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Matplotlib 図形を描く方法｜円や四角形の描き方をわかりやすく解説

Matplotlib Python必須モジュール

実はMatplotlibには、円や四角形など様々な図形を描画する機能が備わっています。

そこで、今回は…

  • Matplotlibでグラフ内に図形を描くにはどうしたらいいの？
  • 図形の色や枠線の設定のしかたがわからない！

という方のために、

  • Matplotlibで円や四角形、矢印などの図形を描く方法
  • 図形の見た目を自分好みにアレンジする方法

について紹介します。

実はMatplotlibのグラフは、基本的な図形の組み合わせで描かれています。

そのため、図形のスタイル設定を覚えるとグラフのスタイル設定もうまくできるようになってきます！

 

Matplotlibで図形を描くための基本パターンの紹介

Matplotlibではpatchesというモジュールに、様々な図形のクラスが用意されています。

patches内の図形クラスを使うことで、グラフ内に手軽に図形を描くことができます。

まずは、円や四角形など基本的な図形を例にして、図形描画の基本パターンを紹介します。

図形描画には、Axesオブジェクトのメソッドを使用します。

【参考】オブジェクト指向のグラフ描画については次の記事をチェックしてください。

≫Matplotlib plt.figure()を使う理由｜FigureとAxesの関係を把握しよう
≫Matplotlib plt.figure()を使う理由｜FigureとAxesの関係を把握しよう
Matplotlibでグラフを描くとき「FigureとかAxesとかMatplotlib独特の単語が多くてよくわからない」、「Figureを作った後、結局どうやってプロットすればいいの？」という方のために、FigureとAxesの関係性を図解！FigureにAxesを追加する方法厳選3パターンを解説します！覚えておきたいFigureの設定・操作（サイズ変更、レイアウト調整など）も画像・サンプルコード付きで解説！
www.yutaka-note.com/entry/matplotlib_figure
 
≫Matplotlib plt.subplots()の使い方｜FigureとAxesを同時生成！
≫Matplotlib plt.subplots()の使い方｜FigureとAxesを同時生成！
Matplotlibでグラフを描くとき「fig, ax = plt.subplots()って、よく見るけど何してるの？」「plt.subplots()の便利な使い方を知りたい！ 」という方のために、plt.subplots()でFigureとAxesを作ると何が便利なのか、plt.subplots()の基本的な使い方、覚えておくと便利なplt.subplots()の引数をを図解付きで解説します！
www.yutaka-note.com/entry/matplotlib_subplots
 
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図形描画の基本パターン

おおまかに次の手順を踏んでいきます。

  1. matplotlib.patchesモジュールの読み込み
  2. Axesオブジェクト生成
  3. 図形オブジェクト生成
  4. Axesに図形オブジェクト追加・表示

この手順に沿って、円と四角形を描画してみます。

# 1. matplotlib.patchesモジュールの読み込み
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import patches
 
# 2.	Axesオブジェクト生成
fig, ax = plt.subplots(figsize=(4,4))
 
ax.set_xticks([-2, -1, 0, 1, 2])
ax.set_yticks([-2, -1, 0, 1, 2])
ax.grid()
 
# 3. 図形オブジェクト生成
c = patches.Circle( xy=(0,0), radius=1) # 円のオブジェクト
r = patches.Rectangle( xy=(1,1) , width=1, height=1) # 四角形のオブジェクト
 
# 4. Axesに図形オブジェクト追加・表示
ax.add_patch(c)
ax.add_patch(r)
 
plt.show()

では、各手順について詳しく解説していきます。

1. matplotlib.patchesモジュールの読み込み

Matplotlibを使用するときは、pyplotを読み込むことが多いですね。

図形を描くときは、図形クラスが用意されているpatchesも読み込みましょう。

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib import patches

2. Axesオブジェクト生成

次に図形を描画するAxesオブジェクト（座標軸）を生成します。

ここでは、描いた図形が見やすいように、グラフのサイズや目盛りも設定しています。

# figとaxの生成（グラフサイズを引数で設定）
fig, ax = plt.subplots(figsize=(4,4))
 
# 軸目盛の設定と目盛り線の表示
ax.set_xticks([-2, -1, 0, 1, 2])
ax.set_yticks([-2, -1, 0, 1, 2])
ax.grid()
  • 【参考】軸周りの設定については次の記事で紹介しています。
≫Matplotlib 軸周り完璧マスターガイド | 軸・軸目盛・目盛り線の設定
≫Matplotlib 軸周り完璧マスターガイド | 軸・軸目盛・目盛り線の設定
Matplotlibで大変なのが軸周りの設定！グラフの「この要素」を変更するには、「どのメソッド」を使えばいいのかわからない…。という方のために、Matplotlibの軸・目盛り・目盛り線の設定について総まとめしました！これで軸周りの設定がだいぶ楽になります。軸周り完ぺきマスターガイド！
www.yutaka-note.com/entry/matplotlib_axis
 

3. 図形オブジェクト生成

基本的な例として、円と四角形のオブジェクトを作成してみます。

  • 円はCircleクラス
  • 四角形やRectangleクラス

のように描きたい図形に対応するクラスを使用します。

# Circleクラスで円のオブジェクトを作成
c = patches.Circle( xy=(0,0), radius=1)
# Rectangleクラスで四角形のオブジェクトを作成
r = patches.Rectangle( xy=(1,1) , width=1, height=1)

各図形のクラスの種類や引数の詳細については後述します。

4. Axesに図形オブジェクト追加・表示

最後に作成した図形オブジェクトをaxに追加して、グラフを表示します。

ax.add_patch(c)
ax.add_patch(r)
 
plt.show()

これが基本的な図形の描画パターンです。

以下では、より詳しい内容として

  • 図形のスタイル設定方法
  • 図形に凡例を設定する方法
  • Matplotlibで描ける図形

について解説していきます。

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図形のスタイル設定方法

図形を描く際にキーワード引数を指定すると、図形のスタイルを変更することができます。

図形の色や枠線のスタイル設定など使用頻度が高いものを紹介します。

設定内容 キーワード引数名 略称 設定値の例
塗りつぶしの色 facecolor fc 色の名前など ex) gray, red, blue
塗りつぶしの透明度 alpha   0（完全透明）～１（不透明）
図形の塗りつぶしの有無 fill   True（デフォルト） or False
図形の柄 hatch   /', '\', '|', '-', '+', 'x', 'o', 'O', '.', '*'で指定
枠線の色 edgecolor ec 色の名前など ex) gray, red, blue
枠線の太さ linewidth lw 数値ptで指定
枠線のスタイル linestyle ls -, --, -., :, で指定
図形の色
（fc と ecを上書き）		 color   色の名前など ex) gray, red, blue

円を例に枠線、塗りつぶし、柄を設定する例を紹介します。

c = patches.Circle( (0,0), 1, facecolor="pink", edgecolor="red", hatch ="X")
ax.add_patch(c)
 
plt.show()

以下のサンプルコードでも様々なスタイルの設定例を紹介していますので、参考にしてみてください。

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図形に凡例を設定

グラフを描くときと同様に凡例を設定することができます。

凡例を設定するには、次の手順を踏みます。

  • 図形のラベル名の指定｜label = "label_name"
  • 凡例の表示｜plt.legend()
fig, ax = plt.subplots(figsize=(4,4))
 
x = np.linspace(-2, 2)
y = 0.5*x**2
ax.plot(x, y)
 
ax.set_xticks([-2, -1, 0, 1, 2])
ax.set_yticks([-2, -1, 0, 1, 2])
ax.grid()
 
c = patches.Circle( (0,0), 0.2, facecolor="pink", edgecolor="red", label="vertex")
ax.add_patch(c)
 
plt.legend()
plt.show()

図形の意味を説明するときに便利ですね。

【参考】凡例の詳しい設定方法については、次の記事で紹介しています。

≫Matplotlib plt.legend() | 凡例の位置とスタイル設定完璧ガイド！
≫Matplotlib plt.legend() | 凡例の位置とスタイル設定完璧ガイド！
Matplotlibでは、デフォルトでは凡例は表示されません。「凡例（legend）を表示するにはどうしたらいいの？！」「凡例の位置や見た目の設定方法がわからない！」という方向けに、「凡例を表示する関数plt.legend()の使い方」「引数で位置や見た目を簡単に設定する方法」を紹介していきます。自分の作りたい凡例を作れるようになりましょう！
www.yutaka-note.com/entry/matplotlib_legend
 
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Matplotlibで描ける図形

Matplolibで描ける図形とクラスの対応表は次の通りです。

分類 図形名 クラス
円 円 .Circle()
  楕円 .Ellipse()
  扇形 .Wedge()
  円弧 .Arc()
四角形 四角形 .Rectangle()
  装飾あり四角形 .FancyBox()
多角形 正多角形 .RegularPolygon()
  複雑な多角形 .Polygon()
矢印 矢印 .Arrow()
  装飾あり矢印 .FancyArrow()

以下で各図形について解説していきます。

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円、楕円、扇形、円弧の描き方

円関係の図形とクラスの関係は次の通りです。

各図形の描き方について見ていきましょう。

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円

円はCircleクラスで描きます。

  • .Circle(xy, radius)
変数名 設定内容 型など
xy 円の中心座標 タプルやリストなど：(x, y)形式
radius 円の半径 数値

円のスタイル設定例として、赤い円を描いてみます。

c = patches.Circle( (0,0), 1, facecolor="pink", edgecolor="red", label="circle")
ax.add_patch(c)
 
plt.legend()
plt.show()

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楕円

楕円はEllipseクラスで描きます。

  • .Ellipse(xy, width, height, angle=0)
変数名 設定内容 型など
xy 円の中心座標 タプルやリストなど：(x, y)形式
width 長軸の長さ 数値
height 短軸の長さ 数値
angle（省略可） 楕円の回転角度（°） 数値（デフォルト＝０）

楕円のスタイル設定例として、赤で柄を付けてみましょう。

e = patches.Ellipse( (0,0) , 2, 1, facecolor="pink", edgecolor="red", hatch= "X", label="ellipse")
ax.add_patch(e)
 
plt.legend()
plt.show()

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扇形

扇形はWedgeクラスで描きます。

  • .Wedge(center, r, theta1, theta2, width=None)
変数名 設定内容 型など
center 扇形の中心座標 タプルやリストなど：(x, y)形式
r 半径の半径 数値
theta1 扇の開始角度（°） 数値
theta2 扇の終了角度（°） 数値
width（省略可） 扇の幅（r-width分削られる）
省力すると普通に扇が描かれる		 数値
（デフォルト：None）

扇形の例として、通常の扇形とwidthを設定した扇を並べてみましょう。

w = patches.Wedge( (0,0) , 1, theta1=0, theta2 = 135, color="pink", label="Wedge")
w2 = patches.Wedge( (0,0) , 1, theta1=135, theta2 = 315, width=0.3, color="skyblue", label="Wedge2")
 
ax.add_patch(w)
ax.add_patch(w2)
 
plt.legend()
plt.show()

実はMatplotlibでは円グラフは扇形を複数並べることで作られています。

扇形の引数の内容がわかると、円グラフの色付けやドーナツグラフの作成方法がよくわかってきます。

≫Matplotlib 円グラフ作成方法｜Excel風グラフ、ドーナツグラフも解説
≫Matplotlib 円グラフ作成方法｜Excel風グラフ、ドーナツグラフも解説
Matplotlibで円グラフを作成する方法がよくわからない…。何を設定すれば、自分の描きたい円グラフになるのかわからない！という方のために、「Matplotlibの円グラフ作成方法」、「Excel風の見た目に設定する方法」、「グラフやラベルの設定方法」についてまとめしました！これで自由に円グラフを作成できます！
www.yutaka-note.com/entry/matplotlib_pie
 
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円弧

円弧はArcクラスで描きます。

  • .Arc(xy, width, height, angle=0.0, theta1=0.0, theta2=360.0)
変数名 設定内容 型など
xy 円弧の中心座標 タプルやリストなど：(x, y)形式
width 長軸の長さ 数値
height 短軸の長さ 数値
angle（省略可） 円弧の回転角度（°） 数値（デフォルト＝０）
theta1（省略可） 円弧の開始角度（°） 数値（デフォルト＝０）
theta2（省略可） 円弧の終了角度（°） 数値（デフォルト＝360）

円弧のスタイル設定例として、0°～270°の円弧を赤点線で描いてみます。

a = patches.Arc( (0,0), 1, 1, theta1=0, theta2=270, edgecolor="red", linestyle="--", linewidth="2", label="arc")
ax.add_patch(a)
 
plt.legend()
plt.show()

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四角形、装飾ありの四角形

四角形の図形とクラスの関係は次の通りです。

FancyBoxはboxstyleを変更すると様々なスタイルを設定できます。

各図形の描き方について見ていきましょう。

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四角形

四角形はRectangleクラスで描きます。

  • .Rectangle(xy, width, height, angle=0.0)
変数名 設定内容 型など
xy 四角形左下の頂点座標 タプルやリストなど：(x, y)形式
width 四角形の横幅 数値
height 四角形の高さ 数値
angle（省略可） 四角形の回転角度（°） 数値（デフォルト＝０）

四角形の座標は中心各ではなく、左下の角度を指定する点に注意しましょう。

例として、四角形を描いてみます。

ここではスタイルの指定例として、塗りつぶしをオフにしてみます。

r = patches.Rectangle( (0,0) , 1.5, 1, fill=False, edgecolor="blue", linewidth=3, label="rectangle")
ax.add_patch(r)
 
plt.legend()
plt.show()

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装飾ありの四角形

装飾ありの四角形はFancyBoxクラスで描きます。基本的な引数は次の通りです。

  • .FancyBox(xy, width, height, boxstyle='round')
変数名 設定内容 型など
xy 四角形左下の頂点座標 タプルやリストなど：(x, y)形式
width 四角形の横幅 数値
height 四角形の高さ 数値
boxstyle（省略可） 四角形のスタイル（装飾） 文字列等でスタイル指定
（デフォルト＝'round'）

FancyBoxのデフォルトのスタイルは各丸四角形という角が丸っこい四角形です。

a = patches.FancyBboxPatch( (0,0) , 1.5, 1, boxstyle="round", label="round (default)" , color="skyblue")
ax.add_patch(a)
 
plt.legend()
plt.show()

その他の設定できるスタイルを表示してみましょう。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(4,4))
ax.axis([0,18,0,18])
 
boxstyles=["circle", "darrow", "larrow", "rarrow", "round", "round4","roundtooth", "sawtooth", "square"]
 
# colormapの設定
cmap = plt.get_cmap("tab10")
 
for i, boxstyle in enumerate(boxstyles):
  b = patches.FancyBboxPatch( (2,i*2+1) , 1.5, 0.5, facecolor=cmap(i), boxstyle=boxstyle)
  ax.add_patch(b)
  plt.text(4.5,i*2+1,boxstyle)
 
plt.show()

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正多角形、複雑な多角形

様々な多角形を描くためのクラスとして、

  • .RegularPolygon()｜正多角形
  • .Polygon()｜複雑な多角形

を紹介していきます。

各図形の描き方について見ていきましょう。

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正多角形

正多角形はRegularPolygonクラスで描きます。

  • .RegularPolygon(xy, numVertices, radius=5, orientation=0)
変数名 設定内容 型など
xy 正多角形の中心座標 タプルやリストなど：(x, y)形式
numVertices 頂点の数 数値
radius（省略可） 中心から頂点までの長さ 数値
（デフォルト値＝5）
Orientation（省略可） 回転角度（radian） 数値（デフォルト＝０）

for文を利用して、正三角形から正六角形までを描いてみましょう。

fig, ax = plt.subplots(figsize=(4,4))
 
ax.axis([2, 7, 0, 5]) # 軸の設定
ax.grid()
 
for i in range(3, 7):
  rp = patches.RegularPolygon( (i, 2) , i, 0.5, color="green", alpha=i*0.1)
  ax.add_patch(rp)
  plt.text(i, 2.7, i, size="xx-large", ha="center")
 
plt.show()

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複雑な多角形

Polygonクラスでは、頂点の座標をリスト形式で与えて、複雑な多角形を描くことができます。

  • .Polygon(xy, closed=True)
変数名 設定内容 型など
xy 多角形の頂点の座標リスト 頂点座標をリストなどで指定：
[(x1, y1), (x2, y2),…]形式
closed 最初の頂点と最終頂点を線で繋ぐか True or False

適当な座標を与えて複雑な多角形を描いてみます。

xy = [(-2,-1), (-1, 1), (0, 0), (1, 2), (2, 0)]
 
a = patches.Polygon( xy, facecolor="skyblue", edgecolor="black")
ax.add_patch(a)
 
plt.show()

closed = Falseを指定すると最初の頂点と最後の頂点が結ばれず、開いた図形になります。

xy = [(-2,-1), (-1, 1), (0, 0), (1, 2), (2, 0)]
 
a = patches.Polygon( xy, closed =False, facecolor="skyblue", edgecolor="black")
ax.add_patch(a)
 
plt.show()

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おわりに：Matplotlib関連記事の紹介

今回は、Matplotlibで様々な図形を描く方法を紹介しました。

実はMatplotlibのグラフは、今回紹介した図形の組み合わせで描かれています。

そのため、基本的な図形のスタイル設定を覚えるとグラフのスタイル設定もうまくできるようになってきます！

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