第1章 R语言编程与绘图基础

1.1 学术图表的基本概念

学术图表是为论文结论（conclusion）提供证据的视觉方式。所以，论文作者为了产生强烈的视觉效果，应该通过分析实验数据，精心设计可视化图表。本书开篇先跟大家讲讲学术图表的类型。通常学术论文中主要有三类图表，如图1-1-1所示。流程示意图和数据展示图都是非常讲究技能的图表，本书重点讲解的是数据展示图。

1．数据展示图：先根据数据绘制成图表，再将其导出生成图片，主要包括各种点线图、柱形图、饼图等统计图表，一般使用Excel、GraphPad Prism、SigmaPlot、Origin、MATLAB、Python、R等专业绘图软件绘制（Excel并非如大众所说不能导出高分辨率的图片和矢量图）。注意，保存图片时，一定要保存成高分辨率的TIFF格式和EPS矢量格式的图片，因为矢量图片是可以使用图片处理软件进行再编辑的。由数据生成的图表是可重复修改的，因此一定要保存好原始数据，一旦发现图表有任何问题可以马上进行修改。

2．实验拍摄图：使用设备或者仪器拍摄采集的图片，包括显微镜、扫描仪及摄像机等所拍照片。一定要在最刚开始时就拍成高清的（设置成高分辨率），也就是要保证原始图片的高分辨率，接下来处理图片就会比较方便，免得因为图片质量不佳而重复实验。若有必要，则可以将每张图片存储成TIFF和JPG两种格式（以应对部分期刊的特殊要求）。

3．流程示意图：使用简明的线条、基本图形和箭头等绘制论文中的重要的实验流程或步骤，用以说明基本原理或解释文字材料，一般使用PPT、Visio、Illustrator、CorelDRAW、3DMax等软件绘制。

1.1.1 学术图表的基本作用

图表在学术论文中是很重要的一部分。实验结果通常是论文的核心和主要部分，而实验结果一般以图表的形式呈现。读者经常通过图表来判断这篇文章是否值得阅读，所以每个图表都应该能不依赖正文而独立存在。所谓“一图抵千言”（A picture is worth a thousand words）。图表设计是否精确且合理直接影响数据的完整与准确表达，从而影响论文的质量。图表是期刊评审过程中仅次于摘要的关键一环，准确而美观的图表能促进审稿人和读者对论文表达的快速理解。以Nature上的文章Cotranslational signal-independent SRP preloading during membrane targeting [2]选取的前两页为例（见图1-1-2），我们首先关注的是论文的标题（title），其次是第一页最开始的摘要（abstract），接下来我们就被这些包含大量实验数据与信息的图表所吸引。在每页的文章中，包含图名（figure）的图表部分几乎占据整个页面的1/4～1/3，由此可见图表在论文中的重要性。

根据Edward R.Tufte在The Visual Display of Quantitative Information[3]和Visual Explanations[4]中的阐述，图表在论文中的作用主要有：

（1）真实、准确、全面地展示数据；

（2）以较小的空间承载较多的信息；

（3）揭示数据的本质、关系、规律。

第三点作用尤为重要，Matthew O. Ward也提出，可视化的终极目标是洞悉蕴含在数据中的现象和规律，这包括多重含义：发现、决策、解释、分析、探索和学习[5]。表1-1-1所示的原始数据是31组x-y的二维数据。仅仅只从数据的角度去观察数据，就很难发现x与y之间的具体关系。将实际的数据分布情况使用二维可视化的方法呈现，如图1-1-3所示，则可以快速地从数据中发现数据内在的模式与规律。所以，有时使用数据可视化的方法也可以很好地帮助我们去分析数据。

1.1.2 学术图表的基本类别

我们可以先通过国际顶级期刊的学术图表，如Science、Nature、Cell等（见图1-1-4和图1-1-5），了解优秀学术图表的基本类型与风格。图表从色彩运用的角度可以分成两大类：彩色图表与黑白图表。

1．黑白图表

由于彩色印刷的成本相对较高，所以大部分期刊是非彩色的，期刊也往往要求投稿的学术图表为黑白颜色，如图1-1-4（b）和图1-1-4（c）所示。如果论文中使用的都是彩色图表，有些期刊可能会在出版时向作者收取额外的彩色出版费用。在黑白图表中，数据系列的区分主要体现在数据标记上，可使用不同的填充纹理（见图1-1-4（b））或不同的填充颜色和标记形状（见图1-1-4（c））。

2．彩色图表

随着互联网的发展，现在越来越多的文章会预先在网上发布（publish online），而且越来越多的读者与审稿人都喜欢阅读PDF形式的文章，这也导致越来越多的期刊接受彩色图表。彩色图表往往比黑白图表更加美观，从而更加吸引读者与审稿人。有时只借助纹理、形状等无法准确而全面地展示数据，就只能用颜色来丰富数据的表达，如图1-1-5（b）所示，由于不同数据系列的数据量多而密集，如果使用形状（如菱形◇、圆心〇、方形□、三角形△等）区分数据系列，就很难清晰地展示数据的分布规律。

国内期刊一般以黑白印刷为主，绘图时需要注意采用不同的线型、标记等对不同曲线进行区分；国外的期刊相对而言以彩色印刷为主，但需要注意颜色的搭配。

1.1.3 学术图表的绘制原则

每个学术期刊都有自己对学术图表的基本要求，具体可以参考投稿期刊的《作者投稿指南》或Author Guidelines、Author Instructions。以Nature期刊为例，作者的投稿主页（submit manuscript）如图1-1-6所示，然后点击instructions for authors，就可以进入作者的投稿指南，其中就有对图表（figure）的要求，包括基本图表要求（general figure guideline）和终稿图表要求（final figure submission guideline）两个部分。

所以，学术图表首先要规范，符合期刊的投稿要求，然后在规范的基础上实现图表的美观和专业。在当前贯彻科技论文规范化、标准化的同时，图表的设计也应规范化、标准化。总而言之，学术图表的制作原则主要是规范、简洁、专业和美观。

1．规范：规范就是指学术图表符合投稿期刊的图表格式和分辨率方面的要求，这是绘制图表的一个基础条件。绘图时满足投稿期刊的图表要求，这样至少能满足期刊编辑的要求，不会立即被退稿、被要求修改图表格式，例如图表的单位、字体、坐标、图例、轴名等。另外，期刊还会要求图表的分辨率和格式，一般要求RGB彩色图片的分辨率为300dpi及以上。

2．简洁：学术图表的关键在于清楚地表达数据信息。Robert A.Day在How to write and publish a scientific paper[12]书中指出：Combined or not,each graph should be as simple as possible（如果一张学术图表包含的数据信息太多，反而让读者难以理解自己所要表达的数据信息）。所以，学术图表应尽量简洁、清楚地表达数据信息。考虑到期刊的印刷成本，学术图表的尺寸也要尽量以较小的空间承载较多的信息，但要保证能看清图表的文字。

3．专业：图表类型的选择是做好图表的重要基础。专业就是指图表要能全面地反映数据的相关信息。当我们获得足够的实验数据后，需要重点思考的就是选择哪种图表能更加全面地表达数据信息。比如，同样是多次重复实验获得的数据，带误差线的散点图、带误差线的柱形图、箱形图等图表类型的选择就是我们要重点考虑的问题。

4．美观：图表美观是做好图表的一个重要条件。美观是指学术图表要简洁且具有美感。图表的配色、构图和比例等是影响图表美观的主要因素。但是由于大部分理工科的学生平时缺乏审美能力的训练，所以这也是许多学术图表缺乏美感的主要原因。