignment='bottom')

ax.annotate('axes fraction',
            xy=(2, 1), xycoords='data',
            xytext=(0.36, 0.68), textcoords='axes fraction',
            arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),
            horizontalalignment='right', verticalalignment='top')

## You may also use negative points or pixels to specify from (right, top).
## E.g., (-10, 10) is 10 points to the left of the right side of the axes and 10
## points above the bottom

ax.annotate('pixel offset from axes fraction',
            xy=(1, 0), xycoords='axes fraction',
            xytext=(-20, 20), textcoords='offset pixels',
            horizontalalignment='right',
            verticalalignment='bottom')

ax.set(xlim=(-1, 5), ylim=(-3, 5))

複数の座標系と軸の種類の使用

異なる位置と座標系で xypoint と xytext を指定し、任意で接続線を表示してポイントをマーカーでマークすることができます。注釈は極座標軸でも機能します。

fig, ax = plt.subplots(subplot_kw=dict(projection='polar'), figsize=(3, 3))
r = np.arange(0, 1, 0.001)
theta = 2*2*np.pi*r
line, = ax.plot(theta, r)

ind = 800
thisr, thistheta = r[ind], theta[ind]
ax.plot([thistheta], [thisr], 'o')
ax.annotate('a polar annotation',
            xy=(thistheta, thisr),  ## theta, radius
            xytext=(0.05, 0.05),    ## fraction, fraction
            textcoords='figure fraction',
            arrowprops=dict(facecolor='black', shrink=0.05),
            horizontalalignment='left',
            verticalalignment='bottom')

矢印とバブルスタイルのカスタマイズ

xytext と注釈ポイントの間の矢印、および注釈テキストを覆うバブルは、高度にカスタマイズ可能です。以下は、いくつかのパラメータオプションとその結果の出力です。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 5))

t = np.arange(0.0, 5.0, 0.01)
s = np.cos(2*np.pi*t)
line, = ax.plot(t, s, lw=3)

ax.annotate(
  'straight',
    xy=(0, 1), xycoords='data',
    xytext=(-50, 30), textcoords='offset points',
    arrowprops=dict(arrowstyle="->"))
ax.annotate(
    'arc3,\nrad 0.2',
    xy=(0.5, -1), xycoords='data',
    xytext=(-80, -60), textcoords='offset points',
    arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                    connectionstyle="arc3,rad=.2"))
ax.annotate(
    'arc,\nangle 50',
    xy=(1., 1), xycoords='data',
    xytext=(-90, 50), textcoords='offset points',
    arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                    connectionstyle="arc,angleA=0,armA=50,rad=10"))
ax.annotate(
    'arc,\narms',
    xy=(1.5, -1), xycoords='data',
    xytext=(-80, -60), textcoords='offset points',
    arrowprops=dict(
        arrowstyle="->",
        connectionstyle="arc,angleA=0,armA=40,angleB=-90,armB=30,rad=7"))
ax.annotate(
    'angle,\nangle 90',
    xy=(2., 1), xycoords='data',
    xytext=(-70, 30), textcoords='offset points',
    arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                    connectionstyle="angle,angleA=0,angleB=90,rad=10"))
ax.annotate(
    'angle3,\nangle -90',
    xy=(2.5, -1), xycoords='data',
    xytext=(-80, -60), textcoords='offset points',
    arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                    connectionstyle="angle3,angleA=0,angleB=-90"))
ax.annotate(
    'angle,\nround',
    xy=(3., 1), xycoords='data',
    xytext=(-60, 30), textcoords='offset points',
    bbox=dict(boxstyle="round", fc="0.8"),
    arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                    connectionstyle="angle,angleA=0,angleB=90,rad=10"))
ax.annotate(
    'angle,\nround4',
    xy=(3.5, -1), xycoords='data',
    xytext=(-70, -80), textcoords='offset points',
    size=20,
    bbox=dict(boxstyle="round4,pad=.5", fc="0.8"),
    arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                    connectionstyle="angle,angleA=0,angleB=-90,rad=10"))
ax.annotate(
    'angle,\nshrink',
    xy=(4., 1), xycoords='data',
    xytext=(-60, 30), textcoords='offset points',
    bbox=dict(boxstyle="round", fc="0.8"),
    arrowprops=dict(arrowstyle="->",
                    shrinkA=0, shrinkB=10,
                    connectionstyle="angle,angleA=0,angleB=90,rad=10"))
## 空の文字列を渡すと、注釈の矢印のみが描画されます
ax.annotate('', xy=(4., 1.), xycoords='data',
            xytext=(4.5, -1), textcoords='data',
            arrowprops=dict(arrowstyle="<->",
                            connectionstyle="bar",
                            ec="k",
                            shrinkA=5, shrinkB=5))

ax.set(xlim=(-1, 5), ylim=(-4, 3))

座標系のさらなる例

以下では、座標系のさらなる例と、注釈の位置を指定する方法を示します。

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

bbox_args = dict(boxstyle="round", fc="0.8")
arrow_args = dict(arrowstyle="->")

## ここでは、座標系の範囲と注釈テキストの配置方法を示します。

ax1.annotate('figure fraction : 0, 0', xy=(0, 0), xycoords='figure fraction',
             xytext=(20, 20), textcoords='offset points',
             ha="left", va="bottom",
             bbox=bbox_args,
             arrowprops=arrow_args)

ax1.annotate('figure fraction : 1, 1', xy=(1, 1), xycoords='figure fraction',
             xytext=(-20, -20), textcoords='offset points',
             ha="right", va="top",
             bbox=bbox_args,
             arrowprops=arrow_args)

ax1.annotate('axes fraction : 0, 0', xy=(0, 0), xycoords='axes fraction',
             xytext=(20, 20), textcoords='offset points',
             ha="left", va="bottom",
             bbox=bbox_args,
             arrowprops=arrow_args)

ax1.annotate('axes fraction : 1, 1', xy=(1, 1), xycoords='axes fraction',
             xytext=(-20, -20), textcoords='offset points',
             ha="right", va="top",
             bbox=bbox_args,
             arrowprops=arrow_args)

## ドラッグ可能な注釈を生成することもできます

an1 = ax1.annotate('Drag me 1', xy=(.5,.7), xycoords='data',
                   ha="center", va="center",
                   bbox=bbox_args)

an2 = ax1.annotate('Drag me 2', xy=(.5,.5), xycoords=an1,
                   xytext=(.5,.3), textcoords='axes fraction',
                   ha="center", va="center",
                   bbox=bbox_args,
                   arrowprops=dict(patchB=an1.get_bbox_patch(),
                                   connectionstyle="arc3,rad=0.2",
                                   **arrow_args))
an1.draggable()
an2.draggable()

an3 = ax1.annotate('', xy=(.5,.5), xycoords=an2,
                   xytext=(.5,.5), textcoords=an1,
                   ha="center", va="center",
                   bbox=bbox_args,
                   arrowprops=dict(patchA=an1.get_bbox_patch(),
                                   patchB=an2.get_bbox_patch(),
                                   connectionstyle="arc3,rad=0.2",
                                   **arrow_args))

## 最後に、もう少し複雑な注釈と配置を示します

text = ax2.annotate('xy=(0, 1)\nxycoords=("data", "axes fraction")',
                    xy=(0, 1), xycoords=("data", 'axes fraction'),
                    xytext=(0, -20), textcoords='offset points',
                    ha="center", va="top",
                    bbox=bbox_args,
                    arrowprops=arrow_args)

ax2.annotate('xy=(0.5, 0)\nxycoords=artist',
             xy=(0.5, 0.), xycoords=text,
             xytext=(0, -20), textcoords='offset points',
             ha="center", va="top",
             bbox=bbox_args,
             arrowprops=arrow_args)

ax2.annotate('xy=(0.8, 0.5)\nxycoords=ax1.transData',
             xy=(0.8, 0.5), xycoords=ax1.transData,
             xytext=(10, 10),
             textcoords=OffsetFrom(ax2.bbox, (0, 0), "points"),
             ha="left", va="bottom",
             bbox=bbox_args,
             arrowprops=arrow_args)

ax2.set(xlim=[-2, 2], ylim=[-2, 2])

まとめ

この実験では、Matplotlib でプロットに注釈を付ける基本的な方法を学びました。注釈とテキストポイントの指定方法、複数の座標系と軸の種類の使用方法、矢印とバブルスタイルのカスタマイズ方法、そして座標系のさらなる例について学びました。これらのツールは、プロットを視覚的に魅力的にするだけでなく、情報を効果的に伝えるために欠かせないものです。