简介
在本实验中，你将学习如何使用 Python 中的 Matplotlib 创建一个简单的图形用户界面（GUI）。具体来说，你将创建一个傅里叶演示，在频域和时域中显示两个波形。你可以通过在图上点击并拖动来调整波形的频率和幅度。
虚拟机提示
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有时，你可能需要等待几秒钟让 Jupyter Notebook 完成加载。由于 Jupyter Notebook 的限制，操作验证无法自动化。
如果你在学习过程中遇到问题，请随时向 Labby 提问。课程结束后提供反馈，我们将立即为你解决问题。
导入库
第一步是导入必要的库。我们将使用 Matplotlib、wxPython 和 NumPy。Matplotlib 是一个用于 Python 的绘图库，wxPython 是一个用于 Python 的 GUI 工具包，NumPy 是一个用于 Python 数值计算的库。
import wx
import numpy as np
from matplotlib.backends.backend_wxagg import FigureCanvasWxAgg as FigureCanvas
from matplotlib.figure import Figure
定义旋钮和参数类
下一步是定义 Knob 和 Param 类。这些类将用于在图形用户界面（GUI）中控制波形的频率和幅度。
class Knob:
"""
旋钮 - 具有 "setKnob" 方法的简单类。
一个旋钮实例连接到一个参数实例，例如，param.attach(knob)
基类仅用于文档目的。
"""
def setKnob(self, value):
pass
class Param:
"""
“参数”类的概念是，GUI 中的某个参数可能有
几个旋钮，它们既可以控制该参数，又可以反映参数的状态，例如
在本示例的波形中，滑块、文本输入和拖动都可以改变频率值。
当一个旋钮的值发生变化时，该类提供了一种更简洁的方式来更新/“反馈”给其他旋钮。此外，该类处理所有旋钮的最小值/最大值约束。
思路 - 旋钮列表 - 在 "set" 方法中，旋钮对象也会被传递
- 旋钮列表中的其他旋钮有一个 "set" 方法，该方法会被调用以更新其他旋钮。
"""
def __init__(self, initialValue=None, minimum=0., maximum=1.):
self.minimum = minimum
self.maximum = maximum
if initialValue!= self.constrain(initialValue):
raise ValueError('非法初始值')
self.value = initialValue
self.knobs = []
def attach(self, knob):
self.knobs += [knob]
def set(self, value, knob=None):
self.value = value
self.value = self.constrain(value)
for feedbackKnob in self.knobs:
if feedbackKnob!= knob:
feedbackKnob.setKnob(self.value)
return self.value
def constrain(self, value):
if value <= self.minimum:
value = self.minimum
if value >= self.maximum:
value = self.maximum
return value
定义滑块组类
滑块组类将在图形用户界面（GUI）中创建一个滑块和文本框，用于调整波形的频率和幅度。
class SliderGroup(Knob):
def __init__(self, parent, label, param):
self.sliderLabel = wx.StaticText(parent, label=label)
self.sliderText = wx.TextCtrl(parent, -1, style=wx.TE_PROCESS_ENTER)
self.slider = wx.Slider(parent, -1)
self.slider.SetRange(0, int(param.maximum * 1000))
self.setKnob(param.value)
sizer = wx.BoxSizer(wx.HORIZONTAL)
sizer.Add(self.sliderLabel, 0,
wx.EXPAND | wx.ALL,
border=2)
sizer.Add(self.sliderText, 0,
wx.EXPAND | wx.ALL,
border=2)
sizer.Add(self.slider, 1, wx.EXPAND)
self.sizer = sizer
self.slider.Bind(wx.EVT_SLIDER, self.sliderHandler)
self.sliderText.Bind(wx.EVT_TEXT_ENTER, self.sliderTextHandler)
self.param = param
self.param.attach(self)
def sliderHandler(self, event):
value = event.GetInt() / 1000.
self.param.set(value)
def sliderTextHandler(self, event):
value = float(self.sliderText.GetValue())
self.param.set(value)
def setKnob(self, value):
self.sliderText.SetValue(f'{value:g}')
self.slider.SetValue(int(value * 1000))
定义傅里叶演示框架类
傅里叶演示框架类将使用 wxPython 和 Matplotlib 创建图形用户界面（GUI）。
class FourierDemoFrame(wx.Frame):
def __init__(self, *args, **kwargs):
super().__init__(*args, **kwargs)
panel = wx.Panel(self)
## 创建 GUI 元素
self.createCanvas(panel)
self.createSliders(panel)
## 将它们放置在一个 sizer 中进行布局
sizer = wx.BoxSizer(wx.VERTICAL)
sizer.Add(self.canvas, 1, wx.EXPAND)
sizer.Add(self.frequencySliderGroup.sizer, 0,
wx.EXPAND | wx.ALL, border=5)
sizer.Add(self.amplitudeSliderGroup.sizer, 0,
wx.EXPAND | wx.ALL, border=5)
panel.SetSizer(sizer)
def createCanvas(self, parent):
self.lines = []
self.figure = Figure()
self.canvas = FigureCanvas(parent, -1, self.figure)
self.canvas.callbacks.connect('button_press_event', self.mouseDown)
self.canvas.callbacks.connect('motion_notify_event', self.mouseMotion)
self.canvas.callbacks.connect('button_release_event', self.mouseUp)
self.state = ''
self.mouseInfo = (None, None, None, None)
self.f0 = Param(2., minimum=0., maximum=6.)
self.A = Param(1., minimum=0.01, maximum=2.)
self.createPlots()
self.f0.attach(self)
self.A.attach(self)
def createSliders(self, panel):
self.frequencySliderGroup = SliderGroup(
panel,
label='Frequency f0:',
param=self.f0)
self.amplitudeSliderGroup = SliderGroup(panel, label=' Amplitude a:',
param=self.A)
def mouseDown(self, event):
if self.lines[0].contains(event)[0]:
self.state = 'frequency'
elif self.lines[1].contains(event)[0]:
self.state = 'time'
else:
self.state = ''
self.mouseInfo = (event.xdata, event.ydata,
max(self.f0.value,.1),
self.A.value)
def mouseMotion(self, event):
if self.state == '':
return
x, y = event.xdata, event.ydata
if x is None: ## 在坐标轴之外
return
x0, y0, f0Init, AInit = self.mouseInfo
self.A.set(AInit + (AInit * (y - y0) / y0), self)
if self.state == 'frequency':
self.f0.set(f0Init + (f0Init * (x - x0) / x0))
elif self.state == 'time':
if (x - x0) / x0!= -1.:
self.f0.set(1. / (1. / f0Init + (1. / f0Init * (x - x0) / x0)))
def mouseUp(self, event):
self.state = ''
def createPlots(self):
self.subplot1, self.subplot2 = self.figure.subplots(2)
x1, y1, x2, y2 = self.compute(self.f0.value, self.A.value)
color = (1., 0., 0.)
self.lines += self.subplot1.plot(x1, y1, color=color, linewidth=2)
self.lines += self.subplot2.plot(x2, y2, color=color, linewidth=2)
self.subplot1.set_title(
"Click and drag waveforms to change frequency and amplitude",
fontsize=12)
self.subplot1.set_ylabel("Frequency Domain Waveform X(f)", fontsize=8)
self.subplot1.set_xlabel("frequency f", fontsize=8)
self.subplot2.set_ylabel("Time Domain Waveform x(t)", fontsize=8)
self.subplot2.set_xlabel("time t", fontsize=8)
self.subplot1.set_xlim([-6, 6])
self.subplot1.set_ylim([0, 1])
self.subplot2.set_xlim([-2, 2])
self.subplot2.set_ylim([-2, 2])
self.subplot1.text(0.05,.95,
r'$X(f) = \mathcal{F}\{x(t)\}$',
verticalalignment='top',
transform=self.subplot1.transAxes)
self.subplot2.text(0.05,.95,
r'$x(t) = a \cdot \cos(2\pi f_0 t) e^{-\pi t^2}$',
verticalalignment='top',
transform=self.subplot2.transAxes)
def compute(self, f0, A):
f = np.arange(-6., 6., 0.02)
t = np.arange(-2., 2., 0.01)
x = A * np.cos(2 * np.pi * f0 * t) * np.exp(-np.pi * t ** 2)
X = A / 2 * \
(np.exp(-np.pi * (f - f0) ** 2) + np.exp(-np.pi * (f + f0) ** 2))
return f, X, t, x
def setKnob(self, value):
x1, y1, x2, y2 = self.compute(self.f0.value, self.A.value)
self.lines[0].set(xdata=x1, ydata=y1)
self.lines[1].set(xdata=x2, ydata=y2)
self.canvas.draw()
定义应用程序类
应用程序类将创建应用程序并显示图形用户界面（GUI）。
class App(wx.App):
def OnInit(self):
self.frame1 = FourierDemoFrame(parent=None, title="Fourier Demo",
size=(640, 480))
self.frame1.Show()
return True
运行应用程序
最后一步是运行应用程序。
if __name__ == "__main__":
app = App()
app.MainLoop()
总结
在这个实验中，你学习了如何使用 Python 中的 Matplotlib 创建一个简单的图形用户界面（GUI）。你创建了一个傅里叶演示，它在频域和时域中显示两个波形。你能够通过在图上点击并拖动来调整波形的频率和幅度。