Matlab知识之2：绘图与可视化

一、什么是图形对象与图形句柄

图形窗口、线条、曲面和注释等都被看作是MATLAB中的图形对象，所有这些图形对象都可以通过一个被称为“句柄值”的东西加以控制，例如可以通过一个线条的句柄值来修改线条的颜色、宽度和线型等属性。这里所谓的“句柄值”其实就是一个数值，每个图形对象都对应一个唯一的句柄值，它就像一个指针，与图形对象一一对应。例如可以通过命令h = figure返回一个图形窗口的句柄值。

二、二维绘图

1、基本二维绘图函数

MATLAB 中提供了plot，loglog，semilogx，semilogy，polar，plotyy 等6个非常实用的基本二维绘图函数，下面重点介绍plot函数的用法。

1）plot函数

plot(Y)

plot(X,Y)

plot(X1,Y1, X2,Y2,...)

plot(X1,Y1,LineSpec,...)

plot(...,'PropertyName',PropertyValue,...)

plot(axes_handle,...)

h = plot(...)

hlines = plot('v6',...)

2）loglog函数：双对数坐标绘图

>> x = logspace(-1,2);
>> loglog(x,exp(x),'-s')
>> grid on
% 为X轴，Y轴加标签
>> xlabel('X');  ylabel('Y');

3）semilogx，semilogy函数：半对数坐标绘图

>> x = 0 : 0.1 : 10;
>> semilogy(x, 10.^x)
>> xlabel('X');  ylabel('Y');

4）polar函数：极坐标绘图

>> t = 0 : 0.01 : 2*pi;
>> polar(t, sin(2*t).*cos(2*t),'--r')

5）plotyy函数：双纵坐标绘图

>> x = 0:0.01:20;    
>> y1 = 200*exp(-0.05*x).*sin(x);  
>> y2 = 0.8*exp(-0.5*x).*sin(10*x);  
>> ax = plotyy(x,y1,x,y2,'plot');  xlabel('X');
>> set(get(ax(1),'Ylabel'),'string','Left  Y');    
>> set(get(ax(2),'Ylabel'),'string','Right  Y');

2、二维图形修饰和添加注释

hold 函数：开启和关闭图形窗口的图形保持功能

axis 函数：设置坐标系的刻度和显示方式

grid 函数：为当前坐标系添加网格

title 函数：为当前坐标系添加标题

xlabel 和 ylabel 函数：为当前坐标轴添加标签

text 函数：在当前坐标系中添加文本对象（ text 对象）

gtext 函数：在当前坐标系中交互式添加文本对象

legend 函数：在当前坐标系中添加 line 对象和 patch 对象的图形标注框

annotation 函数：在当前图形窗口建立注释对象（ annotation 对象）

示例：

【例】绘制曲线并添加曲线方程。

>> a = [-19.6749   22.2118    5.0905];
>> fun = @(a,x)[a(1)+a(2)/2*(x-0.17).^2+a(3)/4*(x-0.17).^4];
>> x = 0:0.01:1;
>> y = fun(a, x); 
>> plot(x,y);    
>> xlabel('X');  ylabel('Y = f(X)'); 
>> text('Interpreter','latex',...
     'String',['$$-19.6749+\frac{22.2118}{2}(x-0.17)^2'...
        '+\frac{5.0905}{4}(x-0.17)^4$$'],'Position',[0.05, -12],...
     'FontSize',12);

3、常用统计绘图函数

示例：

>> subplot(3, 3, 1);
>> f = @(x)200*sin(x)./x;
>> fplot(f, [-20 20]);
>> title('y = 200*sin(x)/x');  
>> subplot(3, 3, 2);
>> ezplot('x^2 + y^2 = 1', [-1.1 1.1]);   
>> axis equal;    
>> title('单位圆');
>> subplot(3, 3, 3);
>> ezpolar('1+cos(t)'); 
>> title('心形图');
>> subplot(3, 3, 4);
>> x = [10  10  20  25  35]; 
>> name = {'赵', '钱', '孙', '李', '谢'};    
>> explode = [0 0 0 0 1]; 
>> pie(x, explode, name) 
>> title('饼图');
>> subplot(3, 3, 5);
>> stairs(-2*pi:0.5:2*pi,sin(-2*pi:0.5:2*pi)); 
>> title('楼梯图');
>> subplot(3, 3, 6);
>> stem(-2*pi:0.5:2*pi,sin(-2*pi:0.5:2*pi)); 
>> title('火柴杆图');
>> subplot(3, 3, 7);
>> Z = eig(randn(20,20));    
>> compass(Z); 
>> title('罗盘图');
>> subplot(3, 3, 8);
>> theta = (-90:10:90)*pi/180; 
>> r = 2*ones(size(theta)); 
>> [u,v] = pol2cart(theta,r);    
>> feather(u,v); 
>> title('羽毛图');
>> subplot(3, 3, 9);
>> t = (1/16:1/8:1)'*2*pi;
>> fill(sin(t), cos(t),'r');    
>> axis square;   title('八边形');

三、三维绘图

1、常用三维绘图函数

示例1：用plot3函数绘制三维螺旋线。

>> t = linspace(0, 10*pi, 300);    
>> plot3(20*sin(t), 20*cos(t), t, 'r', 'linewidth', 2);    
>> hold on    %图形保持
>> quiver3(0,0,0,1,0,0,25,'k','filled','LineWidth',2); 
>> quiver3(0,0,0,0,1,0,25,'k','filled','LineWidth',2); 
>> quiver3(0,0,0,0,0,1,40,'k','filled','LineWidth',2); 
>> grid on
>> xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z');    
>> axis([-25 25 -25 25 0 40]);    
>> view(-210,30);

示例2：绘制三维曲面 的等高线图和梯度场。

>> [X,Y] = meshgrid(-2:.2:2);        
>> Z = X.*exp(-X.^2 - Y.^2);         
>> [DX,DY] = gradient(Z,0.2,0.2);    
>> contour(X,Y,Z) ;                  
>> hold on ;                         
>> quiver(X,Y,DX,DY) ;               
>> h = get(gca,'Children');          
>> set(h, 'Color','k');

示例3：绘制三维饼图、三维柱状图、三维火柴杆图、三维填充图、三维向量场图和立体切片图（四维图）.

% 饼图
>> subplot(2,3,1); 
>> pie3([2347,1827,2043,3025]); 
>> title('三维饼图');               

% 柱状图
>> subplot(2,3,2); 
>> bar3(magic(4));
>> title('三维柱状图');  

% 火柴杆图
>> subplot(2,3,3); 
>> y=2*sin(0:pi/10:2*pi); 
>> stem3(y);                       
>> title('三维火柴杆图'); 

% 填充图
>> subplot(2,3,4); 
>> fill3(rand(3,5),rand(3,5),rand(3,5), 'y' );    
>> title('三维填充图'); 

% 三维向量场图
>> subplot(2,3,5); 
>> [X,Y] = meshgrid(0:0.25:4,-2:0.25:2);  
>> Z = sin(X).*cos(Y); 
>> [Nx,Ny,Nz] = surfnorm(X,Y,Z); 
>> surf(X,Y,Z); 
>> hold on; 
>> quiver3(X,Y,Z,Nx,Ny,Nz,0.5); 
>> title('三维向量场图'); 
>> axis([0 4 -2 2 -1 1]); 

% 立体切片图（四维图）
>> subplot(2,3,6); 
>> t = linspace(-2,2,20); 
>> [X,Y,Z] = meshgrid(t,t,t); 
>> 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); 
>> title('立体切片图（四维图）');

2、三维图形的修饰和添加注释

1）绘图色彩

MATLAB中提供了colormap函数，可以根据颜色映像矩阵对图形对象的色彩进行调整。所谓的颜色映像矩阵就是一个 k*3 的矩阵，k行表示有k种颜色，每行3个元素分别代表红、绿、蓝三元色的灰度值，取值均在[0，1]之间。

colormap 函数：

colormap (map) ，设置 map 为当前颜色映像矩阵

colormap ('default') ，恢复当前颜色映像矩阵为默认值

cmap = colormap，获取当前颜色映像矩阵

colormap (ax,…) ，设置当前 axes 对象的颜色映像矩阵

map 的设置有两种，可以人为指定一个元素值均在 [0 ， 1] 之间的的矩阵，也可以用 MATLAB 自带的 17 种颜色映像矩阵。在 MATLAB 命令窗口分别运行 autumn 、 bone 、 colorcube 、 cool 、 copper 、 flag 、 gray 、 hot 、 hsv 、 jet 、 lines 、 pink 、 prism 、 spring 、 summer 、 white 和 winter 函数，就可得到这 17 种颜色映像矩阵.

2）着色方式

shading 函数：

shading flat ，平面着色，同一个小网格面和相应的线段用同一种颜色着色。

shading faceted ，类似于 shading flat ，平面着色，只是网格线都用黑色，这是默认着色方式。

shading interp ，通过颜色插值方式着色。

shading( axes_handle ,…) ，为句柄值为 axes_handle 的坐标系内的图形对象设置着色方式。

3）透明度

利用 alpha 函数 调整透明度

调用：alpha(alpha_data)

说明：alpha_data是一个介于0和1之间的数，alpha_data = 0表示完全透明，alpha_data = 1表示完全不透明，alpha_data 的值越接近于0，透明度越高

通过图形对象的“ FaceAlpha ” 属性调整透明度

调用：set(h,'FaceAlpha',0.25);

说明：h为图形对象句柄，0.25是“FaceAlpha”属性的属性值，由用户随意指定。

示例：三维图形的透视效果

>> figure; 
>> [X,Y,Z] = sphere; 
>> surf(X,Y,Z); 
>> colormap(lines); 
>> shading interp
>> hold on; 
>> mesh(2*X,2*Y,2*Z) 
>> hidden off
>> axis equal
>> axis off 
>> figure; 
>> surf(X,Y,Z,'FaceColor','r');    
>> hold on;
>> surf(2*X,2*Y,2*Z,'FaceAlpha',0.4); 
>> axis equal
>> axis off

4）光源设置与属性调整

light函数

light(' PropertyName ', propertyvalue ,…)

建立一个光源，并设置光源属性（Position、Color和Style）'Position'是位置属性，设置光源位置，其属性值为三个元素的向量[x, y, z]，即光源的三维坐标；'Color'是颜色属性，设置光源颜色，其属性值可以是代表颜色的字符，也可以是由红、绿、蓝三元色的灰度值组成的向量；'Style'是光源类型属性，设置光源类型，其取值为字符串 'infinite' 或 'local'，分别表示平行光源和点光源。

handle = light(…)

建立一个光源，并获取其句柄值handle，之后可以通过get(handle)查看光源的所有属性，也可以通过set(handle, 'PropertyName',propertyvalue,…)设置光源的属性值。

5）光照模式

lighting函数

lighting flat ，产生均匀光照，选择此方法，以查看面对象，是光照模式的默认设置。

lighting gouraud ，计算顶点法线并作线性插值修改表面颜色，选择此方法，以查看曲面对象。

lighting phong ，做线性插值并计算每个像素的反射率来修改表面颜色，选择此方法，以查看曲面对象。此方法比 lighting gouraud 的效果好，但是用于渲染的时间较长。

lighting none ，关掉照明。

6）图形表面对光照反射属性设置

material函数

material shiny ， 使图形对象有相对较高的镜面反射，镜面光的颜色仅取决于光源颜色 。

material dull ， 使图形对象有更多的漫反射，反射光的颜色仅取决于光源颜色 。

material metal ， 使图形对象有非常高的镜面反射和非常低的环境光及漫反射，反射光的颜色取决于光源颜色和图形表面的颜色 。

material([ ka kd ks ])

material([ ka kd ks n])

material([ ka kd ks n sc ]) ，用ka、kd和ks分别设置图形对象的环境光、漫反射和镜面反射的强度，用镜面指数n控制镜面亮点的大小，用sc设置镜面颜色的反射系数。ka、kd、ks、n和sc均为标量，sc的取值介于0和1之间。

material default ， 恢复ka、kd、ks、n和sc的默认值 。

7）视点位置

view函数

view(az,el)，设置三维绘图的视角， az是方位角，el表示相对于xoy平面的仰角。

view([ x,y,z ]) ，设置视点的三维直角坐标 [x, y, z].

view(2) ，设置默认的二维视角， az = 0 ， el = 90.

view(3) ，设置默认的三维视角， az = -37.5 ， el = 30.

view(ax,…) ，设置句柄值为 ax 的坐标系的视角。

view(T) ，用 viewmtx函数生成的4*4的视角转换矩阵作为输入来设置视角。

[ az,el ] = view ，返回当前方向角和仰角。

T = view ，返回一个4*4 的视角转换矩阵。

示例：绘制带光照的花瓶

>> t=0:pi/20:2*pi;
>> [x,y,z]= cylinder(2+sin(t),100); 
>> surf(x,y,z); 
>> xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z'); 
>> set(gca,'color','none'); 
>> shading interp; 
>> colormap(copper); 
>> light('Posi',[-4 -1 0]); 
>> lighting phong; 
>> material metal; 
>> hold on;
>> plot3(-4,-1,0,'p','markersize', 18); 
>> text(-4,-1,0,'光源','fontsize',14,'fontweight','bold');

绘制一个透明的立方体盒子，里面放红色、蓝色和黄色三个球。

>> vert = [0 0 0;0 200 0;200 200 0;200 0 0;0 0 100;0 200 100;200 200 100;200 0 100];
>> fac = [1 2 3 4;2 6 7 3;4 3 7 8;1 5 8 4;1 2 6 5;5 6 7 8]; 
>> view(3); 
>> h = patch('faces',fac,'vertices',vert,'FaceColor','g');
>> set(h,'FaceAlpha',0.25); 
>> hold on;
>> [x0,y0,z0] = sphere; 
>> x = 30 + 30*x0; y = 50 + 30*y0; z = 50 + 30*z0;
>> h1 = surf(x,y,z,'linestyle','none','FaceColor','r','EdgeColor','none');
>> x = 110 + 30*x0; y = 110 + 30*y0; z = 50 + 30*z0;
>> h2 = surf(x,y,z,'linestyle','none','FaceColor','b','EdgeColor','none');
>> x = 110 + 30*x0; y = 30 + 30*y0; z = 50 + 30*z0;
>> h3 = surf(x,y,z,'linestyle','none','FaceColor','y','EdgeColor','none');
>> lightangle(45,30); 
>> lighting phong; 
>> axis equal; 
>> xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z');

四、图形打印输出

1、图形复制

1）图形窗口->编辑菜单栏“”复制选项“”->图窗复制模板->文档或演示文稿

2）Matlab命令

print 函数

调用格式：

print

print('argument1','argument2',...)

print(handle,'filename')

print argument1 argument2 ... argumentn

[pcmd,dev] = printopt

%调用print函数复制图形到剪贴板
>> h = figure; 
>> ezplot('sin(x) ',[0,2*pi]); 
>> print(h, '-dmeta') 


%调用print函数保存图形。
>> h = figure; 
>> ezplot('sin(x) ',[0,2*pi]); 
>> print(h, '-djpeg', '示例1.jpg') 

%调用print函数打印图形
>> x = 0 : 0.25 : 2*pi; 
>> y = sin(x);
>> h = plot(x, y); 
>> print; 
>> print -dmeta
>> print -djpeg heping.jpg

%【注】当MATLAB中同时打开多个图形窗口（Figure对象）时，还可利用如下命令对第 i 个图形窗口中的图形进行打印操作：
>> print -dmeta -fi

>> print -djpeg -fi filename

>> print -fi

hgexport 函数

调用格式：

hgexport ( h,filename )

把句柄值为h的图形窗口中的图形写入默认的eps格式文件。filename为字符串，用来指明文件名和保存路径，如果不指明保存路径，图形默认保存到MATLAB当前文件夹。

hgexport (h,'-clipboard')

把句柄值为h的图形窗口中的图形复制到Windows剪贴板。

%调用hgexport函数复制图形到剪贴板
>> h = figure; 
>> ezplot('sin(x) ',[0,2*pi]); 
>> hgexport(h, '-clipboard'); 

%调用hgexport函数保存图形
>> h = figure; 
>> ezplot('sin(x) ',[0,2*pi]); 
>> hgexport (h, '示例.eps')

saveas 函数

调用格式：

saveas (h,' filename.ext ')

把句柄值为h的图形或句柄值为h的Simulink模块图保存为文件filename.ext。文件格式取决于文件的扩展名ext。

saveas ( h,'filename','format ')

把句柄值为h的图形或句柄值为h的Simulink模块图按指定格式保存为文件filename。参数'format'是字符串，用来指明文件扩展名，

%调用saveas函数保存图形。
>> h = figure; 
>> ezplot('sin(x) ',[0,2*pi]); 
>> saveas (h, '示例2.jpg')

五、质点运动轨迹动画

1、comet函数

调用格式：

comet(y)

显示质点绕着向量y的二维动画轨迹

comet( x,y )

显示质点绕着向量y与x的二维动画轨迹

comet( x,y,p )

用输入参数 p 定义轨迹尾巴线的长度

comet( axes_handle ,...)

在句柄值为axes_handle的坐标系中显示动画

2、comet3函数

调用格式：

comet3(z)

显示质点绕着向量z的三维动画轨迹

comet3( x,y,z )

显示质点绕着向量x 、y与z的三维动画轨迹

comet( x,y,z,p )

用输入参数 p 定义轨迹尾巴线的长度

comet( axes_handle ,...)

在句柄值为axes_handle的坐标系中显示动画

>> t = linspace(0, 10*pi, 1000); 
>> x = 20*sin(t);
>> y = 20*cos(t);
>> z = t;
>> comet3(x,y,z)

六、霓虹闪烁动画

1. spinmap函数

调用格式：

spinmap ，旋转颜色映像约 5 秒钟；

spinmap (t) ，旋转颜色映像约 t 秒钟，具体时间取决于硬件；

spinmap ( t,inc ) ，旋转颜色映像约 t 秒钟，并设置增量参数 inc ，该参数用来调整闪烁频率；

spinmap (‘ inf ’) ，不限时旋转颜色映像，若需终止，请按 Ctrl+C 键。

七、 电影动画

MATLAB 中提供了 getframe 函数和 movie 函数，用来制作电影动画。其中 getframe 函数用来抓取图形对象作为电影的帧， movie函数 用来播放电影动画。

1. getframe 函数

调用格式：

getframe

返回一个电影帧，它是当前坐标系或图形窗口的快照

F = getframe

抓取当前坐标系作为一帧

F = getframe (h)

抓取句柄值为h的图形对象作为一个电影帧

F = getframe ( h,rect )

抓取句柄值为h的图形对象的指定区域作为一个电影帧，rect是形如[左边距，下边距，宽度，高度]的向量，用来设定抓取区域

2. movie函数

调用格式：

movie(M)

在当前坐标系中只播放一次由矩阵M所保存的电影

movie(M,n)

播放n次，若n为负数，则倒着循环播放，若n为向量，第一个元素为播放次数，后续元素为帧序号

movie(M,n,fps)

每秒播放fps帧，播放n次，默认每秒12帧

movie(h,...)

在句柄值为h的图形窗口或坐标系中播放电影

movie(h,M,n,fps,loc)

在句柄值为h的图形窗口或坐标系的指定位置播放电影。 M,n,fps的说明同上。loc是4个元素的向量[x y 0 0]，x和y用来设定帧的左下角在图形窗口或坐标系的位置，单位为像素

%一颗跳动的红心。

>> x = linspace(-2,2,100); 
>> [X,Y,Z] = meshgrid(x,x,x); 
>> V = (X.^2+9/4*Y.^2+Z.^2-1).^3-X.^2.*Z.^3-9/80*Y.^2.*Z.^3; 
>> p = patch(isosurface(X,Y,Z,V,0)); 
>> set(p, 'FaceColor', 'red', 'EdgeColor', 'none'); 
>> view(3);  axis equal ;  axis off;
>> light('Posi',[0 -2 3]); 
>> lighting phong
>> set(gca,'nextplot','replacechildren'); 
>> XX = get(p,'XData'); YY = get(p,'YData');  ZZ = get(p,'ZData');  
>> for j = 1:20 
       bili = sin(pi*j/20); 
       set(p,'XData',bili*XX,'YData',bili*YY,'ZData',bili*ZZ)    
       F(j) = getframe; 
   end
>> movie(F,10)

八、录制AVI格式视频动画

MATLAB中提供了avifile函数，用来把getframe函数抓取的电影帧录制为AVI格式视频动画。利用MATLAB录制AVI格式视频动画的步骤依次如下：

调用 avifile 函数先创建一个空白的 avifile 文件。

绘制视频的每一个帧所对应的图形。

调用 getframe 函数抓取当前图形窗口或坐标系中的图片。

调用 addframe 函数把抓取的图片添加到 avifile 文件中。

调用 close 函数关闭 avifile 文件。

示例： 录制空间曲线

绕Z轴旋转生成旋转面的 AVI 格式视频动画。

mov = avifile('旋转面.avi');
y = 1:0.01:2;
z = 3*(y-2).^2;
x = zeros(size(y));
theta = [pi/2,pi/2:pi/20:2.5*pi];
figure;
h = plot3(x,y,z,'k','LineWidth',2);
hold on
quiver3(0,0,0,1,0,0,3,'k','filled','LineWidth',2);
quiver3(0,0,0,0,1,0,3,'k','filled','LineWidth',2);
quiver3(0,0,0,0,0,1,4,'k','filled','LineWidth',2);
text(0,-0.5,4,'Z') 
text(0,3.2,0.3,'Y')
text(3.2,0,0.3,'X')
axis equal
axis([-2,2,-2,2,0,4])
axis off
view(145,30);
title('空间曲线绕Z轴生成旋转面','fontsize',12,'fontweight','bold')
for i = 1:length(theta)-1
    [r,alpha1] = meshgrid(y,linspace(theta(i),theta(i+1),10));
    zz = repmat(z,10,1);
    xx = r.*cos(alpha1);
    yy = r.*sin(alpha1);
    surf(xx,yy,zz);
    shading interp
    set(h,'XData',xx(end,:),'YData',yy(end,:),'ZData',zz(end,:))
    drawnow;
    pause(0.05)
    F = getframe(gcf);
    mov = addframe(mov,F);
end
hold off
mov = close(mov);

九、GIF 动画

MATLAB中制作GIF动画要用到getframe、frame2im、rgb2ind和imwrite函数，getframe函数用来抓取当前图形窗口或坐标系中的图像，frame2im函数和rgb2ind函数用来将抓取的图像转为索引图像，imwrite函数用来将索引图像写入GIF格式动画。

注意：imwrite函数不能将真彩图像（RGB图像）写入GIF格式动画，必须先将真彩图像转为索引图像或灰度图像，然后才能写入。

%制作小球绕螺旋线运动的GIF格式动画。

>> filename = 'Ball.gif'; 
>> t = linspace(0, 10*pi, 100); 
>> x = [20*sin(t),zeros(1,10)]; 
>> y = [20*cos(t),20*ones(1,10)]; 
>> z = [t,linspace(10*pi,0,10)]; 
>> plot3(x, y, z, 'r', 'linewidth', 2); 
>> hold on
>> h = plot3(0,20,0, '.' , 'MarkerSize' ,40, 'EraseMode' , 'xor' );
>> xlabel('X'); ylabel('Y'); zlabel('Z');
>> axis([-25 25 -25 25 0 40]); 
>> view(-210,30); 
>> for i = 1:length(x)
    set(h, 'xdata' ,x(i), 'ydata' ,y(i), 'zdata' ,z(i));     
    drawnow; 
    pause(0.05) 
    f = getframe(gcf);
    [IM,map] = frame2im(f); 
    if isempty(map)
        [IM,map] = rgb2ind(IM,256); 
    end
    if i == 1
        imwrite(IM,map,filename,'gif', 'Loopcount',inf,'DelayTime',0.1);
    else
        imwrite(IM,map,filename,'gif','WriteMode','append','DelayTime',0.1);
    end
end