绘制第一幅 TikZ 图像 [LaTeX] - 永雏多氢菲の書库

本节开始我们来学习如何在 $\LaTeX$ 中通过 TikZ 包来绘图，所参考的教材是 Packt 出版的《LATEX Graphics with TikZ》。

使用 tikzpicture 环境#

在绘制我们的第一幅 TikZ 图像前，首先绘制一个带有点线的坐标系，这样可以帮助我们后续定位图像。在绘制完成后再将坐标系去掉。

1
% 通过 standalone 生成单张绘图的文档，并会根据实际内容裁剪 PDF 页面，不会出现 a4 纸边距过大的问题
2
% border=10pt 给图像加上 10pt 的边距
3
% tikz 和 border 都是 standalone 环境的参数，这样就不需要再使用 \usepackage{tikz}
4
\documentclass[tikz,border=10pt]{standalone}
5

6
\begin{document}
7
\begin{tikzpicture}
8

9
% 添加参数 thin,dotted 规定绘图需要的线条
10
% 起点在 (-3,-3)，终点在 (3,3)
11
% grid 是矩形元素，左下角为起点，右上角为终点
12
\draw[thin,dotted] (-3,-3) grid (3,3);
13

14
% \draw 用于生成一条带有坐标和图形元素的路径，该命令会持续生效，直至以分号 `;` 结束
15
% \draw[<style>] <coordinate> <picture element> <coordinate> ...;
16
% 默认的坐标间距是 1，可以添加 step=n 来调整
17
\draw[->] (-3,0) -- (3,0);
18
\draw[->] (0,-3) -- (0,3);
19
\end{tikzpicture}
20
\end{document}

使用坐标系#

在笛卡尔坐标系中绘图#

我们在坐标中间绘制元素，-- 代表直线，下述命令在 (2,-2) 和 (2,2) 间绘制一条直线：

1
\draw (2,-2) -- (2,2);

可以再加入更多的线来绘制一个正方形：

1
% circle 将 path 闭合，让最后一段线段返回起点
2
\draw[very thick, blue] (-2,-2) -- (-2,2) -- (2,2) -- (2,-2) -- cycle;

也可绘制圆：

1
% circle 前是圆心，circle 后是半径
2
\draw[very thick, blue] (-2,-2) circle (1) (-2,2)   circle (1) (2,2) circle (1) (2,-2) circle (1);

在极坐标系中绘图#

在极坐标系中，我们通过到原点的距离和与 $x$ 轴的夹角来定义一个点：

如图，我们在坐标 (60:2) 处有一个点，它与原点的距离是 $2$ ，与 $x$ 轴成 $60^\circ$ 角。TikZ 通过 : 来分辨极坐标，也就是 (angle:distance)。

定义了极坐标后，我们绘制一个正六边形就简单了：

1
\draw[very thick, blue] (0:2) -- (60:2) -- (120:2) -- (180:2) --(240:2) -- (300:2) -- cycle;

绘制三维坐标#

如果我们想要绘制立方体、正方形或空间图形，可以在绘图平面上使用投影。其中最常用的是等轴测投影 (isometric projection)。下面给出一个完整的例子：

1
\documentclass[tikz,border=10pt]{standalone}
2
\begin{document}
3
% 设置无衬线字体
4
\sffamily
5

6
% 规定向右 0.86cm，向上 0.5cm 对应 x 轴上一个单位, y, z 轴同理
7
\begin{tikzpicture}[x={(0.86cm,0.5cm)}, y={(-0.86cm,0.5cm)}, z={(0cm,1cm)}]
8

9

10
\draw[very thick, blue] (-2,-2,0) -- (-2,2,0) -- (2,2,0) -- (2,-2,0) -- cycle;
11

12
% 坐标轴
13
% 坐标轴文字是一个 node，right 参数表示放在元素右边
14
\draw[->] (0,0,0) -- (2.5,0,0) node [right] {x};
15
\draw[->] (0,0,0) -- (0,2.5,0) node [left] {y};
16
\draw[->,dashed] (0,0,0) -- (0,0,2.5) node [above] {z};
17

18
% 左面没坐标，则圆心是当前点即原点
19
\draw circle (2);
20
\end{tikzpicture}
21
\end{document}

使用相对坐标#

我们可以使用 + (4,2) 来表示坐标在 $x$ 轴前进 $4$ 个单位，在 $y$ 轴上前进 $2$ 个单位。通过下面的代码来绘制 图 7：

1
\draw[very thick, blue] (-3,-1) -- +(1,0) -- +(2,2) -- +(4,2) -- +(5,0) -- +(6,0);

可以看出，所有的坐标都是相对于最开始的那个点的。幸运的是，TikZ 提供了另一种语法，通过 ++ 将相对坐标的参考坐标改为上一个坐标:

1
\draw[very thick, blue] (-3,-1) -- ++(1,0) -- ++(1,2) -- ++(2,0) -- ++(1,-2) -- ++(1,0);

绘制几何图形#

在进阶到高级绘图前，首先对基础绘图规则做一个精简总结：

直线：-- (x,y) 从当前坐标画一条线到 (x,y)
矩形：rectangle (x,y) 绘制一个矩形，当前坐标为一个角，对角是 (x,y)
网格：与 rectangle 类似，只是内部填充了线条
圆：circle (r) 也可写作 circle[radius=r]
椭圆：ellipse [x radius = rx, y radius = ry] 绘制一个水平半径为 rx，垂直半径为 ry 的椭圆，简写为 ellipse (rx and ry)
弧：arc[start angle=a, end angle=b, radius=r] 以当前点为圆心、半径为 $r$ ，从角度 $a$ 画至角度 $b$ 。其简写形式为 arc(a:b:r)；
arc[start angle=a, end angle=b, x radius=rx, y radius=ry] 用于绘制一段椭圆弧：以当前点为中心，横轴半径为 rx、纵轴半径为 ry，从角度 a 画至角度 b。对应的简写语法为 arc(a:b:rx and ry)

下面来画一个笑脸图像：

1
\draw (0,0) circle [radius=2];
2
\draw (-0.5,0.5,0) ellipse [x radius=0.2, y radius=0.4];
3
\draw (0.5,0.5) ellipse [x radius=0.2, y radius=0.4];
4
\draw (-1,-1) arc [start angle=185, end angle=355, x radius=1, y radius=0.5];
5
\draw (-3,-3) rectangle (3,3);

填充颜色#

我们可以通过 fill= 来填充颜色：

1
\draw[fill=yellow] (0,0) circle [radius=2];
2
\draw[fill=black] (-0.5,0.5,0) ellipse [x radius=0.2, y radius=0.4];
3
\draw[fill=black] (0.5,0.5) ellipse [x radius=0.2, y radius=0.4];
4
\draw[very thick] (-1,-1) arc [start angle=185, end angle=355, x radius=1, y radius=0.5];
5
\draw (-3,-3) rectangle (3,3);

TikZ 还有一种填充方式称为渐变着色。它不再使用单一纯色填充，而是让区域内的颜色平滑过渡。我们绘制笑脸图形时，选用预设的球形渐变样式来营造立体效果：

1
\draw[shading=ball, ball color=yellow] (0,0) circle [radius=2];
2
\draw[shading=ball, ball color=black] (-0.5,0.5,0) ellipse [x radius=0.2, y radius=0.4];
3
\draw[shading=ball, ball color=black] (0.5,0.5) ellipse [x radius=0.2, y radius=0.4];
4
\draw[very thick] (-1,-1) arc [start angle=185, end angle=355, x radius=1, y radius=0.5];
5
\draw (-3,-3) rectangle (3,3);