開發(fā)高級(jí)MATLAB可視化效果通常需要管理多個(gè)低層的圖形對(duì)象，包含動(dòng)態(tài)更新圖形的應(yīng)用程序更是如此。這種應(yīng)用程序可能需要非常耗時(shí)的編程。Chart 對(duì)象可提供高級(jí)應(yīng)用程序編程接口(API)，實(shí)現(xiàn)可視化的自定義創(chuàng)建。圖表可為最終用戶提供方便的可視化 API，無需用戶執(zhí)行低層圖形編程。

本文以包含最佳擬合線的散點(diǎn)圖為主要示例，通過分步指導(dǎo)展示如何使用 MATLAB 面向?qū)ο蟮木幊虅?chuàng)建和實(shí)現(xiàn)自定義圖表，包括：

編寫標(biāo)準(zhǔn)圖表模板

編寫構(gòu)造方法

使用 private 屬性封裝圖表數(shù)據(jù)和圖形

使用 Dependent 屬性創(chuàng)建高級(jí)可視化 API

管理圖表生命周期

使用繼承簡(jiǎn)化附加圖表的開發(fā)

圖表示例

MATLAB 提供幾種圖表，包括 heatmap 圖和 geobubble 圖，前者顯示疊放在彩色網(wǎng)格上的矩陣值，后者可快速在地圖上繪制離散數(shù)據(jù)點(diǎn)（圖1）。

圖1 heatmap圖和 geobubble 圖

此外，我們還創(chuàng)建幾種特定于應(yīng)用程序的圖表（圖2）。您可以從File Exchange 中隨本文使用的 MATLAB 代碼一起，下載這些圖表。

圖2 可在 File Exchange 中下載自定義圖表：

https://ww2.mathworks.cn/matlabcentral/fileexchange/65857-creating-specialized-charts-with-matlab-object-oriented-programming

創(chuàng)建二維散點(diǎn)圖：函數(shù)或圖表？

假設(shè)我們要?jiǎng)?chuàng)建包含對(duì)應(yīng)最佳擬合線的二維散點(diǎn)圖（圖 3）。我們可以使用 scatter 函數(shù)顯示離散 (x,y) 數(shù)據(jù)點(diǎn)，并使用 Statisticsand Machine Learning Toolbox 中的 fitlm 函數(shù)計(jì)算最佳擬合線。

圖3 最佳擬合線和底層的分散數(shù)據(jù)

以上代碼可滿足靜態(tài)可視化的需求。但是，如果應(yīng)用程序要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改，我們會(huì)遇到幾個(gè)難題：

如果使用長(zhǎng)度與當(dāng)前 XData 相同的新數(shù)組替換 XData 或 Ydata，最佳擬合線不會(huì)動(dòng)態(tài)更新（圖 4）。

圖4 最佳擬合線在更改散點(diǎn)圖的 XData 后未更新

如果 Scatter 對(duì)象 s 的任一數(shù)據(jù)屬性（XData 或 YData）設(shè)置為長(zhǎng)度比當(dāng)前數(shù)組長(zhǎng)或短的數(shù)組，該對(duì)象會(huì)發(fā)出警告且不會(huì)執(zhí)行圖形更新。

我們可以通過設(shè)計(jì)一個(gè)圖表 ScatterFit 來解決這些難題。

構(gòu)建圖表代碼：函數(shù)或類？

函數(shù)將代碼封裝為可重用單元，用戶無需重復(fù)代碼即可創(chuàng)建多個(gè)圖表。

請(qǐng)注意，此函數(shù)需要輸入兩個(gè)數(shù)據(jù)（x 和 y）。您可以指定圖形父項(xiàng) f（例如，圖形）作為第一個(gè)輸入?yún)?shù)。

scatterfit(x,y) 指定輸入的兩個(gè)數(shù)據(jù)

scatterfit(f,x,y) 指定圖形父項(xiàng)和數(shù)據(jù)

在第一種情況下，該函數(shù)展示自動(dòng)生成的行為，即將自動(dòng)創(chuàng)建圖表的圖形。

使用函數(shù)創(chuàng)建圖表具有某些缺點(diǎn)：

圖表創(chuàng)建后數(shù)據(jù)無法修改

要更改圖表數(shù)據(jù)，指定不同的數(shù)據(jù)輸入后，需要再次調(diào)用函數(shù)重新創(chuàng)建圖表

最終用戶很難查找可配置的圖表參數(shù)（如注釋和分散/線屬性）

用類來實(shí)現(xiàn)圖表具有代碼封裝及方法可重用性等好處，同時(shí)支持對(duì)圖表進(jìn)行修改。

定義圖表類

為了與 MATLAB 圖形對(duì)象保持一致，我們將圖表實(shí)現(xiàn)為 handle 類，以便在適當(dāng)位置修改圖表。我們支持在圖表屬性中使用點(diǎn)記法和 get/set 語法。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們從預(yù)定義 matlab.mixin.SetGet 類（本身是 handle 類）中派生出 ScatterFit 圖表。

因此，任何屬性都將自動(dòng)支持表 1 中顯示的語法。

表1圖表屬性的訪問和修改語法

編寫圖表類的構(gòu)造方法

構(gòu)造方法是類定義中的一個(gè)函數(shù)，用于構(gòu)造圖表對(duì)象。首先，將代碼從 scatterfit 函數(shù)復(fù)制到我們的圖表構(gòu)造方法之中。隨后，進(jìn)行以下修改支持所需圖表行為：

輸入?yún)?shù)。我們使用 varargin 支持在所有圖表輸入?yún)?shù)中使用名稱值對(duì)。這意味著不需要指定輸入?yún)?shù)，所有輸入值均可選。

父圖形。不同于函數(shù)，如果已指定圖形構(gòu)造中沒有輸入 Parent，則無法為圖表自動(dòng)創(chuàng)建該輸入。我們使用空 Parent 創(chuàng)建 axes 對(duì)象。

請(qǐng)注意，此行為與 plot 和 scatter 等便捷函數(shù)的行為不同，后兩者可以自動(dòng)生成輸入。如果用戶將 Parent 指定為輸入?yún)?shù)，則隨后將在構(gòu)造方法中對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。

圖表圖形。我們可創(chuàng)建和存儲(chǔ)圖形所需的任何圖形對(duì)象。大多數(shù)圖表需要 axes 對(duì)象以及線或貼片對(duì)象等 axes 內(nèi)容。在 ScatterFit 圖表中，我們需要 Scatter 對(duì)象和 Line 對(duì)象。

圖形配置。我們可通過設(shè)置任何所需屬性配置圖表圖形。例如，我創(chuàng)建標(biāo)簽或標(biāo)題等注釋、設(shè)置 axes 的特定視圖、添加網(wǎng)格，或者調(diào)整顏色、樣式或線寬。

用戶指定的輸入。我們可設(shè)置最終用戶提供的任何名稱值對(duì)參數(shù)。由于圖表派生自 matlab.mixin.SetGet，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)非常容易：

如果用戶已作為名稱值對(duì)輸入?yún)?shù)提供數(shù)據(jù)屬性，在此處設(shè)置這些數(shù)據(jù)（XData 和 YData）。我們還注意到，此編碼方法可確保用戶在指定名稱值對(duì)時(shí)出現(xiàn)的任何錯(cuò)誤都將被圖表的屬性 set 方法發(fā)現(xiàn)和解決（稍后討論）。

如可行，我們將使用基元對(duì)象創(chuàng)建圖表圖形，因?yàn)楦呒?jí)便捷函數(shù)在調(diào)用時(shí)將重置多個(gè)現(xiàn)有 axes 屬性（圖2）。但是，這條原則存在例外情況：在 ScatterFit 內(nèi)部，我們將使用 scatter 函數(shù)創(chuàng)建 Scatter 圖形對(duì)象，因?yàn)樗С謱?duì)個(gè)別標(biāo)記的尺寸和顏色進(jìn)行后續(xù)更改。

表2 基元和高級(jí)圖形函數(shù)的示例

封裝圖表數(shù)據(jù)和圖形

在大多數(shù)圖表中，底層圖形包含至少一個(gè) axes 對(duì)象及其內(nèi)容（例如線或面對(duì)象）或多個(gè)對(duì)等的 axes 對(duì)象（例如，圖例或彩條）。這些圖表還包含內(nèi)部數(shù)據(jù)屬性，以確保公共屬性之間保持一致。我們存儲(chǔ)底層圖形和內(nèi)部數(shù)據(jù)為專有圖表屬性。例如，ScatterFit 圖表會(huì)維護(hù)以下專有屬性：

我們使用命名約定 XData_ 指示該版本是圖表數(shù)據(jù)的專有內(nèi)部版本。用戶可見的對(duì)應(yīng)公共數(shù)據(jù)屬性將命名為 XData。

使用 private 屬性主要有三個(gè)目的：

限制底層圖形的可見性，隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，減少 API 中的視覺混亂

限制對(duì)底層圖形的訪問，減少繞過 API 的幾率

輕松同步圖表數(shù)據(jù)（例如，我們需要對(duì) ScatterFit 的 XData 和 YData 屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)）

提供可視化API

設(shè)計(jì)圖表的一個(gè)主要原因是提供方便、直觀的 API。我們使用與現(xiàn)有圖形對(duì)象屬性一致的名稱為 ScatterFit 圖表提供容易識(shí)別的屬性（圖 5）。

圖5 ScatterFit 圖表API

用戶可使用表 1 中所示的語法訪問或修改這些屬性。關(guān)聯(lián)的圖表圖形會(huì)動(dòng)態(tài)更新，以響應(yīng)屬性的修改。例如，更改圖表的 LineWidth 屬性會(huì)更新最佳擬合線的 LineWidth。

我們使用 Dependent 類屬性實(shí)現(xiàn)圖表 API。Dependent 屬性的值未進(jìn)行顯式存儲(chǔ)，而是獲取自類中的其他屬性。在圖表中，Dependent 屬性依賴于低級(jí)別圖形等專有屬性或內(nèi)部數(shù)據(jù)屬性。

要定義 Dependent 屬性，我們首先使用屬性 Dependent 在 properties 塊中聲明其名稱。這表明該屬性的值依賴于類中的其他屬性。

通過編寫對(duì)應(yīng)的 get 方法，我們還可以指定依賴于其他屬性的屬性。此方法會(huì)返回單個(gè)輸出參數(shù)，即 Dependent 屬性的值。在 ScatterFit 圖表中，XData 屬性（圖表公共接口的一部分）就是底層 XData_ 屬性，它作為圖表的 private 屬性存儲(chǔ)在內(nèi)部。

我們?yōu)槊總€(gè)可配置的圖表屬性編寫 set 方法。此方法將用戶指定的值分配到正確的內(nèi)部圖表屬性，以在必要時(shí)觸發(fā)圖形更新。

對(duì)于 ScatterFit 圖表，我們支持對(duì)數(shù)據(jù)屬性（XData 和 YData）進(jìn)行動(dòng)態(tài)修改（包括長(zhǎng)度更改）。當(dāng)用戶設(shè)置圖表的（公共）XData 時(shí)，我們將根據(jù)比較新數(shù)據(jù)矢量與現(xiàn)有數(shù)據(jù)的長(zhǎng)短，填充或截?cái)嘞鄬?duì)的（專有）數(shù)據(jù)屬性 YData_。請(qǐng)記住，如果用戶在創(chuàng)建圖表時(shí)已指定 XData，此 set 方法將被構(gòu)造方法調(diào)用。

我們通過調(diào)用不同的 update 方法刷新圖表圖形。此方法包含在 Scatter 對(duì)象中設(shè)置新數(shù)據(jù)、重新計(jì)算最佳擬合線，以及在對(duì)應(yīng)的 Line 對(duì)象中設(shè)置新數(shù)據(jù)所需的代碼。

我們以相同方式為 YData 實(shí)現(xiàn) set 方法，以切換 X/YData 屬性的角色。還會(huì)從 set 方法中為YData調(diào)用 update 方法。

要?jiǎng)?chuàng)建適用于最終用戶的豐富 API，我們會(huì)實(shí)現(xiàn)一組廣泛的 Dependent 屬性。建議在每個(gè)圖表中至少包含表 3 中所示的屬性。

表3. 建議的 Dependent 屬性

請(qǐng)注意，在大多數(shù)情況下，這些屬性將直接映射到底層圖表 axes。例如，Parent 屬性的 get 和 set 方法將圖表對(duì)象的 Parent 映射到 axes 的 Parent。

我們通過定義額外公共接口屬性啟用對(duì)可視化設(shè)置的控制，其中每個(gè)屬性映射到圖表維護(hù)的特定低級(jí)別圖形對(duì)象。在此類別中，ScatterFit 圖表支持各種線相關(guān)屬性，如最佳擬合線相關(guān) LineStyle、LineWidth 和 LineColor。例如，圖表對(duì)象的 LineColor 屬性會(huì)映射到線對(duì)象的 Color 屬性。

此類別中的典型圖表屬性包括：

視圖相關(guān)屬性——例如，axes 的 View、XLim 和 Ylim

注釋——例如，axes 的 Xlabel、Ylabel 和 Title

裝飾性屬性——例如，顏色、線寬，樣式、網(wǎng)格、透明效果和明暗度

管理圖表的生命周期

ScatterFit 圖表與其底層 axes 對(duì)象密切關(guān)聯(lián)，該對(duì)象作為圖表的 private 屬性之一存儲(chǔ)。要正確管理圖表的生命周期，我們需要確保兩種行為：

刪除 axes（例如，通過關(guān)閉主圖形窗口）即刪除圖表。如果不能保證這一點(diǎn)，一旦修改圖表的數(shù)據(jù)屬性，將導(dǎo)致 MATLAB 嘗試更新刪除的圖形對(duì)象，從而引發(fā)錯(cuò)誤

刪除圖表（例如，在其超出范圍時(shí)或當(dāng)其句柄顯式刪除時(shí)）即刪除 axes。如果做不到這一點(diǎn)，則在刪除圖表后，仍會(huì)殘留其靜態(tài)圖形

MATLAB 中的每個(gè)圖形對(duì)象都具有 DeleteFcn 屬性——一種在圖形對(duì)象超出范圍后被自動(dòng)調(diào)用的回調(diào)函數(shù)。因此，在圖表構(gòu)造方法中設(shè)置 axes 的 DeleteFcn 滿足第一個(gè)要求。

此處，onAxesDeleted 是 private 類方法，僅充當(dāng)圖表析構(gòu)方法周圍的包裝程序。如前所述，每個(gè) handle 類在創(chuàng)建時(shí)都包含可自定義析構(gòu)方法。當(dāng)對(duì)象超過范圍后，析構(gòu)方法將被調(diào)用。

通過編寫自定義圖表類的析構(gòu)方法，我們可滿足第二個(gè)要求。在圖表析構(gòu)時(shí)，我們將刪除圖表的axes。

實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)要求后，圖表對(duì)象與其底層 axes 將具有相同的生命周期（圖 6）。

圖6管理圖表和 axes 生命周期

簡(jiǎn)化附加表格的開發(fā)

在編寫幾個(gè)圖表后，我們能夠輕松識(shí)別相似性和重復(fù)的代碼段。通過在超類中集中放置通用代碼，我們可以加速編寫額外圖表的進(jìn)程。每個(gè)新圖表可派生自此超類，這可使我們專注于實(shí)現(xiàn)該特定圖表的細(xì)節(jié)，減少重復(fù)編碼的需求。

我們的超類（即 Chart）具有以下結(jié)構(gòu)：

Chart 派生自 matlab.mixin.SetGet。

Chart 將實(shí)現(xiàn)六個(gè)核心 Dependent 屬性 Parent、Position、Units、OuterPosition、ActivePositionProperty 和 Visible。

Chart 具有 protected 屬性 Axes（底層對(duì)等圖形）。

Chart 構(gòu)造方法將創(chuàng)建對(duì)等的 axes 對(duì)象并將 axes 的 DeleteFcn 設(shè)置為 protected 方法 onAxesDeleted。此方法進(jìn)而將刪除圖表對(duì)象。