第10章 三维数据可视化

1．柱面图 在MATLAB中，可以通过函数cylinder( )产生柱面图的数据 ，然后采用函数mesh( )方便的绘制出三维旋转体。 2．球面图 在MATLAB中，可以通过函数sphere( )绘制球面图。该函 数的调用格式为： [X, Y, Z]=sphere(N)：该函数产成3个(N+1)*(N+1)的矩阵， 利用函数surf(X, Y, Z)可产生单位球面。 [X,Y,Z]=sphere：该函数产生3个的矩阵，默认值。 sphere(N)：该函数只绘制球面图而不返回任何值。 3．三维等高线图 在MATLAB中，可以通过函数contour3( )绘制三维等高线 图。该函数的调用格式和绘制二维等高线的函数 contour( )非常相近，用户可以在命令行窗口输入：help contour3查询该函数的详细使用方法。
10.3.3 光照效果
1．函数light( ) 在MATLAB中，可以给图形添加光照效果，利用函数light( )建立光源，该函数的调用格式为： light：该函数给当前的图形添加光源，光源对象的属性值都 是系统默认的。 light(Prarm1, Value1, …, ParamN, ValueN)：该函数给参 数Parm1赋值为Value1，以此类推，设置光源对象的各 个属性值。 L=light(…)：该函数返回光源对象的句柄。获取句柄后，可 以通过函数get( )和set( )获取和设置属性值。
10.3.2 色彩控制
除了真彩色，还可以采用色图着色。在MATLAB中内置了 很多的色图函数 。
10.3.2 色彩控制
1. 在MATLAB中，可以采用函数rgbplot( )绘制色图。 2. 采用函数colorbar( )给当前的图形窗口添加颜色条，显示 当前坐标轴的色图。 3. 采用函数brighten( )增亮或变暗图形的色图。 4. 利用函数caxis( )控制颜色轴的刻度，数值和颜色的对应 关系以及颜色的显示范围等。 5.采用函数shading( )控制曲面图形的着色方式，该函数用 于三维网格图、三维曲面图和三维填充图。 6.采用函数colordef( )设置图形的背景颜色。
10．三维填充图 在MATLAB中，采用函数fill3( )绘制三维填充图，该函数的调 用格式和二维填充图函数fill( )基本相同。用户可以在 MATLAB的命令行窗口输入：help fill3查询该函数的详细介 绍。 11．三维彩带图 在MATLAB中，采用函数ribbon( )绘制三维彩带图，该函数的 调用格式为： ribbon(X, Y)：该函数绘制三维彩带图，和函数plot( )类似。 ribbon(Y)：该函数绘制三维彩带图，X默认为X=1:size(Y,1)。 ribbon(X, Y, width)：该函数绘制三维彩带图，采用参数width 设置线条的宽度。
10.1.3 三维曲面图
在MATLAB中，采用函数surf( )绘制三维曲面图。该函数的调 用格式为：surf(X, Y, Z, c)：该函数绘制彩色的三维曲面图 ，其中矩阵X和Y控制x轴和y轴，矩阵Z为z轴数据，图形的 颜色采用参数c设置。 在MATLAB中采用函数surfc( )绘制带有等高线的三维曲面图, 通过函数surfl( )添加三维曲面的光照效果， 调用方式和 surf( )相同。
10.3.1 设置视角
在MATLAB中，采用函数rotate3D( )设置图形的三维视角， 该函数的调用格式为： rotate3d on或rotate3d(‘on’)：该函数打开图形的三维视角， 可以方便的用鼠标来控制视角的变化，并进行图形的实时 更新。 rotate3d off或rotate3d(‘off’)：该函数关闭图形的三维视角功 能。 rotate3d：该函数在rotate3d on和rotate3d off间进行切换。 在利用函数mesh( )绘制三维网格图时，默认情况下隐藏三维 图形中被遮挡的部分。可以采用函数hidden( )显示图形的 透视效果，
10.1.2 三维曲线图
在MATLAB中，利用函数plot3( )绘制三维曲线图，该函数的 调用格式为： plot3(x, y, z)：该函数绘制三维曲线，参数x、y和z是有相同 的维数的向量。 plot3(X, Y, Z)：该函数中参数X、Y和Z为具有相同维数的矩阵 ，将参数X、Y和Z的每一列绘制一条曲线，同时绘制多条曲 线。 plot3(X, Y, Z, s)：该函数和二维绘图函数plot( )类似，可以设 置曲线的线型和颜色等信息，以及数据点的标记等。
10.1.4 特殊三维绘图
4．三维柱状图 在MATLAB中，采用函数bar3( )绘制三维柱状图，该函数 的调用格式和函数bar( )非常相近。用户可以在命令行窗 口输入：help bar3来查看该函数的详细介绍。此外，还 可以采用bar3h( )绘制水平三维柱状图，该函数的调用方 式和函数bar3( )相同。 5．三维饼状图 在MATLAB中，采用函数pie3( )绘制三维饼状图，该函数的 调用格式和二维饼状图绘图函数pie( )基本相同。如果用 户需要查看函数pie3( )的详细使用情况，可以在命令行窗 口输入：help pie3。 6．三维散点图 在MATLAB中，采用函数scatter3( )绘制三维散点图，该函 数的调用格式和二维散点图函数scatter( )非常相近。如 果用户需要查看函数scatter3( )的详细使用情况，可以在 命令行窗口输入：help scatter3。
10.1.6 创建三维片块模型
在MATLAB中，采用函数patch( )绘制三维片块图，该函数 的调用格式为： patch(X, Y, Z)：该函数创建有参数X、Y和Z为顶点的空间 多边形。 patch(X, Y, Z, C)：该函数中参数C用于设定颜色。
10.2 三维隐函数绘图
在MATLAB中，有一些简易绘制三维图形的函数，可以绘制 隐含数的三维图形，这些函数如表10.1所示。下面对这些 函数分别进行介绍。
10.3 三维图形显示
在MATLAB中，三维图形绘制结束后，还需要对三维图形的 显示进行控制，主要包括设置视角、颜色设置、光照设置 和Camera设置等，这些都是为了方便用户更加清楚的观 看三维图形。
10.3.1 设置视角
对于三维图形，从不同的视角查看会得到不同的侧面和结果。 在MATLAB中，采用函数view( )设置三维图形的视角，该 函数的调用格式为： view(az, el)或view([az, el])：该函数设置视角的位置，在方 位角为az和仰角为el，它们都以度为单位。 view([x, y, z])：该函数设置视角为向量[x, y, z]所指的方向。 view(2)：该函数为默认的二维视角。 view(3)：该函数为默认的三维视角。 [az, el]=view：该函数返回当前的视角az和el。
2．函数lighting( ) 在MATLAB中，利用函数lighting( )设置光源的模式，该函数的调 用格式为： lighting flat或lighting(‘flat’)：该函数设置光源模式为flat，即平面 模式，以网格为光照的基本单元。该模式为系统默认的模式。 lighting gouraud或lighting(‘gouraud’)：该函数设置光源模式为 gouraud，即点模式，以像素为光照的基本单元。 lighting phong或lighting(‘phong’)：该函数设置光源模式为 phong，以像素为光照的基本单元，并考虑了各点的反射。 lighting none或lighting(‘none’)：关闭光照效果。
第10章 三维数据可视化
在MATLAB中，三维图形包括三维曲线、三维网格图和三维曲 面图，分别采用函数plot3( )、函数mesh( )和surf( ) 进行绘制。本章还将介绍一些特殊的三维图形绘制，重点 讲解三维图形的视角、色彩和光照等控制工具，以及图形 的打印和输出等。下面分别进行介绍。
10.1 创建三维图形
10.1.3 三维曲面图
在MATLAB中，采用函数meshgrid( )产生平面区域内的网格 坐标矩阵。 在MATLAB中，采用函数mesh( )绘制三维网格图，该函数将 曲面上的点用线条连接起来，网格对应的曲面区域则显示 为空白。该函数的调用格式为：mesh(X, Y, Z, c)：该函数 绘制彩色的三维网格图，其中矩阵X和Y控制x轴和y轴，矩 阵Z为z轴数据，图形的颜色采用参数c设置。 在MATLAB中，采用函数meshc( )绘制带有等高线的三维网 格图，采用函数meshz( )绘制带有底座的三维网格图。这 两个函数的用法与函数mesh( )类似。 此外，还可以采用函数waterfall( )绘制三维网格图。
在实际的工程计算中，经常需要将结果表示成三维图形，下 面介绍如何利用MATLAB创建三维图形，包括三维曲线 图、三维曲面图和特殊三维图形等，以及非网格数据三维 绘图等。
10.1.1 三维图形概述
MATLAB语言提供了三维绘图功能，这些功能与二维图形的绘 制有很多的相似之处，例如曲线的属性设置完全相同。最常 用的三维绘图包括三维曲线图、三维网格图和三维曲面图等 。完整的三维绘图流程，通常包括绘图的数据，设置图形窗 口，图形的视角、颜色和光照等效果，以及坐标轴和图形标 注的设置等。
10.1.5 非网格数据绘图
在MATLAB中，采用函数mesh( )和surf( )绘图时，要求数 据时均匀分布的网格数据。如果数据不是网格数据，可以 采用函数meshgrid( )创建插值的网格数据。 ZI=griddata(X, Y, Z, XI, YI)：该函数中采用数据X、Y和Z建 立插值函数Z=F(X, Y)，然后计算数据(XI, YI)处的插值结 果ZI。 ZI=griddata(X, Y, Z, XI, YI, method)：该函数中采用参数 method设置插值的算法，可以为：‘linear’为线性插值 算法，系统的默认值；‘cubic’为三次插值，‘nearest’ 为临近点插值等。
10.3.2 色彩控制