ScottPlot .NET 开源绘图库核心特性与电压曲线示例

3. ScottPlot API 使用方法

以下是使用 ScottPlot 5.0.55 绘制图表的基本步骤：

1. 安装 NuGet 包：

   dotnet add package ScottPlot.WinForms --version 5.0.55
   dotnet add package MathNet.Numerics --version 5.0.0
   dotnet add package System.Drawing.Common --version 8.0.0
   

2. 创建 Plot：

   var plt = new ScottPlot.Plot();
   

3. 添加数据系列：

   plt.Add.Scatter(x, y);
   

4. 配置轴和样式：

   plt.Title("电压曲线");
   plt.Axes.Left.Label.Text = "电压 (伏特)";
   plt.Axes.Bottom.Label.Text = "时间 (秒)";
   

5. 绑定到控件：

   var formsPlot = new FormsPlot { Dock = DockStyle.Fill };
   formsPlot.Plot.Add.Scatter(x, y);
   

6. 交互与导出：

   // 导出图像
   plt.Save("chart.png", 800, 600, ImageFormat.Png);
   
   // 添加鼠标交互
   formsPlot.MouseMove += (s, e) => { 
       var coords = formsPlot.Plot.GetCoordinates(new Pixel(e.Location.X, e.Location.Y)); 
       form.Text = $"时间：{coords.X:F3} 秒，电压：{coords.Y:F3} 伏特"; 
   };
   

4. ScottPlot 性能分析

• 中小数据集（<100,000 点）：
  • 性能极佳，渲染和交互无延迟，适合本例（100 点）。
• 大数据集（>100,000 点）：
  • Signal 模式使用高效算法，渲染 >10 亿点只需数毫秒。
  • 优于 OxyPlot，接近 LiveCharts2 的 Backers 包。
• 动态更新：
  • 支持实时更新，但需手动调用 formsPlot.Refresh()。
  • 性能依赖于数据量和刷新频率。
• 局限：
  • 复杂交互（如内置 Tooltip）需手动实现。
  • 复杂图表（如 3D、热图）支持有限。

5. 跨平台支持

ScottPlot 5.0.55 支持多种平台：

• Windows Forms：
  • 使用 ScottPlot.WinForms.FormsPlot。
  • 适合传统桌面应用，交互简单。
• WPF：
  • 使用 ScottPlot.Wpf.WpfPlot。
  • 支持 MVVM，但交互仍需手动实现。
• MAUI：
  • 使用 ScottPlot.Maui.MauiPlot。
  • 支持 iOS、Android、Windows、macOS。
• Avalonia：
  • 使用 ScottPlot.Avalonia.AvaloniaPlot。
  • 跨平台桌面应用。
• Blazor：
  • 支持 Web 应用，生成静态图像。
• Console：
  • 支持生成图像到文件，适合脚本和服务器端。
• 局限：
  • WinForms 和 WPF 交互不如 LiveCharts2 丰富。
  • MAUI 和 Avalonia 支持较新，文档较少。

6. 定制化能力

ScottPlot 提供灵活的定制化，但以简单性为优先：

• 样式：
  • 支持自定义背景、网格、字体。

  plt.FigureBackground.Color = Colors.White;
  plt.Grid.MajorLineColor = Colors.Gray;
  

• 多轴：
  • 支持添加额外轴。

  var secondaryAxis = plt.Axes.AddLeftAxis();
  secondaryAxis.Label.Text = "功率";
  

• 交互：
  • 内置右键菜单（放大、自动缩放、保存）。
  • 自定义鼠标事件。

  formsPlot.MouseMove += (s, e) => { /* 自定义逻辑 */ };
  

• 颜色与标记：

  scatter.Color = Colors.Blue;
  scatter.MarkerStyle.Size = 5;
  scatter.LineStyle.Width = 2;
  

• 局限：
  • 复杂交互（如 Tooltip）需手动实现。
  • 不支持动态主题切换。

7. ScottPlot 示例代码

以下是基于 ScottPlot 5.0.55 的完整示例代码，与 OxyPlot 和 LiveCharts2 示例功能一致，绘制电压曲线（原始 vs 重采样），支持负值电压，确保平滑连续。代码基于 Windows Forms，包含鼠标交互（窗体标题显示坐标）、图像导出，并结合 ResamplerMgr 类。

环境要求

• 项目：Windows Forms，.NET 8.0 或 .NET Framework 4.8。
• NuGet 包：

  dotnet add package ScottPlot.WinForms --version 5.0.55
  dotnet add package MathNet.Numerics --version 5.0.0
  dotnet add package System.Drawing.Common --version 8.0.0
  

代码

using MathNet.Numerics;
using MathNet.Numerics.Interpolation;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Windows.Forms;
using System.Drawing;
using ScottPlot;
using ScottPlot.WinForms;

namespace ResamplerLib
{
    /// <summary>
    /// 重采样管理类，用于对电压数据进行插值重采样，确保负值区域平滑连续。
    /// 使用 MathNet.Numerics 的样条插值，支持均匀采样和指定点采样。
    /// </summary>
    public static class ResamplerMgr
    {
        public static void Resample(int sampleCount, List<double> x, List<double> y, out List<double> xout, out List<double> yout)
        {
            xout = new List<double>();
            yout = new List<double>();
            if (!ValidateInput(x, y, sampleCount)) return;
            try
            {
                IInterpolation ip = Interpolate.CubicSpline(x.ToArray(), y.ToArray());
                double start = x[0];
                double stop = x[x.Count - 1];
                if (sampleCount == 1 || Math.Abs(stop - start) < 1e-10)
                {
                    xout.Add(start);
                    yout.Add(y[0]);
                    return;
                }
                double step = (stop - start) / (sampleCount - 1);
                for (double sx = start; sx <= stop + 1e-10; sx += step)
                {
                    double sy = ip.Interpolate(sx);
                    if (double.IsNaN(sy) || double.IsInfinity(sy))
                    {
                        sy = sx <= x[0] ? y[0] : y[y.Count - 1];
                        Console.WriteLine($"警告：sx={sx:F3} 处插值异常，使用边界值 {sy:F3}");
                    }
                    xout.Add(sx);
                    yout.Add(sy);
                }
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine($"重采样失败：{ex.Message}");
                xout = new List<double>(x);
                yout = new List<double>(y);
            }
        }

        public static void Resample(int sampleCount, List<double> x, List<double> y, List<double> xx, out List<double> yy)
        {
            yy = new List<double>();
            if (!ValidateInput(x, y, 1) || xx == null || xx.Count == 0)
            {
                Console.WriteLine("无效输入：xx 必须非空且有效");
                return;
            }
            try
            {
                IInterpolation ip = Interpolate.CubicSpline(x.ToArray(), y.ToArray());
                foreach (double sx in xx)
                {
                    double sy = ip.Interpolate(sx);
                    if (double.IsNaN(sy) || double.IsInfinity(sy))
                    {
                        sy = sx <= x[0] ? y[0] : y[y.Count - 1];
                        Console.WriteLine($"警告：sx={sx:F3} 处插值异常，使用边界值 {sy:F3}");
                    }
                    yy.Add(sy);
                }
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine($"重采样失败：{ex.Message}");
            }
        }

        public static void Resample2(int sampleCount, List<double> x, List<double> y, out List<double> xout, out List<double> yout)
        {
            xout = new List<double>();
            yout = new List<double>();
            Resample(2 * sampleCount, x, y, out List<double> xTemp, out List<double> yTemp);
            List<double> x2 = new List<double>(x);
            List<double> y2 = new List<double>(y);
            x2.AddRange(xTemp);
            y2.AddRange(yTemp);
            Resample(sampleCount, x2, y2, out xout, out yout);
        }

        private static bool ValidateInput(List<double> x, List<double> y, int sampleCount)
        {
            if (x == null || y == null || x.Count != y.Count || x.Count < 2 || sampleCount <= 0)
            {
                Console.WriteLine("无效输入：x 和 y 必须非空、长度相等、至少 2 个点，且 sampleCount > 0");
                return false;
            }
            if (x.Any(double.IsNaN) || y.Any(double.IsNaN) || x.Any(double.IsInfinity) || y.Any(double.IsInfinity))
            {
                Console.WriteLine("无效输入：x 和 y 不能包含 NaN 或 Infinity");
                return false;
            }
            for (int i = 1; i < x.Count; i++)
            {
                if (x[i] <= x[i - 1])
                {
                    Console.WriteLine("无效输入：x 必须严格递增");
                    return false;
                }
            }
            return true;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 主程序：模拟电压数据，执行重采样，使用 ScottPlot 5.0.55 绘制曲线。
    /// 支持鼠标交互（显示坐标），保存图像为 PNG。
    /// </summary>
    class Program
    {
        [STAThread]
        static void Main()
        {
            Application.EnableVisualStyles();
            Application.SetCompatibleTextRenderingDefault(false);

            var form = new Form { Text = "电压曲线展示 - ScottPlot 5.0.55", Width = 800, Height = 600 };
            var formsPlot = new FormsPlot { Dock = DockStyle.Fill };
            form.Controls.Add(formsPlot);

            List<double> x = new List<double>();
            List<double> y = new List<double>();
            Random rand = new Random(42);
            for (double t = -5.0; t <= 5.0; t += 0.5)
            {
                x.Add(t);
                double voltage = 5.0 * Math.Sin(t) + (rand.NextDouble() - 0.5) * 0.5;
                y.Add(voltage);
            }

            int sampleCount = 100;
            ResamplerMgr.Resample(sampleCount, x, y, out List<double> xout, out List<double> yout);

            var plt = formsPlot.Plot;
            var scatterOriginal = plt.Add.Scatter(x.ToArray(), y.ToArray(), color: Colors.Blue);
            scatterOriginal.MarkerStyle.Size = 5;
            scatterOriginal.Label = "原始数据";

            var scatterResampled = plt.Add.Scatter(xout.ToArray(), yout.ToArray(), color: Colors.Red);
            scatterResampled.MarkerStyle.Size = 0;
            scatterResampled.LineStyle.Width = 2;
            scatterResampled.Label = "重采样数据";

            plt.Title("电压曲线（原始 vs 重采样）", size: 14);
            plt.Axes.Bottom.Label.Text = "时间 (秒)";
            plt.Axes.Left.Label.Text = "电压 (伏特)";

            plt.Legend.IsVisible = true;
            plt.Legend.Alignment = Alignment.UpperRight;
            plt.Axes.AutoScale();

            formsPlot.MouseMove += (s, e) =>
            {
                var pixel = new Pixel(e.Location.X, e.Location.Y);
                var coords = formsPlot.Plot.GetCoordinates(pixel);
                form.Text = $"电压曲线展示 - 时间：{coords.X:F3} 秒，电压：{coords.Y:F3} 伏特";
            };

            try
            {
                plt.Save("voltage_curve_scottplot.png", 800, 600, ImageFormat.Png);
                Console.WriteLine("图像已保存为 voltage_curve_scottplot.png");
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine($"保存图像失败：{ex.Message}");
            }

            formsPlot.Refresh();
            Application.Run(form);
        }
    }
}

8. 示例代码说明

1. ResamplerMgr 类：
   • 功能：实现电压数据的重采样，确保负值电压区域平滑连续。
   • 关键特性：
     • 使用 MathNet.Numerics 的 CubicSpline 插值，优化负值区域平滑性。
     • 验证输入：确保 x 严格递增，无 NaN 或无穷大。
     • 处理插值异常：使用边界值。
     • 支持均匀采样（Resample）、指定点采样（Resample 重载）和两次重采样（Resample2）。
2. 模拟电压数据：
   • 生成逻辑：
     • 时间（x）：-5 到 5 秒，步长 0.5，共 21 个点。
     • 电压（y）：正弦波（5.0 * Math.Sin(t)）加噪声（±0.25V），包含负值。
     • 固定种子（Random(42)）确保可重复。
3. ScottPlot FormsPlot 控件：
   • 创建控件：使用 ScottPlot.WinForms.FormsPlot，设置 Dock = DockStyle.Fill。
   • 绘图配置：
     • Scatter：原始数据（蓝色散点），重采样数据（红色折线）。
     • Axes：X 轴时间，Y 轴电压。
     • Title：设置标题。
     • Legend：右上角显示。
     • AutoScale：自动调整轴范围。
   • 交互：MouseMove 显示坐标。
   • 保存：Save 方法保存为 PNG。

9. ScottPlot vs OxyPlot vs LiveCharts2 对比

• ScottPlot 优势：
  • API 极简，适合快速开发。
  • 大数据性能优（Signal 模式）。
  • 轻量级，依赖少。
• OxyPlot 优势：
  • 内置 Tracker，交互开箱即用。
  • 支持复杂图表（多轴、热图）。
• LiveCharts2 优势：
  • 跨平台支持强大，动画流畅。
  • MVVM 友好，适合动态数据。
• 推荐：
  • ScottPlot：适合本例（电压曲线）中简单、高效的绘制需求，特别适合大数据和快速原型。
  • OxyPlot：适合需要高级交互和复杂图表的工程应用。
  • LiveCharts2：适合跨平台、实时更新、动画丰富的场景。

10. 使用说明与优化

1. 运行示例：
   • 创建 Windows Forms 项目。
   • 复制代码到 Program.cs，运行。
   • 检查 voltage_curve_scottplot.png 输出。
2. 调整参数：
   • 采样点：修改 sampleCount（例如 200）提高分辨率。
3. 调试负值问题：
   • 检查控制台日志，确认 NaN 警告。
4. 扩展：
   • WPF：使用 ScottPlot.Wpf.WpfPlot。
   • 性能优化：禁用交互或使用 Signal 模式。
   • 动态更新：修改 Data 属性并调用 Refresh。
   • 多轴：添加 Secondary Axis。

11. 负值问题总结

• 问题：负值电压可能导致曲线不连续，通常由插值 NaN 或输入异常引起。
• 解决：
  • 使用 CubicSpline 插值，增强负值区域平滑性。
  • 边界处理：插值异常时使用边界值。
  • 输入验证：确保 x 递增、无 NaN。
  • 增加采样点（sampleCount = 100）。
  • 日志记录：便于调试。

12. 参考资料

• 官方文档：https://scottplot.net/
• GitHub：https://github.com/ScottPlot/ScottPlot
• NuGet：https://www.nuget.org/packages/ScottPlot.WinForms/5.0.55
• Cookbook：https://scottplot.net/cookbook/5.0/
• 社区：Stack Overflow（#ScottPlot）、GitHub Issues、Discord。