MATLAB应用第五章-MATLAB图形和3D可视化

第五章MATLAB图形和3D可视化

MATLAT可将计算结果以丰富的图象形式表现出来，便于用户进行观察分析。5.1MATLAB图形窗口5.2二维曲线图形5.3三维曲线图形5.4高维可视化5.5色彩处理5.6光源位置和材质处理5.7句柄图形5.8动画制作5.1MATLAB图形窗口图形窗口调用的三种常见方式：（ObjectOriented）figure命令窗口中输入figure将产生一新的默认属性的图形窗口，且置为当前；figure(h)可有三种结果：1）若h为已定义的句柄，则使该图形置为“当前”2）若h为一整型参数，则建立一新图形并赋值为h且置为当前3）若非上述两种情况，则出现错误gcf返回当前图形的句柄，set用于设置图形的属性subplot将图形窗口进行分割显示，图形修改方式。subplot(m,n,i)：将图形分为m*n个小块并把当前命令绘制图形放在第i个（按行计数）。get(gca)用于获取某小块图形的属性Subpolt(‘position’,[leftbottomwidthheight])用于定义指定区域的图形axes。holdHold用于叠加图形Holdon(off)、ishold、hold等Eg5-1Eg5-2Eg5-3在命令窗口输入figure出现下图Eg5-1之figure在命令窗口输入

>>figure(2223)Eg5-1之figure(integer)>>figure(h)

???Undefinedfunctionorvariable'h'.

>>h=2

h=

2

>>figure(h)

>>h='iwanttotry'

h=

iwanttotry

>>figure(h)

???Errorusing==>figure

Singleinputmustbeanexistingfigurehandleorascalarintegerfrom1to2032118656.Eg5-1续得到同上页的图形界面，等于figure(2)>>set(1,‘visible’,‘off’)%将句柄为1的图形隐藏起来>>figure%此时作为1的图形不再显示，而是生成另一个以2作为句柄的图形>>set(1,‘visible’,‘on’)％句柄为1的图形再次显示>>a1=axes;>>set(a1,'position',[0.050.550.90.4]);>>a2=axes;>>set(a2,'position',[0.050.050.40.4]);>>a3=axes;>>set(a3,'position',[0.550.050.40.4]);>>a=[1:200]*pi/100;>>s=sin(a);>>c=cos(a);>>t=1+a.*a;>>axes(a1);>>plot(a,s);>>axes(a2);>>plot(a,c);>>axes(a3);>>plot(a,t);先定义在哪个窗口画图，然后输入绘图命令定义图框1、2、3，[xy宽高]Eg5-2>>subplot(2,2,1)％将图形分为2*2的块并将第1块激活>>plot(a,s)％在上述的一块上绘制函数图>>subplot(2,2,4)>>plot(a,c)Eg5-2续>>a=[1:200]*pi/100;>>s=sin(a);>>c=cos(a);>>t=1+a.*a;>>plot(a,s,'r')>>holdon

%叠加图象>>plot(a,c,'b')>>plot(a,t,'k:')Eg5-35.2二维曲线图形(plot)5.2.1plot命令的调用plot(X,’s’)，其中X为：1）实向量，则以向量下标为横坐标，元素值为纵坐标绘图；2）实矩阵(m,n)，按列元素绘制，共n条曲线；3）复数矩阵，实部为横坐标，虚部为纵坐标，绘制多条曲线；S用来指定线条的相关特性plot(X,Y,’s’)，其中：1)X,Y为同维向量时，X作为横坐标，Y为纵坐标绘图；2）X为向量，Y为有一维与X等维的矩阵时，绘制多条曲线；3）X为矩阵，Y为向量，同2）；4）X，Y同维矩阵，则绘制对应列元素分别为横纵坐标的曲线；plot(X1,Y1,’s1’,X2,Y2,’s2’…)以Xi,Yi,’si’为一组合分别设置绘图Eg5-4、5在editor内输入如下命令并存为”Plot_eg01”x=0:0.02:20;y=sin(x);z=cos(x)+1;subplot(2,2,1)plot(x,y,'r-')%xandyarevectorsxlabel('xaxis')ylabel('y=sin(x)')subplot(2,2,2)plot(x,'k--')%onlyplotxsubplot(2,2,3)plot(x,[y;z])%[y;z]isamatrixsubplot(2,2,4)plot(x,y,'r-.',x,z,'m-')F5运行结果如图Eg5-4在editor内输入如下命令并存为”Plot_eg02”th=[0:pi/50:3*pi]';a=[0.5:0.5:5.5]Y=cos(th)*a;X=sin(th)*sqrt(25-a.^2);plot(X,Y)axis('equal')xlabel('X')ylabel('Y')title('agroupofEllipselines')F5运行结果如图Eg5-5若没有axis(‘equal’)则显示如下：

equal将x和y轴的坐标进行比例协调，使其显示相等。5.2.2线型、顶点标记和颜色色彩（c）说明数据点（m）说明线型（l）说明r红色+加号-实线g绿色O圆圈--虚线b蓝色*星号：点线c青色.点-.点划线m洋红x十字y黄色s矩形k黑色d菱形w白色^上三角v下三角>右三角<左三角p五边形h六边形Eg5-6>>x=-5:5;>>y=x^2+1;>>plot(x,y,'ro')Eg5-6>>plot(x,y,'ro-.')>>plot(x,y,'o-.r')Eg5-6续线型用单引号，三种性质可任意组合。5.2.3分格线控制和图形标注分格线控制默认状态时网格关，线框开。grid：网格双向切换gridon：绘出网格gridoff：关闭网格box：线框双向切换boxon：绘出线框boxoff：关闭线框图形标注

坐标轴名：xlabel、ylabel等，采用格式如xlabel(‘text’,’p1’,’p1value’,’p2’,’p2value’…)标题：title，采用格式同xlabel图例：legend，采用格式：legend(str1,str2,str3,…,pos)，其中pos取0～4，分别对应最佳、右上、左上、左下、右下位置。添加文本字符串text(x,y,’string’)gtext(‘string’,’p1’,’p1value’…)Eg5-7Eg5-8Eg5-9>>x=-5:5;>>y=x^2+1;>>plot(x,y,'ro')>>gridEg5-7>>plot(x,y,'o-.r')>>boxoffEg5-7续>>t=0:0.2:2*pi;>>plot(t,sin(t),'>',t,cos(t),'+');>>xlabel('x'),ylabel('y');>>title('sin(x)andcos(x)');>>legend('sin

wave','coswave',0)Eg5-8在编辑器里输入下列命令存为“exno32.m”x=0:0.1:8;plot(x,sin(x),x,cos(x))title('subject主题')%figure'ssubjectxlabel('\alpha')%ylabel('h^2')legend('1','2')text(pi/4,sin(pi/4),'\leftarrowsin(pi/4)=0.707')gtext('youcanpushyourleftbuttonanywhereinthedrawing','fontsize',20)Eg5-95.2.4特殊二维图形条形图bar、barh、bar3、bar3hbar(Y)：Y值为条形图，横坐标为1:m；bar(x,Y)：bar(...,width)bar(...,'style')bar(...,'bar_color')直方图hist、rose另stem

hist：在直角坐标系里绘制直方图rose：在极坐标中绘制直方图stem：显示茎状图扇形图piepie(x)：对所有向量x中的元素进行总计，显示每一部分所占比例pie(x,explode)：定义一个与x同长度向量explode，对应于非零元素的x值被抽出显示pie(…,labels)：标注扇形图，labels必须与前面向量具有相同长度Eg5-10Eg5-11Eg5-12在命令窗口输入下列命令”>>x=1:12;>>y=[-12-6411232636302117103];>>bar(x,y)>>xlabel('month'),ylabel('tempereature');>>title('relationship')Eg5-10在编辑器窗口输入下列命令并存为bar_eg02”x=1:12;y=[-12-6411232636302117103;-13-15-27172720211413104];y=y';colormap(cool)subplot(211)bar(x,y,'grouped')subplot(212)bar(x,y,'stacked')Eg5-10续在编辑器窗口输入下列命令并存为hist_rose_eg”y=randn(1500,1);subplot(221)hist(y)%10equallyspacedcontainerstitle('hist(y)')subplot(222)hist(randn(1500,1),30)%30equallyspacedcontainerstitle('hist(y,30)')subplot(223)hist(randn(1500,2),10)%twocolumsineachofthe10equallyspace

containerstitle('hist(y(n,2),10)')%useofrosewdir=[45909045360335360270335270335335];wdir=wdir*pi/180;subplot(224)rose(wdir)title('rose(wdir)')Eg5-11Eg5-11续在编辑器窗口输入下列命令并存为pi_eg”x=[4354.52];explode=[00100];subplot(221)pie(x,explode)subplot(221)colormapjetsubplot(222)pie(x)subplot(223)pie(x,{'No.1got4','No.2got3','No.3got5','No.4got4.5','No.5got2'})subplot(224)a=[11111]pie(x,a,{'No.1got4','No.2got3','No.3got5','No.4got4.5','No.5got2'})Eg5-12Eg5-12续绘制二维图形命令汇总详见表5-3注意zoom和ginput函数：zoom：缩放双向切换zoom(x)：放大x倍zoomon：缩放开zoomoff：缩放关zoomxon：只允许x轴缩放zoomyon：只允许y轴缩放[x,y]=ginput(n)：将鼠标点击图形范围内，返回点击点的坐标值，存为长度为n的向量[x,y]=ginput：获取任意个点击点的坐标值，直至回车结束，存为点击数的向量[x,y,button]=ginput(n)：将鼠标点击图形范围内，返回点击点的坐标值和点击鼠标左中右键(分别为1、2、3)情况，存为长度为n的向量特殊坐标的二维图形

对数坐标曲线：semilogx,semilogy,loglog极坐标曲线：polar双y轴曲线：plotyyEg5-15/6Eg5-13/4在编辑器窗口输入下列命令并存为zoom_eg”x=[4354.52];explode=[00100];pie(x,explode)title('zoom(2)','fontsize',30)zoom(2)Eg5-13在命令窗口输入：>>figure得到一figure如图，进一步在命令窗口输入：

[x,y]=ginput(6)并回车，此时进入figure，鼠标成十字型，点击鼠标（不论左中右）6次后返回x，yx=0.12790.44820.29150.64860.80990.7869y=0.82600.72370.34060.18270.39910.8523Eg5-14在编辑窗口输入下列命令并存为“special.m”：x=1:50;subplot(221)semilogx(x)title('semilogx','fontsize',24,'color','c')subplot(222)semilogy(x)title('semilogy','fontsize',20,'color','r')subplot(223)loglog(x)title('loglog','fontsize',12,'color','k')subplot(224)polar(x,x)title('polar','fontsize',24,'color','m')Eg5-15Eg5-15续在编辑窗口输入下列命令并存为“plotyy_eg.m”：x=0:0.01:20;y1=200*exp(-0.05*x).*sin(x);y2=0.8*exp(-0.5*x).*sin(10*x);subplot(211)[AX,H1,H2]=plotyy(x,y1,x,y2,'plot');set(get(AX(1),'Ylabel'),'String','LeftY-axis')set(get(AX(2),'Ylabel'),'String','RightY-axis')xlabel('Zeroto20\musec.')title('Labeling

plotyy')set(H1,'LineStyle','--')set(H2,'LineStyle',':')subplot(212)plotyy(x,y1,x,y2)Eg5-165.3三维曲线图形5.3.1plot3命令的调用plot3(x,y,z,s)：绘制空间曲线，xyz为三组向量或矩阵，单一向量为一条曲线，矩阵则为多条曲线，其他应用同二维绘图命令plot。Eg5-17在editor内输入下列命令“plot3_eg01.m”t=0:pi/50:10*pi;plot3(sin(t),cos(t),t)gridonaxissquareEg5-175.3.2线、面填色PatchFill在editor内输入下列命令“patch_eg.m”%2-dpatchx=[0110];y=[0011];subplot(3,3,1:3)plot(x,y)patch(x,y,'b')patch([010],[001],'r')%3-dpatchx=[011000;110011;110011;011000];y=[001100;011000;011011;001111];z=[000001;000001;111101;111101];subplot(3,3,[4578])plot3(x,y,z)xlabel('x','fontweight','bold');ylabel('y','fontweight','bold');zlabel('z','fontweight','bold');fill3(x,y,z,'y')patch(x(:,1),y(:,1),z(:,1),'g')Eg5-17Eg5-17网格图：mesh(x,y,z,c)、mesh(x,y,z)、mesh(z)、mesh(z,c)、meshhc、meshz曲面图：surf(x,y,z,s)、surf(x,y,z)、surf(z)、shading、surface、5.3.3网格图和曲面图Eg5-18Eg5-19%编辑脚本文件如下，存为“mesh_eg.m”，[x,y,z]=peaks(40);subplot(221)mesh(x,y,z)title('mesh','fontsize',20,'color','r')subplot(222)meshc(x,y,z)title('mesh','fontsize',20,'color','b')subplot(223)meshz(x,y,z)title('mesh','fontsize',20,'color','k')subplot(224)[x,y]=meshgrid([-3:0.2:3]);z=peaks(x,y);mesh(x,y,z);title('mesh','fontsize',20,'color','m')holdonplot3(x,y,z,'x','Markersize',5)Eg5-18%编辑脚本文件如下，存为“surf_eg.m”，subplot(331)surf(peaks)title('surforshadingfaceted','fontsize',20,'color','r')subplot(332)surf(peaks)shadingflattitle('surfandshadingflat','fontsize',20,'color','b')subplot(333)surf(peaks)shadinginterptitle('surfandshadinginterp','fontsize',20,'color','m')subplot(334)surfc(peaks)title('surfc','fontsize',20,'color','k')Eg5-19subplot(335)surfl(peaks)title('surfl','fontsize',20,'color','g')shadinginterpsubplot(336)mesh(peaks)surface(peaks)title('surface','fontsize',20,'color','r')subplot(337)surface(peaks)title('surface','fontsize',20,'color','b')subplot(338)waterfall(peaks)title('waterfall','fontsize',20,'color','b')Contour(z)Contour(x,y,z)Contour(z,n)Contour(x,y,z,n)Contour(z,v)Contour(x,y,z,v)[c,h]=Contour(…)5.3.4等高线图形contour和contour3Eg5-20%编辑脚本文件如下，存为“contour_eg.m”，subplot(221)contour(peaks)title('contour','fontsize',20,'color','r')subplot(222)contour3(peaks)title('contour3','fontsize',20,'color','b')subplot(223)[c,h]=contour(peaks)clabel(c,h)title('clabel','fontsize',20,'color','m')subplot(224)contourf(peaks,16)title('contourf','fontsize',20,'color','b')Eg5-20视角改变：默认的三维视角方向仰角为30°，方位角为-37.5°；默认的二维图形方向仰角为90°，方向角为0°。视角即我们观察图形的方向，函数view可改变所有类型的二维和三维图形的图形视角。曲面裁剪：曲面图不能做成透明状，所以要裁剪需要将裁剪处的数据置为Nan来实现。5.3.5视角改变和曲面裁剪Eg5-21%编辑脚本文件如下，存为“view_eg.m”，subplot(221)surf(peaks)subplot(222)surf(peaks)view(90,0)%equaltoview([90,0])subplot(223)surf(peaks)view([1,5,6])[X,Y,Z]=peaks(30);x=X(1,:);y=Y(:,1);i=find(y>-.1&y<1.8);j=find(x>-0.6&x<1);Z(i,j)=nan*Z(i,j);subplot(224)surf(X,Y,Z)Eg5-215.4高维可视化Slice函数用不同的颜色绘制三元函数的空间分布片状图，实现一般定义在xyz坐标系上的四维可视化。Eg5-22%编辑脚本文件如下，存为“slice_eg.m”，[x,y,z]=meshgrid(-2:.2:2,-2:.25:2,-2:.16:2);v=x.*exp(-x.^2-y.^2-z.^2);xslice=[-1.2,.8,2];yslice=2;zslice=[-2,0];slice(x,y,z,v,xslice,yslice,zslice)colormap

hsv5.5色彩处理多数时候，仅靠一个简单的二维和三维图形不能一次性显示出想要提供的信息，此时可以通过颜色的变化来进一步描述图形特征（提供一附加的“维数”）。Matlab提供了大量的颜色工具，可丰富图形表示，增加图形可读性。5.5.1颜色映象原理对于复杂图象，matlab提供了一种任意颜色设置的方式：颜色映象（RGB——红绿蓝）。颜色映象即将RGB这三种颜色按照不同的比例进行组合形成新的颜色，其结构为n*3的矩阵，矩阵元素值在0～1之间变化，一行值即表示一种颜色，如(100)为红色，(010)为绿色等等。常见的颜色RGB值见P177表5-4。Matlab提供了多种常见的颜色映象（一个颜色映象定义了绘制图形的调色板），如Hsv、hot、cool等，见表5-5。5.5.2颜色映象的应用基本着色技术1）变址色彩法(indexedcoloring)：将每个数据点变换成色图中的某索引号，使数据点在具体的色图中获得该索引号所代表的一种颜色；然后依据这些数据点颜色，由shading模式推出其他点的用色。2）真彩法(truecoloring)：每个数据点直接采用RGB指定颜色。曲面的其他点颜色，与1）同进行shading处理。接受颜色参量的绘图函数中的颜色参量常用方式：字符串，如‘r’代表红色等；三维行向量，如’color’,[010]代表绿色；矩阵：colormap(M)颜色映象的直观显示

观察颜色映象矩阵元素值：cool(x)，x为颜色映象的行数Rgbplot函数：直接将映象矩阵中3列数用红绿蓝绘制出来Pcolor函数：绘制伪彩色图（使用的色彩用于表示数据的大小，而不是自然色彩）。Colorbar函数：在图形窗口中显示当前颜色条。颜色映象的建立和修改

颜色映象即为一矩阵，可采取矩阵操作方式进行任意操作。1）brigten函数：调整一个给定的颜色映象来增加或减少暗色的强度2）用户自定义颜色映象：采用m*3的矩阵可以建立自己的颜色映象3）caxis函数：用于设置伪彩色的缩放比例。5.5.3图象显示技术

在matlab中图象通常由数据矩阵和色彩矩阵组成，根据图象着色方法的不同，将图象分为：变址图象(indexedimage)、强度图象(intensityimage)、真彩或RGB(truecolororRGBimage)。图象的读写imread(filename,fmt)：注意使用单引号[x,y]=imread(filename,fmt):将图象数据保存至x矩阵中，将颜色映象保存至y中；Imwrite(filename.fmt)，注意使用单引号，将图象输出成指定名称格式的图片。

Eg5-23>>a=imread('people.jpg');>>size(a)ans=160012003>>a=imread('people','jpg');>>a=imread('people.jpg','jpg');>>imwrite('people.jpg',‘bmp');三种方式结果一样Eg5-23Matlab可以处理多种格式的图象：jpg、tiff、bmp、png、hdf、pcx、xwd等。2图象的显示Image(A)：其中A为定义了的图象变量名或图象名称或矩阵。命令窗口输入：a=imread('people','jpg');image(a)axisimage

size(a)ans=160012003或者image(imread('people','jpg'))5.6光源位置和材质处理为使图形更逼真，可对光源和反射表面材质进行设置。建立光源Camlight：根据照相机的位置建立或定位光源Lightangle：在球坐标系中设置光源

Light：建立光源对象设置光照模式Lighting有四种模式：flat均匀洒落在每个曲面上Gouanund：PhongNone：关闭所有光源材质处理Material：四种模式ShinyDullMetaldefault5.7句柄图形句柄图形(handlegraphics)是一种面向对象的绘图系统中的概念。所有图形操作都是针对图形对象的，图形对象是图形系统中最基本、最低层的图元。一幅图的每一组成部分都是一个对象，每一个对象都有一系列句柄和它相关，可对这些句柄按需进行属性修改。每个具体对象都有自己的ID，即句柄，它是存取图形对象唯一的规范识别符号，不同对象的句柄不能重复和混淆。每个计算机根对象都只有一个，即屏幕，它的句柄数总是为0；而我们常说的图形窗口——图(figurewindow)的句柄总是正整数，用来标志图形窗口的序号。除了根对象和图形对象外，其他对象的句柄（如菜单、轴、线等）都是双精度浮点数，见图5-41。建立图形对象的函数，详见P188页5-8。可以对句柄对象进行访问以及修改，句柄实际上是每一个对象的数组标志。Eg5-24可有n个figureparentson可对这些子对象进行查看和修改在命令窗口输入exno32得到例5-9的图形，此时该图形的句柄为“1”，使用get(1)命令查看句柄属性如下：>>get(1)

Alphamap=[(1by64)doublearray]

BackingStore=on

CloseRequestFcn=closereq Color=[0.80.80.8]

Colormap=[(64by3)doublearray]

CurrentAxes=[151.001]

CurrentCharacter=

CurrentObject=[151.001]

CurrentPoint=[203200]

DockControls=on

DoubleBuffer=on

FileName=

FixedColors=[(10by3)doublearray]

IntegerHandle=on

InvertHardcopy=on

KeyPressFcn=

MenuBar=figure

MinColormap=[64] Name=

NextPlot=add

NumberTitle=on

PaperUnits=centimeters

PaperOrientation=portrait

PaperPosition=[0.6345176.3451720.304615.2284]

PaperPositionMode=manual

PaperSize=[20.98429.6774]

PaperType=A4 Pointer=arrow

PointerShapeCData=[(16by16)doublearray]

PointerShapeHotSpot=[11] Position=[849234560420] Renderer=painters

RendererMode=auto Resize=on

ResizeFcn=

SelectionType=normal

ShareColors=on

ToolBar=auto Units=pixels

WindowButtonDownFcn=

WindowButtonMotionFcn=

WindowButtonUpFcn=

WindowStyle=normal