如何在AI Studio數據可視化圖像中顯示漢字

作者：燕清，老齊

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AI Studio是一個非常好用的數據科學在線實驗平臺，不論是教學、學習還是開發，都可以使用。但是，下面的缺憾未免成為了珍珠上的一點瑕疵。

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt

labels = ['娛樂','育兒','飲食','房貸','交通','其它']
sizes = [2,5,12,70,2,9]
explode = (0,0,0,0.1,0,0)
plt.pie(sizes, explode=explode, labels=labels, autopct='%1.1f%%', shadow=False, startangle=150)
plt.title("餅圖示例-8月份家庭支出")
輸出結果：
在繪製這個餅圖的時候，我們在標題以及餅圖不同區域的標籤設置了中文，但是現實效果不能令人滿意，沒有顯示相應的漢字。很多人遇到過這種問題，一種常見解決之道就是「繞著走」，將中文換成英文，乃至於在某些官方的案例中也是如此。
專業的開發者天生就是「以解決難題為榮」的，這個難題必須要破解。
如果在網上搜索Matplotlib顯示漢字的問題，會有好多種方法，但是那些方法都是針對本地作業系統的，而非針對Ai Studio這樣的遠程系統——雖然也是Ubuntu作業系統，但是由於每個人使用的是一個虛擬環境，在權限、路徑等方面與本地作業系統還是有所差別的。
查看已有字體
在開始解決問題之前，先對當前我們使用的虛擬作業系統以及它已有字體有所了解。
!cat /etc/*-release
輸出：
    DISTRIB_ID=Ubuntu
    DISTRIB_RELEASE=16.04
    DISTRIB_CODENAME=xenial
    DISTRIB_DESCRIPTION="Ubuntu 16.04.3 LTS"
    NAME="Ubuntu"
    VERSION="16.04.3 LTS (Xenial Xerus)"
    ID=ubuntu
    ID_LIKE=debian
    PRETTY_NAME="Ubuntu 16.04.3 LTS"
    VERSION_ID="16.04"
    HOME_URL="http://www.ubuntu.com/"
    SUPPORT_URL="http://help.ubuntu.com/"
    BUG_REPORT_URL="http://bugs.launchpad.net/ubuntu/"
    VERSION_CODENAME=xenial
    UBUNTU_CODENAME=xenial
從上述結果，我們了解到，現在所使用的Ai Studio是Ubuntu作業系統。因此，各種Linux命令就可以放心使用了。
首先看一看系統自帶的字體。
# Linux系統默認字體文件路徑
!ls /usr/share/fonts/
輸出：
cmap  truetype	type1  X11
顯然作業系統默認有一些字體，但這些字體中有多少是支持顯示漢字的呢？還要繼續查看:
# 查看系統可用的ttf格式中文字體
!fc-list :lang=zh | grep ".ttf"
沒有任何查詢結果，說明系統默認字體中沒有支持漢字的ttf格式字體。
熟悉Matplotlib的朋友可能會想到，也應該看看Matplotlib庫的字體目錄，或者將支持漢字的字體放到該目錄中。
Ai Studio雖然是Ubuntu作業系統，但又不完全等同於本地的Ubuntu系統，Python第三方庫的安裝位置與本地計算機中的位置不同。
import matplotlib
matplotlib.__path__
輸出：
['/opt/conda/envs/python35-paddle120-env/lib/python3.7/site-packages/matplotlib']
以上的輸出結果：/opt/conda/envs/python35-paddle120-env/lib/python3.7/site-packages/matplotlib，就是matplotlib的存儲路徑，或者說，所有第三方包都會被安裝到/opt/conda/envs/python35-paddle120-env/lib/python3.7/site-packages/裡面。
那麼，Matplotlib保存字體的路徑就應該是/opt/conda/envs/python35-paddle120-env/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf，可以查看其中的字體：
# matplotlib字體路徑(aistudio)
!ls /opt/conda/envs/python35-paddle120-env/lib/python3.7/site-packages/matplotlib/mpl-data/fonts/ttf
輸出：
    cmb10.ttf			DejaVuSerif.ttf
    cmex10.ttf			LICENSE_STIX
    cmmi10.ttf			STIXGeneralBolIta.ttf
    cmr10.ttf			STIXGeneralBol.ttf
    cmss10.ttf			STIXGeneralItalic.ttf
    cmsy10.ttf			STIXGeneral.ttf
    cmtt10.ttf			STIXNonUniBolIta.ttf
    DejaVuSans-BoldOblique.ttf	STIXNonUniBol.ttf
    DejaVuSans-Bold.ttf		STIXNonUniIta.ttf
    DejaVuSansDisplay.ttf		STIXNonUni.ttf
    DejaVuSansMono-BoldOblique.ttf	STIXSizFiveSymReg.ttf
    DejaVuSansMono-Bold.ttf		STIXSizFourSymBol.ttf
    DejaVuSansMono-Oblique.ttf	STIXSizFourSymReg.ttf
    DejaVuSansMono.ttf		STIXSizOneSymBol.ttf
    DejaVuSans-Oblique.ttf		STIXSizOneSymReg.ttf
    DejaVuSans.ttf			STIXSizThreeSymBol.ttf
    DejaVuSerif-BoldItalic.ttf	STIXSizThreeSymReg.ttf
    DejaVuSerif-Bold.ttf		STIXSizTwoSymBol.ttf
    DejaVuSerifDisplay.ttf		STIXSizTwoSymReg.ttf
    DejaVuSerif-Italic.ttf
查看上面的顯示結果，會發現，的確沒有支持漢字顯示的字體，所以，前面可視化結果中不能顯示漢字是很正常的。
按照在本地計算機上設置漢字顯示的思維方法，將支持漢字顯示的字體放到上述目錄中，並修改相應的配置文件matplotlibrc，是否可以？如果讀者有興趣，可以嘗試。這裡只說明結果：無法解決本文的問題。
下載字體
既然系統默認沒有支持漢字的字體，就不得不下載了。注意，不是下載到你所使用的本地計算機，而是下載到當前Ai Studio給我們提供的虛擬作業系統上。
# 下載中文字體
!wget https://mydueros.cdn.bcebos.com/font/simhei.ttf
輸出：
    --2020-04-10 15:44:35--  https://mydueros.cdn.bcebos.com/font/simhei.ttf
    Resolving mydueros.cdn.bcebos.com (mydueros.cdn.bcebos.com)... 182.61.128.198
    Connecting to mydueros.cdn.bcebos.com (mydueros.cdn.bcebos.com)|182.61.128.198|:443... connected.
    HTTP request sent, awaiting response... 200 OK
    Length: 9753388 (9.3M) [application/octet-stream]
    Saving to: 『simhei.ttf.1』
    
    simhei.ttf.1        100%[===================>]   9.30M  54.7MB/s    in 0.2s
    
    2020-04-10 15:44:35 (54.7 MB/s) - 『simhei.ttf.1』 saved [9753388/9753388]
字體下載之後，會保存到當前項目的永久文件夾中。點擊界面左側的「文件夾」，可以看到剛剛下載的字體文件simhei.ttf，再用下面的方式得到這個字體的名稱。
# 查看字體的引用名
import matplotlib.font_manager as font_manager
fontpath = 'simhei.ttf'
prop = font_manager.FontProperties(fname=fontpath)
print(prop.get_name())
輸出：
    SimHei
從上述返回結果可知，下載的字體文件simhei.ttf，在Matplotlib中，所引用的字體名稱是SimHei。
第一種方法
這是一種非常靈活的方法，可以根據需要對所繪製圖像設置不同的字體。
%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.font_manager import FontProperties

font = FontProperties(fname='simhei.ttf', size=16)    # 創建字體對象

labels = ['娛樂','育兒','飲食','房貸','交通','其它']
sizes = [2,5,12,70,2,9]
explode = (0,0,0,0.1,0,0)

plt.pie(sizes, explode=explode, labels=labels, autopct='%1.1f%%', shadow=False, startangle=150, textprops={'fontproperties':font})

plt.title("餅圖示例-8月份家庭支出", fontproperties=font)
輸出：
觀察上述圖示，標題和餅圖的各個分區的標示都顯示中文了。
在plt.pie和plt.title中，都是用了參數'fontproperties'，這個參數是matplotlib的文本參數之一（查看：Text properties and layout：https://matplotlib.org/3.1.1/tutorials/text/text_props.html），其值是FontProperties類的實例，即前面所創建的字體對象。
如此解決了當前圖示中漢字顯示問題。
第二種方法
第一種方法定製性比較強，在一個項目中，可以給不同圖示配置不同的字體。如果不需要如此，也可以用這裡介紹的第二種方法，一個項目中所有可視化的圖示都用同一種漢字字體。
在創建共本項目應用的字體目錄fonts，並把所下載的字體放到該目錄中。
#創建字體目錄fonts
!mkdir .fonts

# 複製字體文件到該路徑
!cp simhei.ttf .fonts/
上面的操作完成之後，一定要執行下面的操作：
重啟環境，即用滑鼠點擊本項目瀏覽器中的下圖所示圖標：
這步完成之後，執行下面的代碼，就實現了漢字的顯示。
%matplotlib inline
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.font_manager as font_manager

# 設置顯示中文
matplotlib.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默認字體
matplotlib.rcParams['axes.unicode_minus'] = False   # 解決保存圖像是負號'-'顯示為方塊的問題

labels = ['娛樂','育兒','飲食','房貸','交通','其它']
sizes = [2,5,12,70,2,9]
explode = (0,0,0,0.1,0,0)
plt.pie(sizes,explode=explode,labels=labels,autopct='%1.1f%%',shadow=False,startangle=150)
plt.title("餅圖示例-8月份家庭支出")
輸出：
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