大數據資料可視化：Python QT GUI程式設計

前言
 

01 | 開發環境安裝

1.1 Python

1.2 Qt

1.3 PyQt5

| 02 | PyQt5 GUI 程式架構

2.1 PyQt5 GUI 程式的基本架構 

2.2 使用視覺化設計表單的GUI程式

2.3 訊號與槽的使用

2.4 自訂訊號的使用

2.5 資源檔的使用

2.6 從Qt C++ 類別庫到PyQt5

2.7  3個單表單GUI 專案範本
 

| 03 | 常用介面元件的使用

3.1 資料登錄輸出

3.2 QPushButton 

3.3 QSlider 和QProgressBar

3.4 日期時間資料

3.5 計時器QTimer

3.6 下拉式選單QComboBox

3.7 QMainWindow 與QAction 

3.8 QListWidget 和QToolButton 

3.9 QTreeWidget 和QDockWidget 

3.10 QTableWidget 

3.11 容器類別元件與版面配置設計

| 04 | Model/View 結構

4.1 Model/View 結構 

4.2 QFileSystemModel

4.3 QStringListModel

4.4 QStandardItemModel

4.5 自訂代理 

| 05 | 事件處理

5.1 預設事件處理 

5.2 事件攔截與事件過濾

5.3 拖放事件與拖放操作

5.4 具有拖放操作功能的元件

| 06 | 對話方塊與多視窗設計

6.1 標準對話方塊

6.2 自訂對話方塊及其使用 

6.3 多視窗應用程式

6.4 MDI 應用程式設計 

| 07 | 資料庫

7.1 Qt SQL 模組概述

7.2 QSqlTableModel 的使用

7.3 QSqlQueryModel 的使用

7.4 QSqlQuery 的使用

7.5 QSqlRelationalTableModel 的使用

| 08 | 繪圖

8.1 QPainter 繪圖 

8.2 座標系統和座標轉換

8.3 自訂介面元件

8.4 Graphics View 繪圖架構

| 09 | 檔案

9.1 檔案操作相關類別概述

9.2 文字檔讀寫

9.3 二進位檔案讀寫

9.4 目錄和檔案操作

| 10 | 多媒體

10.1 PyQt5 多媒體模組功能概述

10.2 音訊播放

10.3 音訊輸入

10.4 視訊播放

10.5 攝影機的使用

| 11 | GUI 設計增強技術

11.1 多語言介面

11.2 QSS 訂製介面
 

| 12 | PyQtChart 二維繪圖

12.1 PyQtChart 概述

12.2 QChart 繪製聚合線圖 

12.3 QChart 繪圖進階功能

12.4 對數座標軸和多座標軸

12.5 圓形圖和各種柱狀圖

12.6 蠟燭圖和日期時間座標軸

12.7 區域填滿圖 

12.8 極座標圖

| 13 | PyQtDataVisualization 3D 繪圖

13.1 PyQtDataVisualization 模組概述 

13.2 3D 柱狀圖 

13.3 3D 散點圖 

13.4 立體曲面圖

| 14 | Matplotlib 資料視覺化

14.1 Matplotlib 的基本用法 

14.2 圖的主要元素的物件導向操作

14.3 互動操作

14.4 典型二維圖的繪製 

14.5 3D 資料繪圖 

 

　　Python 作為一個開放原始碼的直譯型程式設計軟體，在教學、科學研究、實際專案中用得越來越多。Python 易學好用，程式資源豐富，在程式設計解決一些科學計算問題時比較實用，但是Python 附帶的Tkinter 套件設計GUI 程式的功能比較弱，無法設計專業的GUI 應用程式。

 

　　Qt C++ 類別庫是一套廣泛使用的跨平台GUI 設計類別庫，PyQt5 是Qt5 C++類別庫的Python 綁定，使用PyQt5 在Python 裡程式設計，可以將Python 豐富的科學計算、圖形顯示等功能與PyQt5 的GUI 設計功能結合起來，開發出比較專業的Python GUI 應用程式，便於對研究成果進行有效的整合與展示。

 

　　目前，介紹Python 程式設計的書很多，但是專門介紹PyQt5 GUI 程式設計的書很少。本書介紹兩個主題：一個是使用PyQt5 進行GUI 應用程式設計，另一個是使用PyQtChart、PyQtDataVisualization 和Matplotlib 在GUI 程式的視窗介面上嵌入資料視覺化功能。這兩個主題都是非常實用的，可以將研究成果整合為一個GUI 應用程式，進行互動式操作和結果展示。

 

　　☘ 本書內容

 

　　本書介紹在Python 中使用PyQt5、PyQtChart、Matplotlib 等進行GUI 應用程式設計和資料視覺化程式設計的方法，全書的內容分為三部分。

 

　　第一部分是PyQt5 開發基礎，包含第1 章和第2 章。

　　第1 章介紹Python、Qt、PyQt5 的特點和安裝方法，在Windows 中建立開發環境。

 

　　第2 章介紹使用PyQt5 開發GUI 應用程式的基本架構原理，包含GUI 應用程式的基本結構、使用視覺化設計UI 表單時開發GUI 程式的流程和架構、訊號與槽的使用方法等。掌握了第2 章的內容就掌握了PyQt5 開發GUI 應用程式的架構性原理，再學習第二部分和第三部分就很容易了。

 

　　第二部分是GUI 應用程式設計，從第3 章至第11 章。

 

　　這部分介紹GUI 應用程式設計中常用的一些功能模組的程式設計使用方法，包含常用介面元件的使用、Model/View 結構、事件處理、對話方塊和多視窗設計、資料庫、繪圖、檔案讀寫和操作、多媒體、多語言介面和Qt 樣式表訂製介面等。

 

　　這部分的內容根據PyQt5 和Python 各自的特點做了取捨，整體的原則就是對GUI 程式設計中必需的，而Python 中沒有或功能不強的模組介紹。舉例來說，Python 雖然有附帶的資料庫、多媒體、檔案讀寫功能模組，但是功能不如PyQt5 的對應模組，或不易與PyQt5 的GUI 程式的視窗介面結合使用，因此本書就介紹PyQt5 的資料庫、多媒體、檔案讀寫功能模組。而Python 附帶的多執行緒程式設計功能已經比較全，且不涉及使用者介面，因此本書就不介紹PyQt5 的多執行緒程式設計功能。Python 有很多功能強大的協力廠商網路功能模組，因此沒有必要介紹PyQt5 的網路程式設計功能。

 

　　第三部分是資料視覺化程式設計，從第12 章至第14 章。

 

　　Chart 和Data Visualization 模組是Qt C++ 類別庫的一部分， 分別用於二維圖表繪製和3D 資料視覺化，但是PyQt5 中沒有這兩個模組，需要單獨安裝PyQtChart 套件和PyQtDataVisualization 套件。第 12 章介紹使用PyQtChart 模組繪製各種二維圖表的程式設計方法，第13 章介紹使用PyQtDataVisualization模組繪製3D 柱狀圖、3D 散點圖和立體曲面圖的程式設計方法。

 

　　Matplotlib 是Python 中應用最廣泛的資料視覺化模組，但是一般介紹Matplotlib 資料視覺化的書很少詳細介紹將Matplotlib 嵌入GUI 視窗上的程式設計方法。第14 章專門介紹Matplotlib 與PyQt5 結合，嵌入GUI 程式中實現資料視覺化的程式設計方法，這是在撰寫整合化的Python GUI 應用程式時經常遇到的，是非常實用的功能。

 

　　☘ 本書學習路線

 

　　本書使用的程式語言是Python，但是本書並不會介紹Python 語言基礎，需要讀者對Python 程式設計有一定的了解，特別是對Python 的物件導向程式設計原理要比較熟悉。如果讀者對Python 不夠熟悉，需要參考專門介紹Python 程式設計基礎的書，學會Python 後再來學習本書。

 

　　本書的內容雖然用到Qt 的IDE，即Qt Creator，但是並不需要撰寫任何C++語言程式，所以讀者無須具有C++ 語言基礎。當然，如果讀者有C++ 語言基礎，或對Qt C++ 程式設計比較熟悉，對閱讀本書的內容是非常有幫助的。

 

　　學習本書應從第一部分開始。第1 章介紹本書用到的各個軟體及其安裝，架設開發環境。第2 章是本書的基礎和重點內容，介紹了PyQt5 GUI 應用程式的基本程式架構、以UI 表單視覺化設計為基礎的GUI 應用程式的設計流程和工具軟體pyuic5 的使用、UI 與表單業務邏輯分離設計的原理、Qt 的核心技術訊號與槽的使用方法、Qt Creator 中管理和使用資源檔，以及透過工具軟體pyrcc5將資源檔轉為Python 程式的方法。第2 章還建立了3 個單視窗專案範本，本書的大部分範例都是以這幾個專案範本建立為基礎的。

 

　　掌握第2 章的內容就掌握了用PyQt5 設計GUI 程式的技術架構，剩下的就是PyQt5 中用於GUI 應用程式設計的各種類的使用了。

 

　　第二部分介紹PyQt5 GUI 程式設計中各個技術模組的使用方法，包含常用介面元件、Model/View 結構、事件處理、對話方塊與多視窗設計、資料庫、繪圖、檔案、多媒體等，讀者可以根據自己的需要學習或查閱對應章節。第11章有兩個新的技術點不在第2 章介紹的技術架構內，分別是多語言介面設計方法和Qt 樣式表訂製介面方法。

 

　　第三部分介紹資料視覺化設計方法。PyQtChart 和PyQtDataVisualization 是QtC++ 類別庫對應模組的Python 綁定，分別用於二維圖表和3D 資料視覺化設計，其內容的介紹比較全面。另外由於Matplotlib 在Python 資料視覺化中應用廣泛，第14 章專門介紹將Matplotlib 嵌入GUI 表單上實現互動式資料視覺化的設計方法，包含主要的技術點和一些常用二維圖和3D 圖的程式設計使用方法。

 

　　PyQtChart、PyQtDataVisualization 與Matplotlib 的某些功能是重合的，但它們各有千秋，讀者可根據自己的需要和熟悉的內容選擇學習和使用。如果讀者熟悉Qt C++ 類別庫中的二維圖表和3D 資料視覺化模組的使用，就參閱第12 章和第13 章；如果讀者熟悉Matplotlib 的使用，就參閱第14 章。

 

　　☘ 範例來源程式

 

　　本書的範例程式都是在64 位元Windows 7 系統裡開發和測試的。在開始撰寫本書時使用的是Qt 5.11 和PyQt 5.11，完成本書初稿時已經發佈了Qt 5.12 和PyQt 5.12，由於Qt 5.12 是一個LTS（Long Term Supported）版本，於是又用Qt 5.12 和PyQt 5.12 對全書內容和程式進行了檢查、修改和測試。

 

　　本書使用的各個軟體或Python 套件的版本分別是Python 3.7.0、Qt 5.12.0、PyQt 5.12、PyQtChart 5.12、PyQtDataVisualization 5.12、Matplotlib 3.0.0。

 

　　讀者在拿到本書進行閱讀和學習時，這些軟體一定已經有更新的發佈版本了。讀者在建置開發環境時使用最新的軟體版本即可，不必與本書使用的軟體版本完全一致，因為這些軟體在大的版本序列裡基本上是向下相容的。

 

　　本書提供所有範例來源程式的下載，讀者可到本公司官網搜索到本書後，根據提示(請輸入DM2006)下載本書的範例程式資源。本書提供兩套範例來源程式，使用目的不同。

 

　　一套是具有全部原始程式的程式，包含Qt 專案、UI 表單、Python 程式等，其中Python 主程式可以直接執行，顯示範例執行結果。讀者可以使用這套來源程式測試和檢視範例執行結果，並檢視已設計好的UI 表單和Python 程式檔案。

 

　　另外一套是只有UI 表單的不完整程式，包含Qt 專案、UI 表單、Python 程式架構，其中的Python 程式檔案只有基本架構，沒有功能實現程式。這套程式是為了便於讀者使用已經設計好的UI 表單，根據書上介紹的內容和過程，在Python 程式架構裡自己撰寫程式，逐步實現功能。之所以保留UI 表單，是因為UI 表單的視覺化設計是個比較耗時間的過程，讀者如果自己從頭開始設計UI 表單，難以保障所有元件的名稱和屬性與範例的一致，在Python 程式設計實現業務功能時容易出現問題。

 

　　作者一貫認為UI 表單的視覺化設計不是學習程式設計的重點，表單介面的建立能用視覺化設計解決的就不要用程式。一般情況下，做過幾個範例後很快就可以掌握UI 表單視覺化設計的方法，所以，學習程式設計的重點是各種介面元件和功能類別的介面函數、訊號的靈活使用，以實現程式的業務邏輯功能。

 

　　☘ 本書約定

 

　　本書撰寫和執行Python 程式使用Python 3.7 附帶的軟體IDLE，對於Python 程式有以下的約定。

 

　　Tab 縮排使用3 個空格。因為Python 來源程式是採用縮排確定程式碼片段的，排版時為減少縮排空格數，本書設定Tab 為3 個空格。
 

　　程式碼片段的縮排只用相對縮排。在文中一個程式碼片段內的程式使用相對縮排，而非整個程式檔案內的縮排。