Matplotlib在使用Latex时如何支持中文

Matplotlib的内置文本对中文的支持，可以通过设置合适的字体来实现，相关内容通过网上搜索就有。但是，在使用Latex进行文本排版时如何支持中文，目前网上能够找到的信息并不多，并且按照他们的做法，并不能很好地实现中文文本。那么为什么要使用Latex排版文本呢？当时是为了利用Latex的灵活性，比如一行文字中可以对其中各别文字添加下划线或者设置不同字体，这通过内置的文本是无法实现的。当然，有一些第三方库支持这个功能，有兴趣的可以查看highlight-text，但是这个库不支持下划线。

通过一翻摸索，目前找到两条途径可以实现在使用Latex过程中支持中文，现在介绍如下：

前提条件
1. 需要有相关的LaTex程序，例如Windows上的MikTex。我只使用Windows，至于其他系统，大家网上搜索一下应该也会有相关程序的安装教程。
2. 需要有相关的LaTex宏包，例如实现中文的CJK宏包

第一种方法：CJK + PDFLaTex

import matplotlib.pyplot as plt
config = {
   ...: 'text.usetex': True,
   ...: 'text.latex.preamble': r'\usepackage{CJK}',  # 预先导入CJK宏包处理中文
}
plt.rcParams.update(config)

fig, ax = plt.subplots()

ax.text(0.2, 0.2, r'\begin{CJK}{UTF8}{song}\underline{你}好\end{CJK}')	# 宋体
ax.annotate(r'\begin{CJK}{UTF8}{kai}你\underline{好}!\end{CJK}', 	# 楷体
            xy=(0.4, 0.4), xytext=(20, 40), 
            arrowprops=dict(arrowstyle='->'), textcoords='offset points')
ax.text(0.5, 0.5, r'\begin{CJK}{UTF8}{hei}太阳\end{CJK}')	# 黑体

plt.show()

在上面的代码中，首先需要预先加载LaTex宏包CJK，这一步是关键之一。在具体使用过程中，中文文本必须包含在\begin{CJK}{UTF8}{song}和\end{CJK}之间，这是使用的关键之二。当然，使用CJK所能使用的中文字体有限，但是只要有黑体和宋体基本上也够用了。

绘制的图如下：

第二种方法：PGF + XeLaTex

在第一种方法中，使用的是默认的PDFLatex，其好处就是支持交互式绘图。但是PDFLaTex对于中文的支持实在有限，这也是为什么第一种方法用起来比较复杂。根据Matplotlib官网介绍，使用XeLaTex能够更好地支持中文，但是要想调用XeLaTex，那么绘图后端得改成pgf。具体实现如下：
```
import matplotlib as mpl
mpl.use('pgf')	# 修改绘图后端

import matplotlib.pyplot as plt
fig, ax = plt.subplots()

ax.text(0.2, 0.2, r'\underline{你}好', fontfamily='SimHei')
ax.annotate(r'你\underline{好}!', xy=(0.4, 0.4), xytext=(20, 40),
            arrowprops=dict(arrowstyle='->'), textcoords='offset points',
           fontfamily='SimHei')
ax.set_ylabel(r'y\underline{轴}', fontfamily='SimHei')

fig.savefig('text.png', dpi=300)
```
可以看到，这种方法使用起来相对比较简单，而且字体可以选择任何支持中文的支持。但是有一个缺点就是pgf不支持交互式绘图，也即你无法通过GUI界面或者Jupyter Notebook来交互式画图，只能通过保存的方式绘制。

当然，在实际操作中，你可以先用内置文本交互式绘制，当图形元素、文字排版都满足要求时，你再可以切换成pgf后端，并使用LaTex语法对文本的个别元素进行定制美化，然后保存输出图片。

绘制的图形如下：