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光谱图/热力图 - QwtPlotSpectrogram

QwtPlotSpectrogram 用于绘制光谱图（Spectrogram）或热力图，将三维数据显示在二维平面上，其中第三维（强度值）通过颜色来表示。广泛应用于科学数据分析、图像处理、声学分析等领域。

主要功能特性

特性

  • ✅ 图像显示模式：将数值映射为颜色显示二维数据场
  • ✅ 等高线显示模式：绘制指定数值的等高线
  • ✅ 多种颜色映射：支持线性、渐变、离散等颜色映射方式
  • ✅ 多线程渲染：支持多核并行渲染，提升大数据处理效率
  • ✅ 数据插值：支持多种插值算法平滑显示

基本概念

光谱图原理

光谱图将三维数据 (x, y, value) 映射到二维平面：

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        Y轴
        │
        │   ┌─────────────────┐
        │   │ 颜色编码强度值  │
        │   │ █░▒▓█░▒▓█░▒▓█ │  ← 每个像素颜色对应一个值
        │   │ ▒▓█░▒▓█░▒▓█░▒ │
        │   │ ▓█░▒▓█░▒▓█░▒▓ │
        │   └─────────────────┘
        └──────────────────────→ X轴

显示模式

模式 枚举值 说明
图像模式 ImageMode 将数值映射为颜色显示
等高线模式 ContourMode 绘制等高线

类继承结构

classDiagram
    class QwtPlotRasterItem {
        +setData()
        +setColorMap()
        +setRenderThreadCount()
    }

    class QwtPlotSpectrogram {
        +setDisplayMode()
        +setColorMap()
        +setContourLevels()
        +setData()
    }

    class QwtRasterData {
        +value(x, y)
        +interval()
        +contourLines()
    }

    class QwtColorMap {
        +rgb()
        +color()
        +colorTable()
    }

    QwtPlotRasterItem <|-- QwtPlotSpectrogram
    QwtPlotSpectrogram --> QwtRasterData : 使用
    QwtPlotSpectrogram --> QwtColorMap : 使用

使用方法

光谱图的例子位于:examples/2D/spectrogram，例子截图如下：

Spectrogram

Spectrogram Contour

1. 基本光谱图

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#include <QwtPlot>
#include <QwtPlotSpectrogram>
#include <QwtRasterData>
#include <QwtColorMap>

QwtPlot* plot = new QwtPlot();
plot->setTitle("光谱图示例");
plot->setCanvasBackground(Qt::black);

// 创建光谱图
QwtPlotSpectrogram* spectrogram = new QwtPlotSpectrogram();

// 启用图像显示模式
spectrogram->setDisplayMode(QwtPlotSpectrogram::ImageMode, true);

// 设置颜色映射
QwtLinearColorMap* colorMap = new QwtLinearColorMap(Qt::darkBlue, Qt::yellow);
colorMap->addColorStop(0.2, Qt::blue);
colorMap->addColorStop(0.4, Qt::cyan);
colorMap->addColorStop(0.6, Qt::green);
colorMap->addColorStop(0.8, Qt::orange);
spectrogram->setColorMap(colorMap);

// 创建数据
// 这里使用自定义的QwtRasterData派生类
spectrogram->setData(new MyRasterData());

spectrogram->attach(plot);
plot->replot();

2. 自定义栅格数据

创建 QwtRasterData 派生类提供数据：

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#include <QwtRasterData>
#include <QwtInterval>

// 自定义栅格数据类
class MyRasterData : public QwtRasterData
{
public:
    MyRasterData()
    {
        // 设置数据范围
        setInterval(Qt::XAxis, QwtInterval(0, 100));
        setInterval(Qt::YAxis, QwtInterval(0, 100));
        setInterval(Qt::ZAxis, QwtInterval(0, 1));  // 值范围
    }

    // 返回指定位置的值（核心方法）
    virtual double value(double x, double y) const override
    {
        // 示例：计算位置对应的值
        double dx = x - 50;
        double dy = y - 50;
        double dist = std::sqrt(dx * dx + dy * dy);
        return std::exp(-dist / 20.0);  // 高斯分布
    }

    // 可选：返回等高线数据
    virtual QList<QwtContourLine> contourLines(
        const QList<double>& levels,
        const QRectF& rect) const override
    {
        // 实现等高线计算
        return QwtRasterData::contourLines(levels, rect);
    }
};

3. 颜色映射配置

线性颜色映射

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// 创建从蓝到红的线性颜色映射
QwtLinearColorMap* colorMap = new QwtLinearColorMap(Qt::blue, Qt::red);

// 设置格式（RGB或Indexed）
colorMap->setFormat(QwtColorMap::RGB);  // RGB模式，颜色平滑过渡

// 添加颜色停靠点
colorMap->addColorStop(0.0, Qt::black);   // 最小值：黑色
colorMap->addColorStop(0.3, Qt::blue);    // 30%：蓝色
colorMap->addColorStop(0.5, Qt::green);   // 50%：绿色
colorMap->addColorStop(0.7, Qt::yellow);  // 70%：黄色
colorMap->addColorStop(1.0, Qt::white);   // 最大值：白色

spectrogram->setColorMap(colorMap);

预定义颜色映射

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// 使用Qwt内置的Hue色图（彩虹色）
QwtHueColorMap* hueMap = new QwtHueColorMap();
hueMap->setHueRange(0.0, 360.0);  // 全色相范围
spectrogram->setColorMap(hueMap);

// 使用Alpha色图（透明度变化）
QwtAlphaColorMap* alphaMap = new QwtAlphaColorMap();
alphaMap->setAlphaRange(0, 255);
spectrogram->setColorMap(alphaMap);

4. 等高线显示

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// 启用等高线模式
spectrogram->setDisplayMode(QwtPlotSpectrogram::ContourMode, true);

// 设置等高线级别
QList<double> contourLevels;
contourLevels << 0.1 << 0.2 << 0.3 << 0.4 << 0.5 << 0.6 << 0.7 << 0.8;
spectrogram->setContourLevels(contourLevels);

// 设置等高线样式
spectrogram->setDefaultContourPen(QPen(Qt::white, 1));

// 同时显示图像和等高线
spectrogram->setDisplayMode(QwtPlotSpectrogram::ImageMode, true);
spectrogram->setDisplayMode(QwtPlotSpectrogram::ContourMode, true);

5. 数据分辨率设置

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// 设置像素分辨率（每个像素代表的数据单元大小）
spectrogram->setPixelSize(2.0);  // 每个像素2个数据单位

// 或者使用推荐分辨率自动计算
spectrogram->setRenderHint(QwtPlotRasterItem::RenderAntialiased);

6. 多线程渲染

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// 设置渲染线程数（提升大数据渲染性能）
spectrogram->setRenderThreadCount(4);  // 使用4个线程并行渲染

// 默认值为0（单线程）

多线程渲染建议

  • 数据量超过100万像素时，建议启用多线程
  • 线程数建议设置为CPU核心数，不要超过8
  • 多线程渲染在图像模式效果最明显

7. 使用矩阵数据

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#include <QwtMatrixRasterData>

// 使用矩阵数据类
QwtMatrixRasterData* matrixData = new QwtMatrixRasterData();

// 设置数据矩阵
QVector<double> values;
for (int i = 0; i < 100 * 100; i++) {
    values << (rand() % 100);
}
matrixData->setValueMatrix(values, 100);  // 100x100矩阵

// 设置数据范围
matrixData->setInterval(Qt::XAxis, QwtInterval(0, 100));
matrixData->setInterval(Qt::YAxis, QwtInterval(0, 100));
matrixData->setInterval(Qt::ZAxis, QwtInterval(0, 100));

// 设置插值方式
matrixData->setResampleMode(QwtMatrixRasterData::BilinearInterpolation);

spectrogram->setData(matrixData);

8. 颜色条（Color Bar）

添加颜色条显示颜色与数值的对应关系：

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#include <QwtScaleWidget>

// 在右侧添加颜色条
QwtScaleWidget* rightAxis = plot->axisWidget(QwtAxis::YRight);
rightAxis->setColorBarEnabled(true);
rightAxis->setColorBarWidth(20);

// 设置颜色条范围和颜色映射
rightAxis->setColorMap(QwtInterval(0, 100), colorMap);

// 显示右侧坐标轴
plot->setAxisVisible(QwtAxis::YRight, true);

核心方法总结

方法 说明
setData() 设置栅格数据
setColorMap() 设置颜色映射
setDisplayMode() 设置显示模式
setContourLevels() 设置等高线级别
setDefaultContourPen() 设置等高线画笔
setPixelSize() 设置像素分辨率
setRenderThreadCount() 设置渲染线程数
data() 获取栅格数据
colorMap() 获取颜色映射

颜色映射类总结

类名 说明
QwtLinearColorMap 线性颜色映射，颜色平滑过渡
QwtHueColorMap 色相颜色映射，彩虹色效果
QwtAlphaColorMap Alpha颜色映射，透明度变化
QwtLogColorMap 对数颜色映射，适合大范围数据

应用场景

  • 科学数据分析：温度场、压力场等
  • 图像处理：热力图、密度图
  • 声学分析：频谱图、声纳图
  • 地理数据：地形图、海深图

相关示例

  • 光谱图演示：examples/2D/spectrogram