教程

1.12 填充与图形对象 ​

前几节画的折线、散点、柱状图，数据都以点或线呈现。医学示意图里常见的还有另外一类元素：药物浓度曲线下的面积、肺功能图中的参考椭圆、流程图里的圆角方块。这些元素统称为图形对象（Patch），本质是一个个独立的图形单元，可以单独设置颜色、边框、透明度，也能自由叠加。本节讲解填充多边形的用法，以及 matplotlib.patches 中常用图形对象的创建参数，并演示如何用 ax.add_patch() 把它们放到坐标轴上。

1.12.1 填充多边形 plt.fill() 与 ax.fill() ​

plt.fill() 按给定的坐标点依次连线并填充闭合区域，适合画多边形或填充两条曲线之间的区域：

python
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# 用三个顶点画一个三角形
plt.fill([1, 5, 3], [1, 1, 4], color='steelblue', alpha=0.6)
plt.xlim(0, 6)
plt.ylim(0, 5)
plt.show()

fill(x, y) 中 x 与 y 是闭合路径的顶点坐标，函数会自动把最后一个点与第一个点连起来。它接受 color、alpha、edgecolor、facecolor 等填充样式参数。

fill_between 常用于填充两条曲线之间的面积，在数据可视化中更常用：

python
x = np.linspace(0, 10, 200)
y1 = np.sin(x)
y2 = np.cos(x)

plt.plot(x, y1, label='sin(x)')
plt.plot(x, y2, label='cos(x)')
# 填充两条曲线之间的区域
plt.fill_between(x, y1, y2, color='orange', alpha=0.3)
plt.legend()
plt.show()

plt.fill_between(x, y1, y2) 对每个 x 在 y1 与 y2 之间纵向填充，支持 where 参数按条件局部填充。它适合画置信带、误差区间、两组数据的差值区域。面向对象写法为 ax.fill() 与 ax.fill_between()，参数与 pyplot 版本完全一致。

1.12.2 matplotlib.patches 常用图形对象 ​

matplotlib.patches 模块提供大量现成的图形类，每个类构造完成后是一个 Patch 对象，本身不立即显示，需要调用 ax.add_patch() 添加到坐标轴。常用类的创建参数如下表：

图形对象关键参数说明
Rectangle(xy, width, height)xy 左下角坐标，width、height 宽高矩形，可用 angle 旋转，round=True 画圆角
Circle(xy, radius)xy 圆心，radius 半径圆形，单位是数据坐标
Ellipse(xy, width, height)xy 中心，width、height 直径椭圆，支持 angle 倾斜
Polygon(verts)verts 顶点坐标列表任意多边形
Arc(xy, width, height)弧线的包围框只画弧不封闭，用 theta1、theta2 控制起止角度
Wedge(center, r, theta1, theta2)center 圆心，r 半径，theta1、theta2 起止角度扇形，圆形饼图的一部分
RegularPolygon(xy, numVertices, radius)顶点数 numVertices，外接圆半径 radius正多边形，如正六边形

下面用一个示例同时创建七种图形对象：

python
from matplotlib.patches import (Rectangle, Circle, Ellipse, Polygon,
                                Arc, Wedge, RegularPolygon)
import matplotlib.pyplot as plt

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 6))
ax.set_xlim(-5, 5)
ax.set_ylim(-5, 5)
ax.set_aspect('equal')      # 等比例，保证圆是正圆

ax.add_patch(Rectangle((-4.5, -4.5), 3, 2, facecolor='lightblue', edgecolor='blue'))
ax.add_patch(Circle((3, 3), 1.2, facecolor='orange', edgecolor='red'))
ax.add_patch(Ellipse((-2, 3), 2.4, 1.2, angle=30, facecolor='lightgreen'))
ax.add_patch(Polygon([(-1, -2), (1, -2), (0, 0)], facecolor='yellow', edgecolor='black'))
ax.add_patch(Arc((3, -3), 2, 2, theta1=0, theta2=180, color='purple', linewidth=2))
ax.add_patch(Wedge((-3, 2), 1.5, 30, 150, facecolor='pink'))
ax.add_patch(RegularPolygon((3, -1), 6, 1.0, facecolor='cyan'))

plt.show()

各参数的含义：xy 系列参数给出图形的定位基准，width、height、radius 决定尺寸，theta1 与 theta2 决定弧或扇形的角度范围（单位是度，从 0 度开始逆时针）。facecolor 控制填充色，edgecolor 控制边框色，linewidth 控制边框粗细，alpha 控制整体透明度。Arc 默认不填充，只画弧线，所以用 color 指定颜色。

1.12.3 Patch 添加到 Axes：ax.add_patch() ​

所有 Patch 对象创建后都挂在内存里，必须调用 ax.add_patch(patch) 才会显示在坐标轴上：

python
from matplotlib.patches import Rectangle

fig, ax = plt.subplots()
rect = Rectangle((0.2, 0.2), 0.6, 0.3, facecolor='skyblue', edgecolor='navy')
ax.add_patch(rect)
ax.set_xlim(0, 1)
ax.set_ylim(0, 1)
plt.show()

add_patch 接收一个 Patch 实例，返回值是该 Patch 对象（通常不使用）。坐标轴的 xlim 与 ylim 需要手动设置，因为图形对象默认不会自动扩展坐标范围。一次可以连续添加多个 Patch，它们按添加顺序叠放，后添加的在上层。zorder 参数可以显式控制层叠顺序，数值大的画在上层。

python
from matplotlib.patches import Circle

fig, ax = plt.subplots(figsize=(4, 4))
ax.set_xlim(0, 10)
ax.set_ylim(0, 10)
ax.set_aspect('equal')

c1 = Circle((3, 3), 2, facecolor='red', zorder=1)
c2 = Circle((6, 6), 2, facecolor='blue', zorder=2)
ax.add_patch(c1)
ax.add_patch(c2)
plt.show()

1.12.4 阴影效果与 hatch 纹理 ​

给 Patch 设置样式可以得到层次分明的效果。set_facecolor() 修改填充色，配合 alpha 实现半透明叠加，配合 hatch 参数填充纹理：

python
from matplotlib.patches import Rectangle

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 4))
ax.set_xlim(0, 4)
ax.set_ylim(0, 3)

# 三种纹理：斜线、正点、网格
r1 = Rectangle((0.2, 0.5), 1, 1, facecolor='lightblue', hatch='/')
r2 = Rectangle((1.5, 0.5), 1, 1, facecolor='lightblue', hatch='.')
r3 = Rectangle((2.8, 0.5), 1, 1, facecolor='lightblue', hatch='x')
ax.add_patch(r1)
ax.add_patch(r2)
ax.add_patch(r3)

# 创建后再修改填充色与透明度
r2.set_facecolor('orange')
r2.set_alpha(0.6)

plt.show()

hatch 的常用取值：'/' 斜线、'\\' 反斜线、'-' 横线、'|' 竖线、'+' 十字、'x' 交叉、'.' 圆点、'o' 空心圆，也可组合如 '//' 双斜线。Patch 创建后仍可用 set_facecolor()、set_edgecolor()、set_alpha()、set_hatch() 等 setter 方法修改样式，适合在循环中统一调整。

半透明叠加在医学示意图中很实用，例如把两个范围有重叠的分布用半透明椭圆表示，重叠区域自动呈现出两种颜色的混合：

python
from matplotlib.patches import Ellipse

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 4))
ax.set_xlim(0, 10)
ax.set_ylim(0, 6)
ax.set_aspect('equal')

e1 = Ellipse((3, 3), 4, 3, facecolor='blue', alpha=0.4)
e2 = Ellipse((5.5, 3), 4, 3, facecolor='red', alpha=0.4)
ax.add_patch(e1)
ax.add_patch(e2)
plt.show()

练习题 ​

第1题 概念理解 ​

说明 plt.fill() 与 plt.fill_between() 的区别；说明为什么创建 Patch 对象后需要调用 ax.add_patch()；说明 facecolor、edgecolor、alpha、hatch 分别控制什么。

参考答案

plt.fill(x, y) 按顶点坐标画闭合填充多边形，plt.fill_between(x, y1, y2) 对每个 x 纵向填充两条曲线之间的区域。Patch 对象创建后只是内存中的图形描述，必须用 ax.add_patch() 把它挂到坐标轴上才会显示。facecolor 控制填充色，edgecolor 控制边框色，alpha 控制整体透明度，hatch 控制填充纹理。

第2题 代码编写 ​

在 0 到 10 的坐标范围内绘制：一个 Circle、一个旋转 45 度的 Ellipse、一个五边形 RegularPolygon、一个 Wedge 扇形，用 add_patch 添加并用不同颜色区分，设置等比例坐标轴。

参考答案
python
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Circle, Ellipse, RegularPolygon, Wedge

fig, ax = plt.subplots(figsize=(6, 6))
ax.set_xlim(0, 10)
ax.set_ylim(0, 10)
ax.set_aspect('equal')

ax.add_patch(Circle((2.5, 2.5), 1.5, facecolor='steelblue'))
ax.add_patch(Ellipse((7.5, 2.5), 3, 1.5, angle=45, facecolor='orange'))
ax.add_patch(RegularPolygon((2.5, 7.5), 5, 1.5, facecolor='green'))
ax.add_patch(Wedge((7.5, 7.5), 1.5, 30, 210, facecolor='purple'))

plt.show()

第3题 进阶练习 ​

绘制 x ∈ [0, 10] 上 y1 = sin(x) 与 y2 = cos(x) 的曲线，用 fill_between 填充两曲线之间区域并设置 alpha；另外创建 3 个带不同 hatch 纹理的 Rectangle，其中 1 个在创建后用 set_facecolor 与 set_alpha 修改样式，并说明 zorder 对叠放顺序的作用。

参考答案
python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.patches import Rectangle

x = np.linspace(0, 10, 200)
y1 = np.sin(x)
y2 = np.cos(x)

fig, ax = plt.subplots(figsize=(8, 5))
ax.plot(x, y1, label='sin(x)')
ax.plot(x, y2, label='cos(x)')
ax.fill_between(x, y1, y2, color='orange', alpha=0.3)

ax.add_patch(Rectangle((0.2, -1.2), 2, 0.5, facecolor='lightblue', hatch='/', zorder=5))
r2 = Rectangle((3, -1.2), 2, 0.5, facecolor='lightblue', hatch='x', zorder=5)
ax.add_patch(r2)
r2.set_facecolor('orange')
r2.set_alpha(0.6)

ax.legend()
plt.show()

zorder 数值大的 Patch 画在数值小的上层，默认按添加顺序叠放。半透明区域与 zorder 结合可以精确控制填充、图形对象与数据曲线的遮挡关系。

常见错误 ​

错误 1 · 调用 plt.fill() 或 plt.plot() 之后圆形的形状是扁的

原因:坐标轴纵横比例不是 1，Circle 在拉伸的坐标轴里显示为椭圆。

解决:调用 ax.set_aspect('equal') 让两个方向刻度等比例，或 ax.set_aspect('auto') 恢复自动。

错误 2 · 创建了 Patch 对象但图上什么都没有

原因:只构造了对象，没有调用 ax.add_patch()，或者坐标范围没有覆盖图形所在区域。

解决:创建后调用 ax.add_patch(patch)，并用 set_xlim、set_ylim 把坐标范围扩到图形位置。

错误 3 · 弧 Arc 画出来是封闭图形

原因:误以为 Arc 会像 Wedge 一样填充闭合区域。

解决:Arc 只画弧线，需要填充的扇形用 Wedge(center, r, theta1, theta2)。

错误 4 · hatch 纹理不显示

原因:图形太小或线宽太细，纹理被压缩得看不清，或把 hatch 写在了 color 参数的位置。

解决:适当调大图形尺寸，hatch 作为关键字参数单独传入，必要时叠加多个字符如 '//' 加深纹理。