C++使用gnuplot-cpp库绘制图像

最近想要对一些时变的变量进行可视化，搜索来搜索去选择了使用gnuplot这个工具。

sudo apt-get install gnuplot
sudo apt-get install gnuplot-x11 # 使其支持linux终端

这样就安装完gnuplot了。接着可以在命令行中键入gnuplot命令打开gnuplot的交互式环境。由于这里着目于使用c++去画图，因此命令行下的gnuplot用法并不介绍，贴出几个2教程gnuplot,
gnuplot教程。

接着为了可以在c++中使用gnuplot，综合各方考虑，选择了使用gnuplot-cpp这个库。
gnuplot-cpp

相较于大多数库都是用linux提供的文件库去使用字符串通过管道传参，gnuplot-cpp这个库有着较好的面向对象特性，较好的封装以及比较简洁的接口。而且其实现仅有一个头文件(gnuplot_i.hpp),不需要去写cmake，非常方便。

唯一的缺点就是没有啥文档。这个库也是我在csdn上看到的，那篇作者也没介绍怎么用。就根据gnuplot的命令行用法来猜测实验确定了一些接口的用法，记录下来。

基础用法

gnuplot-cpp的主要围绕着Gnuplot类进行操作。其构造函数接受一个字符串来指定图表中图像的类型。常用的图像类型有：

1. lines 即将相邻的点连接成线段
2. points 仅将每一点使用符号绘出
3. dots 每一点使用细圆点符号绘出
4. linespoints 组合lines和points的效果
5. impulses 每点的位置会额外画出一条垂直于x轴的直线
6. steps 相邻的点连接成阶梯状线段(即横竖各连接一次)
7. boxes 相邻的点连接成矩形框,可用来画柱状图

初始化一个Gnuplot对象，并设置图像类型：

#include "gnuplot_i.hpp"
Gnuplot gp(lines); // 默认points

实际上gnuplot命令行模式下绘图的形态是通过with命令来指定的

plot sin(x) with lines
plot sin(x) with points

这里的构造函数相当于给with恒定一个参数。当然gnuplot-cpp(以下称gp)提供了可实时修改的接口。

gp.set_style(points); // 设置图像类型
// 可以更灵活的选择图像类型

后续的绘图中，可以看到gnuplot中大体的设定分为plot和set两个部分。一个用于将数据绘制到图表中，另一个用于设置图表的属性。

基础接口

gp这个库的几乎所有接口都是基于

Gnuplot &Gnuplot::cmd(const std::string &cmdstr)

就像名字一样，cmd即command的,该接口接受一个命令的字符串，并将其发送给gnuplot命令行。主要就是使用cpp的输入输出流将命令通过管道传给gnuplot来执行各种操作。

因此所有封装好的接口的参数大多是字符串命令，然后经过一些标准化处理后使用cmd()接口发送给gnuplot。

其中gp库重载了operator<<来方便的将数据发送给gnuplot。

inline Gnuplot &operator<<(const std::string &cmdstr)
{
    cmd(cmdstr);
    return (*this);
}

gp << "plot sin(x)" << "with lines";
// 相当于命令行的gunplot环境下直接键入
// plot sin(x) with lines;

需要注意的是，Gnuplot类会在析构时销毁管道文件,也就意味着显示的图像也会销毁，因此需要绘图完使用一些阻塞手段阻塞其析构，如while(true)或者getchar()。

绘制给定函数plot_equation

使用plot_equation函数可以绘制给定函数的图像。其接受一个字符串作为函数表达式,以及另一个字符串作为图表的名称。

#include "gnuplot_i.hpp"
Gnuplot gp(lines);
gp.plot_equation("sin(x)", "sin");

可用的函数有

sin(x)
cos(x)
log(x) // 以e为底的对数
exp(x) // e的x次方
x**a // x的a次方
a**x // a的x次方
// 等等

绘制二维点plot_xy

使用plot_xy函数可以绘制二维点的图像。其接受一个二维数组作为数据，以及另一个字符串作为图表的名称。

 template <typename X, typename Y>
    Gnuplot &plot_xy(const X &x, const Y &y, const std::stringtitle = "");

#include "gnuplot_i.hpp"
#include <vector>
using namespace std;
Gnuplot gp(linespoints); 
vector<int> x{1, 2, 3, 4, 5};
vector<int> y{1, 4, 9, 16, 25};
gp.plot_xy(x, y, "points"); // 注意x/y必须为可迭代的对象，且维度一致。

还有plot_x以及plot_xyz接口的用法与plot_xy类似，这里不再赘述。

设置图表属性

gnuplot-cpp提供了一些接口来设置图表的属性。

gp.set_title(const std::string &title); // 设置图表标题
gp.set_xlabel(const std::string &xlabel); // 设置x轴标签
gp.set_ylabel(const std::string &ylabel); // 设置y轴标签
gp.set_xrange(const double iFrom, const double iTo) // 设置x轴范围
gp.set_yrange(const double iFrom, const double iTo) // 设置y轴范围
gp.set_grid() // 设置网格线
gp.set_title(const std::string &title) // 设置图表标题
gp.set_yautoscale() // 设置y轴自动缩放
gp.set_xautoscale() // 设置x轴自动缩放
// 还有一些其他属性设置接口可以自己结合

当设置完毕后，可以调用replot()重新plot数据，使其在新设置的属性下重新绘制。

gp.replot();

最后给出使用gnuplot-cpp绘制三维图像的例子。

#include "gnuplot_i.hpp"
int main()
{
    Gnuplot g10("points");
    g10.set_smooth();
    g10.set_style("linespoints");
    g10.plot_equation3d("sin(x+y)");
    while (true);
    return 0;
}

对于三维图可以拖动来改变视角，ctrl+滚轮可以放大缩小，shift+滚轮可以左右平移。