TikZ

发表于   |   分类于   |  

TikZ是什么

PGF/TikZ是用于绘制几何和代数的向量图形的语言，PGF是底层语言，TikZ则是基于PGF的宏高级语言。PGF/TikZ可以在$\LaTeX$、plain $\TeX$、和\ConTEXt中使用. 这里主要关注TikZ在$\LaTeX$中的用法。

TikZ基础

设置使用环境

1
2
3
4
5
6
7
8
9
\documentclass{article} % say
\usepackage{tikz}
\begin{document}
We are working on
\begin{tikzpicture}
  \draw (-1.5,0) -- (1.5,0);
  \draw (0,-1.5) -- (0,1.5);
\end{tikzpicture}.
\end{document}

构造直线

1
\draw (-1.5,0) -- (1.5,0) -- (0,-1.5) -- (0,1.5);

不要忘记表达式尾的分号。

构造长方形

1
\draw (-0.5,-0.5) rectangle (-1,-1);

增加一点风格

1
help lines/.style={color=blue!50,very thin}

如果help lines定义在全局，则在文档开头使用\tikzset

1
\tikzset{help lines/.style=very thin}

一个风格的定义可以引用另一个风格。如Karl's grid引用了上面的help lines

1
2
3
\tikzset{Karl’s grid/.style={help lines,color=blue!50}}
...
  \draw[Karl’s grid] (0,0) grid (5,5);

这也同时提示我们风格的用法类似\draw[style]。如果定义局部（在环境内部）的风格，则像下面这样

1
2
3
4
5
6
\begin{tikzpicture}
[Karl’s grid/.style ={help lines,color=#1!50},
Karl’s grid/.default=blue]
  \draw[Karl’s grid] (0,0) grid (1.5,2);
  \draw[Karl’s grid=red] (2,0) grid (3.5,2);
\end{tikzpicture}

定义在tikzpicture的可选参数中。上面也提示我们可以为风格设置默认值，想要替换默认值只需要给风格赋一个新值。

绘制选项

线条的粗细有以下一些值

ultra thin, very thin, thin, semithick, thick, very thick, ultra thick

thin是正常粗细，它和$\TeX$的\hrule的粗细相同。

线条的样式有以下一些值

loosely dashed, dashed, densely dashed
loosely dotted, dotted, densely dotted

含义一看便知。

若要为线条尾部增加箭头，可以为\draw添加->选项。若为线条头部增加箭头，改为<-。若首尾均增加箭头，则是<->。

TikZ中的node

TikZ中的node可以插入文字标签，更重要的是可以方便地构造几何图形。转换图、流程图等等都可以用node实现。

\node和at

1
2
3
4
5
6
7
\begin{tikzpicture}
  \node at ( 0,2) [circle,draw] {};
  \node at ( 0,1) [circle,draw] {};
  \node at ( 0,0) [circle,draw] {};
  \node at ( 1,1) [rectangle,draw] {};
  \node at (-1,1) [rectangle,draw] {};
\end{tikzpicture}

这种写法使用了\node命令和at标记，简化了原始写法。行尾的{}用于插入文字，为空表示不插入任何文字。可选参数中，circle给出了环绕文字（尽管为空）的形状，draw选项引起绘制环绕形状的动作。

事实上，\node命令是\path node的简写。更原始的版本是这样

1
2
3
4
5
6
7
\begin{tikzpicture}
\path node at ( 0,2) [shape=circle,draw] {}
	  node at ( 0,1) [shape=circle,draw] {}
	  node at ( 0,0) [shape=circle,draw] {}
	  node at ( 1,1) [shape=rectangle,draw] {}
	  node at (-1,1) [shape=rectangle,draw] {};
\end{tikzpicture}

最原始的版本没有使用at标记，含义并不直观，所以不再列出。

node的尺寸

上面绘制出的node尺寸非常小，因为我们没有设定尺寸参数。node默认使用inner sep的值自动为node中的文字增加环绕空白，而默认的inner sep是很小的。可以手动修改inner sep的值

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
\begin{tikzpicture}
[inner sep=2mm,
place/.style={circle,draw=blue!50,fill=blue!20,thick},
transition/.style={rectangle,draw=black!50,fill=black!20,thick}]
  \node at ( 0,2) [place] {};
  \node at ( 0,1) [place] {};
  \node at ( 0,0) [place] {};
  \node at ( 1,1) [transition] {};
  \node at (-1,1) [transition] {};
\end{tikzpicture}

但是更好的做法是使用minimum size选项。它指定了node的最小尺寸：无论内部文字多么小（甚至没有），node都能达到这一最小尺寸。同时将inner sep设为0pt，这样能在minimum size较小的时候不至于错误地包含inner sep增加的空间。

node命名

为了后续引用定义好的node（比如在node间绘制连接线），可以为node命名，以后用名字引用node。方便的做法是将名字放置在圆括号内部

1
2
3
4
5
6
7
8
% ... set up styles
\begin{tikzpicture}
  \node (waiting 1) at ( 0,2) [place] {};
  \node (critical 1) at ( 0,1) [place] {};
  \node (semaphore) at ( 0,0) [place] {};
  \node (leave critical) at ( 1,1) [transition] {};
  \node (enter critical) at (-1,1) [transition] {};
\end{tikzpicture}

node的语法很宽松，名字、at标识符、可选参数的顺序不做要求。

使用相对位置

fixed positioning弊端很大，不直观而且不灵活，relative positioning使用起来更方便。在TikZ中使用相对位置需要载入positioning库。于是使用相对位置改写上面的例子

1
2
3
4
5
6
7
\begin{tikzpicture}
  \node[place] (waiting) {};
  \node[place] (critical) [below=of waiting] {};
  \node[place] (semaphore) [below=of critical] {};
  \node[transition] (leave critical) [right=of critical] {};
  \node[transition] (enter critical) [left=of critical] {};
\end{tikzpicture}

当类似below的选项后面紧跟of，TikZ就会启用相对位置。相对距离则使用node distance选项。

为node增加文字标签

想要在node周围增加文字标签，有两种方法

  1. 直接使用node，利用node的anchor属性

    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    \begin{tikzpicture}
      \node[place] (waiting) {};
      \node[place] (critical) [below=of waiting] {};
      \node[place] (semaphore) [below=of critical] {};
      \node[transition] (leave critical) [right=of critical] {};
      \node[transition] (enter critical) [left=of critical] {};
      \node [red,above] at (semaphore.north) {$s\le 3$};
    \end{tikzpicture}

  2. 使用label选项

    1
    2
    \tikz
      \node [circle,draw,label=60:$60^\circ$,label=below:$-90^\circ$] {my circle};

像上面这样，可以增加多个标签。

node连接线

连接node使用锚点anchor最为简便，每个node定义了一系列的锚点。最简单的情况是直线。

1
\draw [->] (critical.west) -- (enter critical.east);

绘制曲线就复杂的多。我们不列出使用controls语法的方式，直接讲述to操作。如果to操作不带任何参数，它就绘制一条直线

1
\draw [->] (enter critical) to (critical);

需要注意的是，上面的node没有指定anchor。当TikZ遇到一个node需要解析为坐标时，它会根据后面的内容判断应该选取node的哪一个anchor作为坐标。如果TikZ判断错误，大可重新加上anchor给出准确位置。

to操作有很多参数，这里用到的是in和out对。in和out接受角度值，分别给出曲线离开初始坐标的角度和曲线到达目标坐标的角度。

1
\draw [->] (waiting) to [out=180,in=90] (enter critical);

绘制直线和曲线的代码得到
to syntax

更为简单的方式是使用bend left/bend right选项。

1
\draw [->] (waiting) to [bend right=45] (enter critical);

bend right可以想象为，本来有一条连接起始点和终点的直线，把直线的中点向右拉伸$45^{\circ}$。

有一个操作比to操作更好，就是edge操作。这个操作专门为node添加连接线，它和node一样，不是path的一部分，在path构造完后才会被加入进去。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
\begin{tikzpicture}
  \node[place] (waiting) {};
  \node[place] (critical) [below=of waiting] {};
  \node[place] (semaphore) [below=of critical] {};
  \node[transition] (leave critical) [right=of critical] {};
  \node[transition] (enter critical) [left=of critical] {}
    edge [->] (critical)
    edge [<-,bend left=45] (waiting)
    edge [->,bend right=45] (semaphore);
\end{tikzpicture}

上面三条edge操作每一条都创建了一条新的path，每条path都是enter critical to在edge后面的node。

两个很实用的style

1
2
3
4
\begin{tikzpicture}
  [bend angle=45,
   pre/.style={<-,shorten <=1pt,>=stealth,semithick},
   post/.style={->,shorten >=1pt,>=stealth,semithick}]

bend angle一旦被设置，bend left和bend right的角度都是bend angle的值。