20210425 -
论文中进行作图，需要对图片中的各种元素进行控制，最近在论文写作过程中为了能够得到匹配文章的高质量图片，也是花了很多心血。除了对图片中的风格进行控制，另一方面比较重要的就是控制其中各种元素的大小等信息。本篇文章将从这个角度出发，来记录一下最近看到的一些比较好的文章以及自己的一些体会。
在平时进行绘图的过程中，可能也就是控制控制图片大小，figsize=(10,8)，然后可能再控制控制一些元素的大小，例如线宽，标题字体大小等。虽然能够达到一定的效果，但是这里存在一个比较严重的问题。在使用latex插入论文图片的时候，经常会进行图片的缩放。虽然对于图片的所呈现的具体内容可能没有太大影响，而且使用的图片类型多是pdf格式，也不会出现比例失调的情况。但是这种方式会导致图中的字体元素也同时被缩放。一旦被缩放，就会导致图片中的字体大小与论文中的大小关系不协调。例如latex插入的图片标题和图片中坐标中的字体的大小差距就很大。
那么在解决这个问题之前，先回顾一下matploblib中一些大小的概念，主要包括图片大小，DPI，PPI等，该部分内容主要参考问答[1]。
创建图像时，会指定figsize，例如figsize = (10,8)，注意这里的单位是英寸。平时作图保存为pdf格式之后，利用pdf阅读器打开，可能默认缩放到屏幕大小，也就看不出来图片大小是不是变化，改为100%缩放之后，就能看到图片的大小。
而DPI，全称为Dots per inches，每英寸的像素点，在matplotlib中默认的DPI是100。这样往后顺推之后，为了得到某个像素大小的图片，就可以有多种组合方式，可以通过扩大图片大小来实现，也可以增大DPI来实现。
正常情况下，指定的字体或者字高（框住字体的框子的高度）来扩大大小；对于图片中的元素，matplotlib默认使用72 ppi（Points per inch）。那么如果线宽是1个点的话，在dpi为72的时候，这正好就是一个像素。这样就是一个对应的关系，而如果扩大了dpi，例如变成了144dpi，那么线宽就是两个像素。
上面这个图片就展示这个过程，分别是72和144dpi，因为这个线是斜线，所以扩大了之后显得不是严格的1个和2个像素，但是能够体现出来这个关系。
那么从这个角度来说，如果增大了图片的大小，如果没有改变这个线宽或者元素的大小，两个图片中的元素大小都是一样的。而只有改变dpi之后才会有所变化。
（虽然是这么说，但是对于如果使用pdf这种格式来说，如果进行了缩放，是看不出来上面的效果的）
前面的内容介绍了跟大小有关的内容，有关这部分内容，之前在进行绘图的时候，越是深入的对这部分进行调整，就越觉得不对劲，还是一开始的时候没有把这部分内容了解清楚。那么这样之后，如果要达到前面要求的目的，就是图片中的字体大小和论文字体大小一样的话，如果图片大小很大，就容易导致文字缩放后达不到要求，这个比例也不是很好控制。比较好的办法就是，将图片字体和论文中字体调整为一致大小，同时保证这个图片的大小也基本上是占据这块空间的大小。。查看了几篇文章之后，方法都差不多。其中涉及这部分操作的有文章[2][3]，两个文章的方法不完全一致，但都是在测量了论文的尺寸之后来进行操作。下面分别来进行介绍。
文章[2]的方法是，插入一个自适应的图片，设置图片宽度为列宽度（双列论文）(平时插入图片的时候都是使用了\textwidth）。
\begin{figure}
\includegraphics[width=\columnwidth]{placeholder}
\caption{This is a placeholder to measure the width of a plot. Its with is set to \texttt{columnwidth}.}
\end{figure}
然后利用inkscape软件来查看这个图片所占用的大小（单位英寸）同时字体大小设置为8pt。
这里有些不同的是，他在保存图片的时候，没有使用tight layout的相关参数，文章作者推荐使用这种方法来控制，因为可能导致图片大小并不是最终想要的；而是在最后的时候调整了图片大小。在设置图片高度的时候使用了黄金比例。
import numpy as np
import matplotlib as mpl
mpl.use('pdf')
import matplotlib.pyplot as plt
plt.rc('font', family='serif', serif='Times')
plt.rc('text', usetex=True)
plt.rc('xtick', labelsize=8)
plt.rc('ytick', labelsize=8)
plt.rc('axes', labelsize=8)
# width as measured in inkscape
width = 3.487
height = width / 1.618
fig, ax = plt.subplots()
fig.subplots_adjust(left=.15, bottom=.16, right=.99, top=.97)
x = np.arange(0.0, 3*np.pi , 0.1)
plt.plot(x, np.sin(x))
ax.set_ylabel('Some Metric (in unit)')
ax.set_xlabel('Something (in unit)')
ax.set_xlim(0, 3*np.pi)
fig.set_size_inches(width, height)
fig.savefig('plot.pdf')
大致代码如下，其中利用subplots_adjust来调整主要图片的位置，这个部分是一定要谨慎调整到，防止某些部分被放置在图片外面。
在文章[3]中，使用了另外的方法，在编译pdf文件的时候，先查看论文宽度是多少。
% your document class here
\documentclass{report}
\begin{document}
% gives the width of the current document in pts
\showthe\textwidth
\end{document}
然后通过公式来计算图片应该有的大小。但是他这里感觉更适用于单栏的环境。同时他采用了fig.savefig('example_1.pdf', format='pdf', bbox_inches='tight')的方法，与文章[2]有所不同。
个人觉得，文章[2]的方法可能更直接，因为这样得到的尺寸是完全贴合论文大小的；文章[3]是通过计算的方式，最后保存的时候使用了bbox_inches的参数，平时使用这个参数都是为了调整旁边的空白位置，暂时没有深究这个参数是否会影响整个图片的大小，从而导致自己的缩放。
在使用的时候，个人感觉可以结合两者的方法，而且应该明白自己插入的时候到底图片应该是什么样的尺寸，这个是关键的。
最后两者在插入图片的时候，都是没有压缩的，也就是没有任何参数。
\begin{figure}
\centering
\includegraphics{figure_name.pdf}
\end{figure}
学习过程中，还遇到过一些其他的内容，这些内容是介绍如何画出比较好看的图，基本上都是如何控制各个元素，全部应该考虑的内容。
[1]Relationship between dpi and figure size
[2]Publication-Quality Plots with Matplotlib
[3]Plot publication-quality figures with matplotlib and LaTeX