【NEW-3.0】R-图形初阶

前言

千呼万唤始出来，终于到了图形这部分，这部分主要说明如何创建和保存图形以及图形相关常用的参数使用。

图形相关基础函数

使用图形

首先，先在你的R上运行如下代码：

# 创建一个 1.jpg 的文件
jpeg('1.jpg')
# 绑定trees数据
attach(trees)
# 根据Height和Volume绘制点图形
plot(Height,Volume)
# 自定义图形标题
title("这是一个标题")
# 解除绑定trees数据
detach(trees)
# 返回输出结果
dev.off()

运行后会在当前工作目录下产生一个名称为1.jpg的图片，如下所示：

这就是所生成的图形，利用的是trees数据所生成的图形。

图形输出

用于图形输出的函数如下所示：

函数	功能
pdf('filename.pdf')	输出PDF文件
png('filename.png')	输出PNG文件
jpeg('filename.jpg/jpeg')	输出JPG文件
bmp('filename.bmp')	输出BMP文件

需要注意的是使用上述函数输出图片后要使用dev.off()函数来完成文件输出。

关于JPG和JPEG的区别可以参考我这篇文章琐碎问题记录。

图形参数

我们可以通过修改图形的相关参数来实现我们想要的图形效果，例如图形颜色，图形样式等。

修改图形参数的方式有两种，第一种是使用par()函数来修改全局参数，第二种是在定义图形的时候定义相关参数。关于par()函数的使用后续说明。

在前面的代码中，以及试验过了plot()函数的输出结果，即图形样式。函数原型如下：

plot(x, y = NULL, type = "p",  xlim = NULL, ylim = NULL,
     log = "", main = NULL, sub = NULL, xlab = NULL, ylab = NULL,
     ann = par("ann"), axes = TRUE, frame.plot = axes,
     panel.first = NULL, panel.last = NULL, asp = NA,
     xgap.axis = NA, ygap.axis = NA,
     ...)

• **x**：即x轴数据
• **y**：即y轴数据

符号和线条

可以通过设置以下参数来修改图形的符号和线条类型：

参数	说明
pch	指定绘制点时使用的符号
cex	指定符号的大小。cex是数值型，默认大小为1，2表示放大2倍
lty	指定线条类型
lwd	指定线条宽度。默认值为1，同cex

关于**pch值对应的点符号样式**如下图：

关于lty参数对应线条的类型样式如下图：

颜色

用于颜色指定的相关参数如下：

参数	说明
col	设置绘图颜色。某些函数可以接受颜色值向量并自动循环使用。例如：col=c('red','green)则绘制的图线先红色后绿色，周而复始.
col.axis	坐标轴刻度文字的颜色
col.lab	坐标轴标签的颜色
col.main	标题颜色
col.sub	副标题颜色
fg	前景色（即图表框的颜色）
bg	背景色

颜色的指定可以通过颜色索引，颜色名称，十六进制颜色值，RGB值或者HSV值来指定颜色。例如：

col=1
col='white'
col='#FFFFFF'
col=rgb(1,1,1)
col=hsv(0,0,1)

文本属性

图形参数同样可以用来指定字号，字体和字样等，参数如下所示：

参数	说明
cex	表示绘图大小，默认为1
cex.axis	坐标轴刻度字体的大小，大小设置同上
cex.lab	坐标轴标签的大小，大小设置同上
cex.main	标题的大小，大小设置同上
cex.sub	副标题的大小，大小设置同上
————-	————————————–
font	接收整型参数，用于指定绘图字体样式。（1=常规，2=粗体，3=斜体，4=粗斜体，5=符号字体）
font.axis	坐标轴刻度字体样式，同上
font.lab	坐标轴标签字体样式，同上
font.main	标题字体样式，同上
font.sub	副标题字体样式，同上
ps	字体磅值（1磅 $\approx$ $\frac{1}{72}$ 英寸），文本最终大小=$ps \times cex$
family	绘制文本时使用的字体族。

添加文本，自定义坐标轴和图例

图形尺寸于边界尺寸

同样的可以通过参数来控制生成图形的尺寸，如下所示：

参数	说明
pin	以英寸表示图形的尺寸（宽和高）
mai	以数值向量表示边界的大小，顺序是下，左，上，右，单位为英寸
mar	以数值向量表示边界大小，顺序同上，单位是英分

1英寸=2.54厘米，1英分= $\frac{1}{12}$ 英寸

标题

需要高级绘图函数（例如plot，hist，boxplot）允许设定更多的自定义内容，例如标题，图例等。

某些高级绘图函数默认包含了标题和标签，可以通过设置ann=FLASE来移除它们

可以使用title()函数为图形添加标题和坐标轴标签，函数原型如下：

title(main = NULL, sub = NULL, xlab = NULL, ylab = NULL,
      line = NA, outer = FALSE, ...)

NA是Not Available的缩写，是一种占位符，可以理解为值=NA，但是不存在

代码示例：

title(main = '这是主标题',sub = '这是副标题',xlab = '这是横坐标标签',ylab = '这是纵坐标标签')

坐标轴

可以使用函数axis()来创建自定义坐标轴。函数原型如下：

axis(side, at = NULL, labels = TRUE, tick = TRUE, line = NA,
     pos = NA, outer = FALSE, font = NA, lty = "solid",
     lwd = 1, lwd.ticks = lwd, col = NULL, col.ticks = NULL,
     hadj = NA, padj = NA, gap.axis = NA, ...)

参数说明如下：

参数	说明
side	整型，表示在图形哪边绘制坐标轴（1=下，2=左，3=上，4=右）
at	数值型向量，表示需要绘制刻度线的位置
labels	字符型向量，表示置于刻度线旁边的文字标签（如果为NULL则直接使用at中的值）
pos	坐标轴线绘制位置的坐标（即与另一条坐标轴相交的位置）
lty	线条类型
col	线条和刻度线的颜色
las	标签是否平行(=0)或者垂直于(=2)坐标轴
tck	刻度线的长度，以相对于绘图区域大小的分数表示（负值表示在图形外侧，正值表示在图形内侧，0表示禁用刻度，1表示绘制网格线）；默认值为 $-0.01$

创建自定义坐标轴时，应该禁用高级绘图函数自动生成的坐标轴。

• 参数axes=FLASE将禁用全部坐标轴（包括坐标轴框架线）
• 参数xaxt='n'和yaxt='n'将分别禁用 X 轴或者 Y 轴（会留下框架线，只是去除了刻度）

现在运行如下代码示例：

# 定义数据
x <- c(1:10)
y <- x
z <- 10/x

opar <- par(no.readonly = TRUE)

# 设定图形边界
par(mar=c(5,4,4,8)+0.1)

# 绘制红色直线
plot(x,y,type = 'b',pch=21,col='red',yaxt='n',lty=3,ann=FALSE)

# 绘制蓝色曲线
lines(x,z,type='b',pch=22,col='blue',lty=2)

# 绘制左侧Y轴刻度线
axis(2,at=x,labels = x,col.axis='red',las=2)

# 绘制右侧Y轴刻度线
axis(4,at=z,labels = round(z,digits = 2),col.axis='blue',las=2
     ,cex.axis=0.7,tck=-.01)

# 添加右侧标题
mtext('y=1/x',side=4,line=3,cex.lab=1,las=2,col='blue')

# 添加横纵坐标标题
title('这是一个样图',xlab = '这是横坐标',ylab = '这是纵坐标',line = 2)

par(opar)

运行结果生成的图形如下：

关于上述语法解释，**line()函数是绘制图线**，其函数原型如下：

line(x, y, iter = 1)

其中参数type的值以及功能如下：

参数	功能
type='p'	表示绘制点
type='l'	表示绘制线
type='b'	表示绘制点和线
type='c'	表示曲线连接的空点
type='s'或者type='S'	表示阶梯状线
type='h'	表示直方图状垂直线
type='n'	表示不产生任何点或者线

round()函数是进行四舍五入的函数，函数原型如下：

round(x, digits = 0)

• x：需要处理的数据
• digits：要使用的小数位数或者有效数字的数目

mtext函数是将文本写在图形区域的是个边距的周围。函数原型如下：

mtext(text, side = 3, line = 0, outer = FALSE, at = NA,
      adj = NA, padj = NA, cex = NA, col = NA, font = NA, ...)

相关参数说明如下：

参数	说明
text	标题内容
side	文本在坐标轴边框的位置（1=下，2=左，3=上，4=右）
line	距离坐标轴边框的距离，值越大越远
las	文字是否平行(=0)或者垂直于(=2)坐标轴

次要刻度线

如上创建的图形都只拥有主刻度线，没有次刻度线。想要创建次刻度线，需要使用Hmisc宏包的minor.tick()函数。minor.tick()函数原型如下：

minor.tick(nx=2, ny=2, tick.ratio=0.5, x.args = list(), y.args = list())

• nx：指在X轴分割的区域，2即次刻度线将每个区间分为两个区域
• ny：指在Y轴分割的区域，同上
• tick.ratio：表示次刻度相对于主刻度线的大小比例

参考线

函数abline()可以用来为图形添加参考线，函数原型如下：

abline(a = NULL, b = NULL, h = NULL, v = NULL, reg = NULL,
       coef = NULL, untf = FALSE, ...)

• h：Y 轴的参考线
• v：X 轴的参考线

代码实例：

# 在垂直 3 坐标和水平 2 坐标，用虚线话画出红色的参考线
abline(h=2,v=3,lty=2,col='red')

图例

当图形中存在多个数据的时候，使用图例可以帮助读者快速区分数据曲线。

可以使用函数legend()来添加图例。函数原型如下：

legend(x, y = NULL, legend, fill = NULL, col = par("col"),
       border = "black", lty, lwd, pch,
       angle = 45, density = NULL, bty = "o", bg = par("bg"),
       box.lwd = par("lwd"), box.lty = par("lty"), box.col = par("fg"),
       pt.bg = NA, cex = 1, pt.cex = cex, pt.lwd = lwd,
       xjust = 0, yjust = 1, x.intersp = 1, y.intersp = 1,
       adj = c(0, 0.5), text.width = NULL, text.col = par("col"),
       text.font = NULL, merge = do.lines && has.pch, trace = FALSE,
       plot = TRUE, ncol = 1, horiz = FALSE, title = NULL,
       inset = 0, xpd, title.col = text.col[1], title.adj = 0.5,
       title.cex = cex[1], title.font = text.font[1],
       seg.len = 2)

参数说明如下：

参数	说明
location	有两种定位图例位置的方法，第一种是通过指定 X，Y 的值来指定图例的位置（以图例左上角为顶点），第二种方式是通过指定关键字，"bottomright", "bottom", "bottomleft", "left", "topleft", "top", "topright", "right" and "center"，如果使用关键字指定位置，可以通过inset参数来调整其距离边框的位置。
title	图例的标题

代码示例：

legend("topleft",title = '图例标题',inset = 0.2,c('A','B'),pch=c(2,5))

效果如下：

文本标注

可以通过函数text()和mtext()将文本添加到图形，text()可以向绘图区域内添加文字，而mtext()是向绘图区域四周添加文字。函数原型如下：

# mtext
mtext(text, side = 3, line = 0, outer = FALSE, at = NA,
      adj = NA, padj = NA, cex = NA, col = NA, font = NA, ...)

# text
text(x, ...)

mtext函数已经在坐标轴部分说明了，text的相关参数说明如下;

• x：指定 X 轴的位置
• y：指定 Y 轴的位置
• label：标注内容
• pos：标准内容和点的偏移量

代码示例：

# 创建数据
a <- c(1:10)
b <- 1/c(1:10)

# 绘制图形
plot(a,b)

# 添加坐标的文字
text(1,1,'这是第一个数据',pos=4)
text(2,1/2,'这是第二个数据',pos=4)
text(3,1/3,'这是第三个数据',pos=4)

运行效果：

数学标注

同样的，你也可以使用类似于Tex中的写法为图形添加数学符号和公式。可以利用plotmath()函数来实现，如果你希望看到即时效果，可以尝试运行demo(plotmath)来查看。

代码示例：

# 使用 expression() 来呈现数学公式
text(2,1/2,labels=expression(frac(1,2)),pos=4)

关于Tex/LaTex用法说明，可以看我这篇文章LaTex基础（上）

图形的组合

在R中使用函数par()或者layout()可以组合多幅图形为一幅总括图。

可以通过在par()函数中使用图形参数mfrow=c(nrows,ncols)来创建按行填充的图形矩阵，或者可以使用**nfcol=c(nrows,ncols)来按列填充矩阵**。代码示例：

# 绑定数据源
attach(trees)
# 获取初始图形参数
opar <- par(no.readonly = TRUE)
# 设置两行两列
par(mfrow=c(2,2))
# 绘制图形
plot(Height,Volume,main='第一个图')
plot(Height,Girth,main='第二个图')
hist(Height,main='第三个图')
boxplot(Height,main='第四个图')
# 设置图形参数
par(opar)
# 解绑数据源
detach(trees)

运行效果如下：

接下来尝试使用layout（）函数绘制组合图形，其函数原型如下：

layout(mat, widths = rep.int(1, ncol(mat)),
       heights = rep.int(1, nrow(mat)), respect = FALSE)

• mat：矩阵类型参数，四个参数表示四个位置

代码示例：

attach(trees)
layout(matrix(c(1,1,2,3),2,2,byrow = TRUE))
hist(Height)
hist(Volume)
hist(Girth)
detach(trees)

运行效果如下：

为了更精细的控制每幅图的大小，可以有选择性的在layout()函数中使用heights和widths两个参数。

• widths和heights：两个函数都接收一个向量参数，是一种比例

相对高度可以通过数值来指定，绝对高度通过函数lcm()来指定。代码示例：

attach(trees)
layout(matrix(c(1,1,2,3),2,2,byrow = TRUE)
       ,widths = c(3,1),heights = c(1,2))
hist(Height)
hist(Volume)
hist(Girth)
detach(trees)

运行效果如下：

图形的精细化控制

在某些情况下，你可能希望通过多个图形叠加来形成其他图形，这个时候就需要使用fig参数来实现。代码示例如下：

attach(trees)
par(fig=c(0,0.8,0,0.8))
plot(Height,Volume)
par(fig=c(0,0.8,0.5,1),new=TRUE)
boxplot(Height,horizontal = TRUE,axes=FALSE)
par(fig=c(0.65,1,0,0.8),new=TRUE)
boxplot(Volume,axes=FALSE)
detach(trees)

• new=TRUE：意思是绘制图形的时候不清楚原图像，而是继续叠加绘图

运行效果如下：

**fig参数接收一个四参数的向量，它表示的是相对位置，其参数类型为fig=c(x1,x2,y1,y2)**，代码par(fig=c(0,0.8,0,0.8))的意思是规定图形的绘制范围为：横向从 0 到 0.8 这个比例范围内，纵向 0 到 0.8 这个比例范围内。

如果你在绘图过程中报错figure margins too large，则说明绘图已经超出绘图设备区域，适当缩小绘图区域即可。

End

这部分初步理解和利用图形相关参数来实现一些基本的自定义图形。