m语言及其应用2015第六讲

1、MATLABMATLAB 语言及其应用语言及其应用Matlab Language and Its ApplicationsMatlab Language and Its Applications史元浩史元浩中北大学Email: MATLAB Language and Its Applications第六讲第六讲Matlab数据和函数数据和函数的可视化的可视化摘要摘要 2022-3-16MATLAB语言及其应用3 n 二维图形绘制plot相关指令n 特殊图形的绘制n 三维图形的绘制n 图像处理简介n 图形窗口操作简介 2022-3-16MATLAB语言及其应用4 引言引言n世界顶级的数值计算工具

2、软件世界顶级的数值计算工具软件MATLAB具有极其强具有极其强大的大的数据可视化数据可视化功能，功能，可制作具有出版质量图形可制作具有出版质量图形。n在前面的课程中，已经使用了在前面的课程中，已经使用了数据可视化命令数据可视化命令plot。n详细介绍详细介绍MATLAB这一部分的内容可以写这一部分的内容可以写一本书一本书。n我们只能介绍我们只能介绍MATLAB数据可视化的基础，数据可视化的基础，2-D数数据可视化、据可视化、3-D数据可视化初步。数据可视化初步。n二维图形二维图形是将平面坐标上的数据点连接起来的平面是将平面坐标上的数据点连接起来的平面图形。可以采用直角坐标系、对数坐标、极坐标等

3、图形。可以采用直角坐标系、对数坐标、极坐标等形式。数据点可以用向量或矩阵形式给出，类型可形式。数据点可以用向量或矩阵形式给出，类型可以是实型或复型。以是实型或复型。 2022-3-16MATLAB语言及其应用5 -5000500100015002000250030003500400000.20.40.60.81循 环 频 率 /HzRx()(a) Ship101002003004000.050.10.15X: 78.13Y: 0.1534X: 39.06Y: 0.06192-5000500100015002000250030003500400000.20.40.60.81循 环 频 率 /Hz

4、Rx()(b) Ship2020040060000.050.1X: 50.78Y: 0.1101-5000500100015002000250030003500400000.20.40.60.81循 环 频 率 /HzRx()(c) Ship301002003004005000.050.10.15X: 46.88Y: 0.163900.10.20.30.40.50.60.70.80204060SIR /dB(a) 源信号 s1 00.10.20.30.40.50.60.70.80204060相似系数 SIR /dB(b) 源信号 s2 SDMBDWPMBDSDMBDWPMBD 2022-3-1

5、6MATLAB语言及其应用6 6.1 二维曲线绘图的基本操作二维曲线绘图的基本操作nplot指令的基本调用格式指令的基本调用格式 （1）plot(x) nx为向量时，以该元素的下标为横坐标、元素值为纵坐标绘出曲线为向量时，以该元素的下标为横坐标、元素值为纵坐标绘出曲线nx为实数二维数组时，则按列绘制每列元素值相对其下标的曲线，曲线为实数二维数组时，则按列绘制每列元素值相对其下标的曲线，曲线数等于数等于x数组的列数。数组的列数。nx为复数二维数组时，则按列分别以数组的实部和虚部为横、纵坐标绘为复数二维数组时，则按列分别以数组的实部和虚部为横、纵坐标绘制多条曲线制多条曲线（2）plot(x, y)

6、nx、y为同维数组时，绘制以为同维数组时，绘制以x、y元素为横纵坐标的曲线元素为横纵坐标的曲线nx为向量，为向量，y为二维数组、且其列数或行数等于为二维数组、且其列数或行数等于x的元素数时，绘制多条的元素数时，绘制多条不同颜色的曲线不同颜色的曲线nx为二维数组，为二维数组，y为向量时，情况与上相同，只是为向量时，情况与上相同，只是y仍为纵坐标。仍为纵坐标。（3）plot(x1, y1, x2, y2, )n绘制以绘制以x1为横坐标、为横坐标、y1为纵坐标的曲线为纵坐标的曲线1，以，以x2为横坐标、为横坐标、y2为纵坐标为纵坐标的曲线的曲线2，等等。，等等。n其中其中x为横坐标，为横坐标，y为纵

7、坐标，绘制为纵坐标，绘制y=f(x)函数曲线。函数曲线。 2022-3-16MATLAB语言及其应用7 例例6.1：使用直角坐标系：使用直角坐标系在在0，2区间内，绘制曲线区间内，绘制曲线x = 0:pi/100:2*pi;y = 2*exp(-0.5*x).*sin(2*pi*x);plot(x,y)0.52sin(2)xyex 2022-3-16MATLAB语言及其应用8 例例6.2 使用参数方程绘制曲线使用参数方程绘制曲线绘制曲线绘制曲线t = -pi:pi/100:pi;x = t.*cos(3*t);y = t.*sin(t).2;plot(x,y)2cos(3 ),sinxttty

8、tt 2022-3-16MATLAB语言及其应用9 例例6.3 绘制复杂曲线绘制复杂曲线用图形表示连续调制波形用图形表示连续调制波形 及其包络线。及其包络线。t=(0:pi/100:pi);%长度为长度为101的时间采样列向量的时间采样列向量y1=sin(t)*1,-1;%包络线函数值，是（包络线函数值，是（101x2）的）的矩阵矩阵y2=sin(t).*sin(9*t);%长度为长度为101的调制波列向量的调制波列向量t3=pi*(0:9)/9;y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,r:,t,y2,b,t3,y3,bo)axis(0,pi,-1,1)%控制轴的范围控

9、制轴的范围 2022-3-16MATLAB语言及其应用10 多次叠绘、双纵坐标和多子图多次叠绘、双纵坐标和多子图n多次叠绘多次叠绘n多次调用多次调用plot命令命令在一幅图上在一幅图上绘制多条曲线，需绘制多条曲线，需要要hold指令的配合。指令的配合。 nhold on 保持当前坐标轴和图形，并可以接受下保持当前坐标轴和图形，并可以接受下一次绘制。一次绘制。nhold off 取消当前坐标轴和图形保持，这种状态取消当前坐标轴和图形保持，这种状态下，调用下，调用plot绘制完全新的图形，不保留以前的绘制完全新的图形，不保留以前的坐标格式、曲线。坐标格式、曲线。 2022-3-16MATLAB语言

10、及其应用11 例例 6.5 重绘曲线重绘曲线重绘波形重绘波形 及其包络线。及其包络线。t=(0:pi/100:pi);%长度为长度为101的时间采样列向量的时间采样列向量y1=sin(t)*1,-1;%包络线函数值，是（包络线函数值，是（101x2）的矩阵）的矩阵y2=sin(t).*sin(9*t);%长度为长度为101的调制波列向量的调制波列向量t3=pi*(0:9)/9;y3=sin(t3).*sin(9*t3);plot(t,y1,r:)hold onplot(t,y2,b)plot(t3,y3,bo)axis(0,pi,-1,1)%控制轴的范围控制轴的范围 hold off)9sin

11、()sin(tty 2022-3-16MATLAB语言及其应用12 课堂思考例课堂思考例clft=(0:pi/50:2*pi);k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;subplot(1,2,1)plot(t,Y,LineWidth,1.5)title(By plot(t,Y)xlabel(t)subplot(1,2,2)plot(Y,LineWidth,1.5)title(By plot(Y)xlabel(row subscript of Y)思考：有什么不同？为什么？思考：有什么不同？为什么？ 2022-3-16MATLAB语言及其应用13 例例6.6 利用利用hold绘制离散信号的

12、波形。绘制离散信号的波形。t=2*pi*(0:20)/20;y=cos(t).*exp(-0.4*t);stem(t,y,g);hold on;stairs(t,y,r);hold off 2022-3-16MATLAB语言及其应用14 双纵坐标：双纵坐标：plotyy指令指令nplotyy指令调用格式：指令调用格式： plotyy(x1, y1, x2, y2) x1-y1曲线曲线y轴在左，轴在左， x2-y2曲线曲线y轴在右。轴在右。 例例3.7： x = 0:0.01:20; y1 = 200*exp(-0.05*x).*sin(x); y2 = 0.8*exp(-0.5*x).*sin

13、(10*x); plotyy(x,y1,x,y2); 2022-3-16MATLAB语言及其应用15 多子图多子图 nMATLAB允许在同一图形窗口布置几幅独立的子图。具体指令：允许在同一图形窗口布置几幅独立的子图。具体指令：nsubplot(m, n, k) 使（使（mxn）幅子图中第）幅子图中第k个子图成为当前图个子图成为当前图nsubplot(postion, left, bottom, width, height) 在指定的位置上开辟子图，并成为当前图在指定的位置上开辟子图，并成为当前图说明：说明：subplot(m, n, k)的含义的含义：图形窗口包含（：图形窗口包含（mxn）个子

14、图，）个子图，k为要指定为要指定的当前子图的编号。的当前子图的编号。其编号原则：其编号原则： 左上方为第左上方为第1子图，然后向右向子图，然后向右向下依次排序。该指令按缺省值分割子图区域。下依次排序。该指令按缺省值分割子图区域。subplot(postion, left, bottom, width, height)用于手工指定子图位用于手工指定子图位置置，指定位置的四元组采用归一化的标称单位，即认为整个图形窗，指定位置的四元组采用归一化的标称单位，即认为整个图形窗口绘图区域的高、宽的取值范围都是口绘图区域的高、宽的取值范围都是0， 1，而左下角为（，而左下角为（0,0）坐）坐标。标。产生的子

15、图彼此独立。所有的绘图指令均可以在子图中使用。产生的子图彼此独立。所有的绘图指令均可以在子图中使用。 2022-3-16MATLAB语言及其应用16 例例6.8 演示演示subplot指令对图形窗的分割指令对图形窗的分割 t=(pi*(0:1000)/1000);y1=sin(t);y2=sin(10*t);y12=sin(t).*sin(10*t);subplot(2,2,1),plot(t,y1);axis(0,pi,-1,1)subplot(2,2,2),plot(t,y2);axis(0,pi,-1,1)subplot(position,0.2,0.05,0.6,0.45)plot(t

16、,y12,b-,t,y1,-y1,r:); 2022-3-16MATLAB语言及其应用17 例例6.8 演示演示subplot指令对图形窗的分割指令对图形窗的分割 2022-3-16MATLAB语言及其应用18 绘制图形的辅助操作绘制图形的辅助操作 曲线线形控制符曲线线形控制符 曲线颜色控制符曲线颜色控制符 符号 - : -.-含义 实线 虚线 点划线 双划线 符号 b g rcmykw含义兰绿红青品红黄黑白 2022-3-16MATLAB语言及其应用19 曲线的色彩、线型和曲线的色彩、线型和 数据点形数据点形曲线的曲线的线形控制符、颜色控制符、数据点形控制符线形控制符、颜色控制符、数据点形控

17、制符可以组可以组合使用合使用其先后次序不影响绘图结果其先后次序不影响绘图结果也可以单独使用。也可以单独使用。 2022-3-16MATLAB语言及其应用20 例例6.9 绘制图形的辅助操作绘制图形的辅助操作Specify Line properties t=(0:15)*2*pi/15;y=sin(t);subplot(3,2,1), plot(t, y); title(Lins style is default)subplot(3,2,2), plot(t, y, o); title(Lins style is o)subplot(3,2,3), plot(t, y, k:); title(

18、Lins style is k:)subplot(3,2,4), plot(t, y, k:*); title(Lins style is k:*)subplot(3,2,5), plot(t, y, m-d); title(Lins style is m-d)subplot(3,2,6), plot(t, y, r-p); title(Lins style is r-p) 2022-3-16MATLAB语言及其应用21 2022-3-16MATLAB语言及其应用22 坐标、刻度和分格线控制坐标、刻度和分格线控制 2022-3-16MATLAB语言及其应用23 例例 6.10 坐标控制坐标控制

19、 绘制椭圆，长轴为绘制椭圆，长轴为3.25，短轴为，短轴为1.15t=0:2*pi/99:2*pi;x=1.15*cos(t); y=3.25*sin(t); % y为长轴，为长轴，x为短轴为短轴subplot(2,2,1); plot(x, y);axis offtitle(axis off); subplot(2,2,2); plot(x,y);axis image;title(axis image); subplot(2,2,3); plot(x,y);axis equal;title(axis Equal); subplot(2,2,4); plot(x,y);axis square;

20、title(axis Square); 2022-3-16MATLAB语言及其应用24 2022-3-16MATLAB语言及其应用25 刻度、分格线和坐标框刻度、分格线和坐标框 n分格线与分格线与grid指令指令 ngrid on画出分格线画出分格线ngrid off不画分格线不画分格线nMATLAB的的缺省设置是不画分格线；缺省设置是不画分格线；分格线的疏密取决于分格线的疏密取决于坐标刻度（改变坐标刻度，可改变分格线的疏密）。坐标刻度（改变坐标刻度，可改变分格线的疏密）。n坐标框坐标框nbox on控制加边框线控制加边框线nbox off 控制不加边框线控制不加边框线n刻度设置刻度设置n指令

21、及格式：指令及格式：set(gca, xtick, xs, ytick, ys)nxs、ys可以使任何合法的实数向量，用于分别设置可以使任何合法的实数向量，用于分别设置x、y轴的轴的刻度。刻度。例例6.11绘制绘制y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t) 二阶阶跃响应（自动控制原理）二阶阶跃响应（自动控制原理）grid ontext(13.5,1.2,fontsize12alpha=0.3)text(13.5,1.1,fontsize12omega=0.7)cell_string1=fontsize12uparrow;cell_string2=fontsize16 fontnam

22、e隶书隶书镇定时间镇定时间;cell_string3=fontsize6 ;cell_string4=fontsize14rmt_s = num2str(ts);text(ts,0.85,cell_string,Color,b,HorizontalAlignment,Center)title(fontsize14it y = 1 - e -alpha tcosomegat)xlabel(fontsize14 bft rightarrow)ylabel(fontsize14 bfy rightarrow)clf;t=6*pi*(0:100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.

23、7*t);plot(t,y,r-,LineWidth,3)hold ontt=t(find(abs(y-1)0.05);ts=max(tt);plot(ts,0.95,bo,MarkerSize,10)hold offaxis(-inf,6*pi,0.6,inf)set(gca,Xtick,2*pi,4*pi,6*pi,Ytick,0.95,1,1.05,max(y)set(gca,XtickLabel,2*pi;4*pi;6*pi)set(gca,YtickLabel,0.95;1;1.05;max(y) 2022-3-16MATLAB语言及其应用26 2022-3-16MATLAB语言及其

24、应用27 2022-3-16MATLAB语言及其应用28 图形标识图形标识 n图形标识包括：图形标识包括：n图名（图名（title）n坐标轴名（坐标轴名（xlabel、ylabel）n图形文本注释（图形文本注释（text）n图例（图例（legend）n简捷使用格式简捷使用格式 ntitle(s)% s为字符串变量或常量为字符串变量或常量nxlabel(s)nylabel(s)nlegend(s)ntext(x, y, s)% 指定坐标（指定坐标（x, y）处加注文字）处加注文字 2022-3-16MATLAB语言及其应用29 图形标识图形标识（续）（续）n精细指令形式精细指令形式 n字体样式设

25、置：字体样式设置： fontnamearg arg fontsize arg string 其中，其中，String为要输出的字符串，其前面的均为为要输出的字符串，其前面的均为属性属性控制控制，使用方法见下表。，使用方法见下表。 2022-3-16MATLAB语言及其应用30 图形标识（续）图形标识（续） 2022-3-16MATLAB语言及其应用31 例例6.12在正弦曲线上标注特殊值在正弦曲线上标注特殊值t=(0:100)/100*2*pi;y=sin(t);plot(t, y)text(3*pi/4,sin(3*pi/4), fontsize16leftarrowsin(t) = .70

26、7 )text(pi, sin(pi), fontsize16leftarrowsin(t) = 0 )text(5*pi/4, sin(5*pi/4), fontsize16sin(t) = -.707rightarrow,. HorizontalAlignment,right)其中，其中，HorizontalAlignment, right设置图形标识为设置图形标识为水平右对齐水平右对齐 2022-3-16MATLAB语言及其应用32 例例6.13 t = 0:900;plot(t,0.25*exp(-0.005*t)title(fontsize16itAealphat);text(300

27、,.25*exp(-0.005*300),. fontsize14leftarrow0.25ite-0.005itt at itt = 300);010020030040050060070080090000.050.10.150.20.25Aet0.25e-0.005t at t = 300 2022-3-16MATLAB语言及其应用33 2. 特殊图形特殊图形n直方图直方图(柱形图柱形图)barn 垂直直方图垂直直方图 累计式累计式 分组式分组式n 水平直方图水平直方图 累计式累计式 分组式分组式 2022-3-16MATLAB语言及其应用34 例例6.15x = -2.9:0.2:2.9;

28、bar(x,exp(-x.*x),r) 2022-3-16MATLAB语言及其应用35 例例6.16n北京市从业人员统计（万人）北京市从业人员统计（万人）1990年年1995年年2000年年第一产业第一产业 90.770.673.9第二产业第二产业 281.6 271 214.6第三产业第三产业 254.8 323.7 326.5执行以下语句：执行以下语句：year=1990 1995 2000;people=90.7 281.6 254.8; 70.6 271 323.7; 73.9 214.6 326.5;bar(year, people, stack);legend(fontsize6第

29、一产业第一产业, fontsize6第二产第二产业业, fontsize6第三产业第三产业); 2022-3-16MATLAB语言及其应用36 累计式直方图累计式直方图 2022-3-16MATLAB语言及其应用37 bar(year, people, group); % 分组式直方图分组式直方图legend(fontsize6第一产业第一产业, fontsize6第二产业第二产业, fontsize6第三产业第三产业); 2022-3-16MATLAB语言及其应用38 barh(year, people, group); % 分组式直方图分组式直方图legend(fontsize6first

30、, fontsize6second, fontsize6third); 2022-3-16MATLAB语言及其应用39 barh(year, people, stack); % 累积式直方图累积式直方图legend(fontsize6 first, fontsize6second, fontsize6third); 2022-3-16MATLAB语言及其应用40 饼图指令饼图指令piepie n饼图指令饼图指令pie 用来用来表示各元素占总和的百分数表示各元素占总和的百分数。该。该指令第二输入变量是与第一变量同长的指令第二输入变量是与第一变量同长的0-1向量，向量，1使对应扇块突出。使对应扇块

31、突出。a=1,1.6,1.2,0.8,2.1;subplot(1,2,1),pie(a,1 0 1 0 0),legend(1,2,3,4,5)subplot(1,2,2), b=int8(a=min(a)pie3(a,b)colormap(cool) 2022-3-16MATLAB语言及其应用41 2022-3-16MATLAB语言及其应用42 离散杆图离散杆图stem 余弦波的采样信号图余弦波的采样信号图t = linspace(-2*pi,2*pi,20);h = stem(t,cos(t); 2022-3-16MATLAB语言及其应用43 例例6.17 分别以条形图、填充图、分别以条形

32、图、填充图、阶梯图和杆图形式绘图阶梯图和杆图形式绘图x = 0:0.35:7;y = 2*exp(-0.5*x);subplot(221);bar(x,y,g);title(bar(x,y,g);axis(0,7,0,2);subplot(222);fill(x,y,r);title(fill(x,y,r);axis(0,7,0,2);subplot(223);stairs(x,y,b);title(stairs(x,y,b);axis(0,7,0,2);subplot(224);stem(x,y,k);title(stem(x,y,k);axis(0,7,0,2); 2022-3-16MAT

33、LAB语言及其应用44 例例6.18 极坐标图极坐标图polar函数用来绘制极坐标图，其调用格式函数用来绘制极坐标图，其调用格式为：为：polar(theta,rho,选项选项)例：绘制例：绘制=sin(2)cos(2)的图形的图形theta = 0:0.01:2*pi;rho = sin(2*theta).*cos(2*theta);polar(theta,rho,r); 2022-3-16MATLAB语言及其应用45 3. 三维绘图的基本操作三维绘图的基本操作n三维线图指令三维线图指令plot3n三维绘图指令中，三维绘图指令中，plot3最易于理解，它的使用格最易于理解，它的使用格式与式与

34、plot十分相似，只是对应第十分相似，只是对应第3 维空间的参量。维空间的参量。t=(0:0.02:2)*pi;x=sin(t);y=cos(t);z=cos(2*t);plot3(x,y,z,b-,x,y,z,bd);view(-82,58);box onlegend(链链,宝石宝石) 2022-3-16MATLAB语言及其应用46 三维线图绘制结果三维线图绘制结果-1-0.500.51-1-0.500.51-1-0.500.51链 宝 石 2022-3-16MATLAB语言及其应用47 三维网线图（三维网线图（mesh）和曲面图（）和曲面图（surf）画函数画函数z=f(x,y)所代表的三

35、维空间曲面，需要做以下的数所代表的三维空间曲面，需要做以下的数据准备工作：据准备工作：n确定自变量的取值范围和取值间隔。确定自变量的取值范围和取值间隔。 x=x1:dx:x2; y=y1:dy:y2;n构成构成x-y平面上的自变量采样平面上的自变量采样“格点格点”矩阵。矩阵。 利用利用MATLAB指令指令meshgrid产生产生“格点格点”矩矩阵阵 xa, ya=meshgrid(x,y) ;n计算函数在自变量采样计算函数在自变量采样“格点格点”上的函数值，即上的函数值，即z=f(x,y)。n网线图、曲面图绘制。网线图、曲面图绘制。 2022-3-16MATLAB语言及其应用48 举例举例绘制

36、函数绘制函数z=x2+y2的曲面的曲面x=-4:4;y=x;x,y=meshgrid(x,y); %生成生成 x-y 坐标坐标“格点格点”矩阵矩阵z=x.2+y.2; %计算格点上的函数值计算格点上的函数值subplot(1,2,1), mesh(x,y,z); %三维网格图三维网格图subplot(1,2,2), surf(x,y,z); %三维曲面图三维曲面图colormap(hot); 2022-3-16MATLAB语言及其应用49 函数函数z=x2+y2的曲面的绘制结果的曲面的绘制结果一些有趣的例子：画心一些有趣的例子：画心clc;const=0;x=-5:0.05:5;y=-5:0.

37、05:5;z=-5:0.05:5;x,y,z=meshgrid(x,y,z);f=(x.2 + (9/4)*y.2 + z.2 - 1).3 - x.2.*z.3 - (9/80)*y.2.*z.3-const;p=patch(isosurface(x,y,z,f,0);set(p, FaceColor, red, EdgeColor, none);daspect(1 1 1)view(3)camlight; lighting phong 2022-3-16MATLAB语言及其应用50 2022-3-16MATLAB语言及其应用51 2022-3-16MATLAB语言及其应用52 特殊例：小球

38、沿螺旋轨道下降特殊例：小球沿螺旋轨道下降t1=(0:1000)/1000*10*pi;x1=cos(t1);y1=sin(t1);z1=-t1;t2=(0:10)/10;x2=x1(end)*(1-t2);y2=y1(end)*(1-t2);z2=z1(end)*ones(size(x2);t3=t2;z3=(1-t3)*z1(end);x3=zeros(size(z3);y3=x3;t4=t2;x4=t4;y4=zeros(size(x4);z4=y4;x=x1 x2 x3 x4;n=length(x);if nargin2ki=fix(n/2);endy=y1 y2 y3 y4;z=z1

39、z2 z3 z4;shgplot3(x,y,z,Color,1,0.6,0.4,LineWidth,2.5)axis offh=line(xdata,x(1),ydata,y(1),zdata,z(1),Color,1 0 0,Marker, .,MarkerSize,40,EraseMode,xor);KK=K*n;text(-1,-0.85,-36,倒计数)KK=KK-1; 2022-3-16MATLAB语言及其应用53 特殊例：特殊例：htext=text(-1,-1,-40,int2str(KK);%i=2;j=1;while 1set(h,xdata,x(i),ydata,y(i),

40、zdata,z(i);drawnow; % pause(0.0005) % i=i+1;KK=KK-1;set(htext,string,int2str(KK) % if nargin=2 & nargout=1 %if(i=ki&j=1);f=getframe(gcf);end % endif ini=1;j=j+1;if jK;break;endendend 2022-3-16MATLAB语言及其应用54 红球沿下旋螺线运动的瞬间照片红球沿下旋螺线运动的瞬间照片 2022-3-16MATLAB语言及其应用55 4. 图像文件的读写与图像显示图像文件的读写与图像显示nimread指令指令读取图像文件（读取图像文件（ BMP, GIF , PNG, JPEG, and TIFF）nimshow指令指令显示图像显示图像nimwrite指令指令保存图像保存图像n例：读取图像文件例：读取图像文件img1=imread(mudan.jpg); % Load image dataimg2=imread(eight.tif);whos img1 img2 2