附录 C — ggplot2 styling 设置

在 ggplot2 中，主题系统负责图表外观中诸多非数据相关的方面，涵盖从面板、坐标轴、标题到图例的所有元素。本文将带您逐步掌握主题系统的重要组成部分。 我们将从完整主题开始，深入探讨主题元素及其在图表各部分的应用，最后分享实用技巧（包括如何编写自定义主题函数）。在正式讲解主题之前，先创建一个能展示多种特性的示例图表。

library(ggplot2)
p <-
  ggplot(mpg, aes(x = displ, y = hwy, color = cty, shape = drv)) +
  geom_point() +
  facet_grid(~year) +
  labs(
    title = "Fuel efficiency",
    subtitle = paste0("Described for ", nrow(mpg), " cars from 1999 and 2008"),
    caption = "Source: U.S. Environmental Protection Agency",
    x = "Engine Displacement",
    y = "Highway miles per gallon",
    colour = "City miles\nper gallon",
    shape = "Drive train"
  )
p

C.1 内置主题和附加主题

ggplot2中有多个内置主题，包括theme_grey() (default),theme_bw(),theme_linedraw(),theme_light(),theme_dark(),theme_minimal(),theme_classic(),theme_void(),theme_test()。

此外，许多packages也自带了可用于ggplot2的附加主题，例如：

  1. cowplot包中的cowplot::theme_cowplot()，避免使用过小的标签，并使用更为简洁的外观。
p + cowplot::theme_cowplot()

  1. ggthemes包主题包收录了多款主题，这些主题借鉴了其他知名数据可视化平台的设计风格，例如ggthemes::theme_fivethirtyeight() 
p + ggthemes::theme_fivethirtyeight()

更多的主题可以参看ggplot2 extension gallery，并通过theme标签检索更多的主题包。

这些主题函数中有很多参数可供调整，具体可参看函数的帮助文档。

C.2 主题元素

?theme()帮助文档对每个主题元素均有详细的说明。

当一组相关属性作为主题元素时，ggplot2 提供了 element_*() 函数。

C.3 theme的剖析

theme()函数拥有大量参数目前它已包含 147 个参数，而 … 符号更掩盖了额外选项的存在，一次性解析起来可能令人望而生畏。死记硬背不是一个好的方式，我们不妨尝试消化这些内容。

theme()函数采用分步处理的方式。主题的大部分功能已被拆分到theme_sub_*()函数家族中。该家族仅提供简易快捷方式。例如theme_sub_axis(title)的参数会填充axis.title元素。

若需重新定义一系列相关设置，使用 theme_sub_*() 函数颇有裨益:

这些函数是ggplot2 4.00版本中新增的，可以省去很多重复性的前缀，非常好使。

  1. 简洁性——例如频繁调整左 y 轴时，使用 theme_sub_axis_left(title, text, ticks) 比 theme(axis.title.y.left, axis.text.y.left, axis.ticks.y.left) 更简洁。

  2. 在于有助于主题管理，在绘制图表时能保持一丝条理。

目前，有如下的theme_sub_xx()系列函数:

C.3.1 图形整体调整-theme_sub_plot90

使用theme_sub_plot()函数，我们可以省略参数中的plot.前缀，例如plot.title可直接写为title。

p +
  labs(tag = "A") + # 设置标签已被之后调整
  theme_sub_plot(
    # 调整背景颜色
    background = element_rect(fill = "cornsilk"),

    # 调整标题
    title = element_text(hjust = 0),
    subtitle = element_text(color = "blue"),
    title.position = "plot", # 与图形对齐，"panel"与面板对齐

    # 调整caption
    caption = element_text(hjust = 1),
    caption.position = "plot",

    # 调整tag
    tag.position = "topright",
    tag.location = "panel"
  )

C.3.2 面板调整-theme_sub_panel()

面板的调整主要聚焦于图形的网格线，面板的背景和边框。值得注意的是，面板背景位于数据下方（除非 ontop = TRUE），而面板边框则位于面板之上。下图可清晰展示这一特性——白色网格线在蓝色背景上清晰可见，但在红色边框上则不可见。

p +
  theme_sub_panel(
    # 增加图形面板间隙
    spacing.x = unit(1, "cm"),

    # 调整所有网格
    grid = element_line(color = "grey80"),

    # 将次要网格删除
    grid.minor = element_blank(),

    # 调整主要网格线
    grid.major.x = element_line(linetype = "dotted"),
    grid.major.y = element_line(color = "white"),

    # 调整背景和边框
    background = element_rect(
      fill = "cornsilk",
      color = "blue",
      linewidth = 6
    ),
    border = element_rect(
      color = "red",
      linewidth = 3,
      fill = "black"
    ),

    # 调整面板尺寸，当有多行或多列面板时，需提供对应数量的单位数字
    widths = unit(c(3, 5), "cm"), # 调整两个面板的宽度
    heights = unit(4, "cm")
  )

C.3.3 条带-theme_sub_strip()

条带是指分面标签所在的区域。使用theme_sub_strip()函数，我们可以省略参数中的strip.前缀，例如strip.text.x.top可直接写为text.x.top。

# We're including a labeller to showcase formatting
my_labeller <- as_labeller(c(
  `1999` = "The Nineties",
  `2008` = "The Noughties",
  V = "Vertical Strip"
))

p +
  # Using a dummy strip for the vertical direction
  facet_grid("V" ~ year, labeller = my_labeller, switch = "x") +
  theme_sub_strip(
    # 调整条带背景
    background = element_rect(fill = "cornsilk"),
    # 调整水平条带背景
    background.x = element_rect(color = "black", linewidth = 1),
    # 调整水平条带字体
    text.x.bottom = element_text(size = 16),
    placement = "outside", # 将条带放在面板外侧

    clip = "off" # 允许条带内容超出面板边界，默认为"on"
  )

C.3.4 坐标轴-theme_sub_axis_XX()

坐标轴是图表中最重要的组成部分之一，同时也是最复杂的主题元素。使用theme_sub_axis()函数，我们可以省略参数中的axis.前缀，例如axis.title.x.bottom可直接写为title.x.bottom。

theme_sub_axis() 函数可让同时调整所有坐标轴，相应的还有theme_sub_axis_x(),theme_sub_axis_y(),theme_sub_axis_bottom(),theme_sub_axis_top(),theme_sub_axis_left()以及theme_sub_axis_right()，分别用于设置不同位置的坐标轴。

C.3.4.1 调整所有坐标轴

C.3.4.2 分别调整x和y轴

C.3.4.3 精细调整自坐标轴

p +
  guides(x.sec = "axis", y.sec = "axis") + # Extra axes
  theme_sub_axis_bottom(ticks = element_blank()) +
  theme_sub_axis_top(
    ticks.length = unit(5, "mm"),
    ticks = element_line(color = "red")
  ) +
  theme_sub_axis_left(
    text = element_text(margin = margin_auto(10))
  ) +
  theme_sub_axis_right(
    line = element_line()
  )

C.3.5 图例-theme_sub_legend()

C.3.5.1 guide box

guide box是存放图例的容器，负责其内容物的放置与排列。

p +
  theme_sub_legend(
    # 显示gudie box
    box.background = element_rect(fill = "cornsilk"),

    # 将图例置于左侧
    position = "left",

    # 调整图例为水平
    box = "horizontal",

    # 上方对齐guide box
    justification = "top",
    # 下方对齐图例
    box.just = "bottom",

    # 调整图例边距和间距
    box.margin = margin_auto(5),
    box.spacing = unit(1, "cm")
  )

图例框可以通过在guides_**()函数中手动指定position参数进行拆分。无法独立调整每个位置的每个框设置，但可单独对齐每个框。

p +
  # 将shape图例调整至左边
  guides(shape = guide_legend(position = "left")) +
  theme_sub_legend(
    # Showing the boxes
    box.background = element_rect(fill = "cornsilk"),
    box.margin = margin_auto(5),

    # Tweaking the justification per position
    justification.left = "top",
    justification.right = "bottom"
  )

C.3.5.2 通用的图例指南

guide_legend()、guide_colourbar()和guide_bins()函数可用于创建图例指南。通过调整这些指南的参数，可以实现对图例外观的细粒度控制。

这些设置涉及图例的北京、边距、标签和标题的部局，以及图例键的大小和形状。

C.3.5.2.1 整体图例设置
p +
  theme_sub_legend(
    # 调整图例背景-宽度、颜色等
    background = element_rect(fill = "cornsilk"),
    margin = margin_auto(5, unit = "mm"),

    # 调整图例标题-位置、角度等
    title = element_text(angle = 270),
    title.position = "right",

    # 调整图例标签-大小、颜色等
    text = element_text(color = "red"),
    text.position = "left",

    # 调整图例键-大小、形状等
    key.width = unit(5, "mm"),
    key.height = unit(5, "mm")
  )

TODO: 补充各类图例指南的具体设置

  1. 连续型图例设置-guide_colorbar()

  2. 离散型图例设置-guide_legend()

  3. 分箱图例设置-guide_bins()

C.3.6 图层-geom = element_geom()

C.3.6.1 图形属性的整体调整

theme()函数中的新参数geom可以用于控制图层的图形属性，主要包括

  • Colors:
    • ink：前景色。
    • paper：背景色。常与ink联合使用，使得前景色变暗，并与主题其余部分协调。
    • accent：特殊的颜色选择器。
    • fill和color：可以覆盖任意一个ink,paper和accent的设置。
p +
  aes(color = NULL, fill = NULL) + # Resetting aesthetics
  geom_smooth(formula = y ~ x, method = "lm") +
  theme(
    geom = element_geom(
      ink = "tomato",
      paper = "dodgerblue",
      accent = "forestgreen"
    )
  )

  • Lines:
    • linewidth,linetype：控制线条的粗细和样式。
    • borderwidth：用于调整封闭形状(如矩形)的边框线条的粗细。
    • bordertype：用于调整封闭形状(如矩形)的边框线条的样式。
ggplot(faithful, aes(eruptions)) +
  geom_histogram(aes(y = after_stat(density)), bins = 30, colour = "black") +
  geom_line(stat = "density") +
  theme(
    geom = element_geom(
      borderwidth = 0.5,
      bordertype = "dashed",
      linewidth = 4,
      linetype = "solid"
    )
  )

  • Points and Text:
    • fontsize，pointsize：用于调整文本和点的大小。
    • pointshape：用于调整点的形状。
    • family：用于调整文本的字体系列。
ggplot(mtcars, aes(mpg, disp, label = rownames(mtcars))) +
  geom_point() +
  geom_label(nudge_x = 0.25, hjust = 0) +
  theme(
    geom = element_geom(
      # 调整点的大小和形状
      pointsize = 8,
      pointshape = "←",

      # 调整文本的大小和字体
      fontsize = 8,
      family = "Ink Free"
    )
  )

C.3.6.2 图形属性的精细调整

除了通过geom = element_geom()全局修改图层属性外，还可以通过theme()函数中的其他参数来精细调整特定图层的属性。这里的重点是，通过蛇形命名法，将图层函数变换为点式命名的参数，进而使用element_geom()实现对特定图层属性的控制。

ggplot(mpg, aes(class, displ)) +
  geom_boxplot(outliers = F) +
  geom_jitter() +
  theme(
    geom.boxplot = element_geom(fill = "orchid", color = "turquoise"), # 更改箱线图图层
    geom.point = element_geom(color = "dodgerblue")
  ) # 更改散点图图层

C.4 技巧和窍门

C.4.1 编写自定义全局主题

在编写自定义主题时，有几点需要牢记。核心原则是确保主题设计能够稳健应对上游变更，这就要求我们在自定义主题时，不仅要考虑 ggplot2 可能新增、废弃或重定向的元素，还需兼容扩展程序使用的主题元素。

在以上原则的基础上，自定义主题有以下几个基本的要求：

  1. 以function()函数的形式保存自定义主题。
  2. 使用默认的的主题作为自定义主题的基础，例如theme_grey()或theme_minimal()等。
  3. 在自定义主题中，使用theme()函数来覆盖默认主题的设置。我们可以使用+ theme() 或 %+replace% theme() 来实现覆盖。前者会在默认主题的基础上添加新的设置，而后者则会完全替换默认主题中的相应设置，使用后者时，需要保证element_XX()函数中所有的属性不能为NULL值。
my_custom_theme <- function(...) {
  theme_bw(...) + # 可添加%+replace%
    theme(
      text = element_text(
        family = "",
        face = "plain",
        color = "red",
        size = 11,
        hjust = 0.5,
        vjust = 0.5,
        angle = 0,
        lineheight = 1,
        margin = margin()
      ),
      # Non-root elements can be partially defined
      legend.text = element_text(color = "blue"),
      legend.key.size = unit(1.5, "lines")
    ) +
    theme_sub_panel(
      grid.major = element_line(color = "grey", linetype = "dashed"),
      grid.minor = element_line(linetype = "dotted", color = "grey80")
    )
}

p + my_custom_theme()

C.4.2 设置全局主题-Global theme

避免在整个代码文档中重复键入theme()和相关设置，同时统一整体的绘图风格，我们可以使用set_theme()函数进行主题统一的设置。

如果想撤销全局主题，则可使用reset_theme_setting()函数。
set_theme(my_custom_theme())
p

C.4.3 主题设置打包

有时，我们并不希望对主题进行全面的覆盖，而是希望将一组相关的主题设置打包成一个可重用的单元。例如，我们希望将图例相关的设置打包成一个单独的函数，以便在不同的图表中重复使用。

reset_theme_settings()
bottom_colorbar <- function() {
  theme_sub_legend(
    position = "bottom",
    title.position = "left",
    justification.bottom = "left",
    key.width = unit(1, "null"), # 按照面板空间拉伸颜色条
    margin = margin_part(l = 0, r = 0) # 移除左右边距
  )
}

p +
  aes(shape = NULL) + # Resetting shape aesthetic
  bottom_colorbar()

C.5 结语

-Tidytuesday项目催生了丰富的绘图代码资源库。