matlab 第六章 数据和函数的可视化.docx
《matlab 第六章 数据和函数的可视化.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《matlab 第六章 数据和函数的可视化.docx（60页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
matlab第六章数据和函数的可视化
内容简介
本书由纸质媒体和电子媒体有机结合而成。
纸质媒体便于读者进行系统、全面、长时间连续地阅读，便于随心的翻阅、浏览；而电子媒体向读者提供色彩信息、动态交互的软件环境，提供读者实践本书内容所需的各种文件。
本书第一章系统讲述MATLAB6.5的集成工作平台，引导读者初会MATLAB基本用法。
第二、三章系统叙述MATLAB6.1的四大基本数据类型（数值数组、字符串数组、元胞数组、构架数组），至于其它扩展数据类型（函数句柄、符号数据、内联函数、unit数组、稀疏类）则另辟章节专述。
此后，本书用九个独立章分述MATLAB6.5的数值计算、符号计算、函数和数据可视、面向对象编程、GUI交互操作界面设计、EXE独立应用程序生成、实现不同软件平台交互的API、M-book数据图形文字环境集成等八大通用功能。
本书用专门的一章深入浅出地阐明SIMULINK的分层建模、仿真功能、与MATLAB交互的功能。
全书包含390多个计算范例。
所有算例的程序是可靠、完整的。
读者可以在自己的MATLAB环境中完全准确地重现本书所提供的算例结果。
算例的举一反三，将使读者很快掌握要领，从模仿走向灵活应用。
书中正文（包括算例）所涉及的指令全部罗列在附录的“A索引”中，用户很容易根据关键字符找到相关的正文说明和算例应用。
本书随带包含700多个文件的光盘。
光盘文件包含：
可直接在Notebook中运行的全部算例的M-bookDOC文件；可在MATLAB环境中直接运行的算例M和MDL文件；可供读者实践MATLAB编译器及API的所有文件；可在PowrPoint中放映幻灯的PPT文件。
它们不仅有效地提供了纸质媒体所不具备的交互能力和色彩感染力，而且弥补了纸质媒体没有SIMULINK模型源码文件、没有PPT源码文件、没有编译源文件和验证文件的缺陷。
本书既可作为理工科院校研究生、本科生系统学习的教材，又可以作为广大科技工作者掌握和精通MATLAB的自学用书和使用手册。
作者简介
张志涌
1944年出生于无锡；教授，获政府专项津贴，IEEE高级会员，中国电子学会高级会员，江苏省自动化学会理事、网络与系统专委会主委；1967年毕业于清华大学自动控制系，1982年初在上海交通大学获控制理论硕士学位，1989—90年在荷兰王国Eindhoven技术大学研修系统辨识、故障诊断；主持并完成国家自然科学基金、省部基金及科研项目近十项，发表论文50余篇，著作1本。
现主要从事自动控制教学和计算机控制、计算机仿真、故障诊断等研究。
1989年在荷兰用MATLAB3.0研究系统辩识和故障诊断；1992年对MATLAB3.0实现汉化并编写了相应讲义；在1994、95年借助于MATLAB3.5、4.0先后完成国家自然科学基金和国家教委留学生基金课题研究；1996年在省基金支持下从事MATLAB4.2c建立仿真实验室的研究，并于1997年编写出版《掌握和精通MATLAB》；1997年底获原邮电部预研经费资助开始了以MATLAB5.x为工具的智能技术研究。
第六章数据和函数的可视化
视觉是人们感受世界、认识自然的最重要依靠。
数据可视化的目的在于：
通过图形，从一堆杂乱的离散数据中观察数据间的内在关系，感受由图形所传递的内在本质。
MATLAB一向注重数据的图形表示，并不断地采用新技术改进和完备其可视化功能。
本章将系统地阐述：
离散数据表示成图形的基本机理；曲线、曲面绘制的基本技法和指令；特殊图形的生成和使用示例；如何使用线型、色彩、数据点标记凸现不同数据的特征；如何利用着色、灯光照明、反射效果、材质体现和透明度处理渲染、烘托表现高维函数的性状；如何生成和运用标识，画龙点睛般地注释图形；如何显示和转换unit8、unit16、double三种不同数据类型所体现的变址、灰度和真彩图象，如何读写各种标准图象格式文件；如何通过图形窗的交互操作对图形进行修饰、调整；如何打印和输出图形文件。
本章的图形指令只涉及MATLAB的“高层”绘图指令。
这种指令的形态和格式友善，易于理解和使用。
整章内容遵循由浅入深、由基本到高级、由算例带归纳的原则。
所有算例都是运行实例，易于读者实践试验，并从中掌握一般规律。
MATLAB从5.x向6.x版本升级后，旧版中的本章全部内容几乎可以不加修改地用于6.x版。
此外，本章新版为适应升级增加了或改变了如下内容：
●MATLAB从6.0版起，图形对象“面”、“块”、“象”具备了透明属性，进一步增强了计算结果可视化的感染力。
为此，本章专设第6.5.4节，详细阐述透明度处理的机理和指令协调细节。
●在MATLAB升级过程中，专门用于图像数据存储的unit8,unit16数据类型进一步完善。
对此，本章专辟第6.6.3节说明这种数据类型的特点和使用注意事项。
●本章还对升级后的图形窗界面的编辑功能进行了新的全面阐述（见第6.7节）。
引导
离散数据和离散函数的可视化
【例6.1.1-1】用图形表示离散函数
。
n=0:
12;
y=1./abs（n-6）;
plot（n,y,'r*','MarkerSize',20）
gridon
Warning:
Dividebyzero.
图6.1-1
连续函数的可视化
【例6.1.2-1】用图形表示连续调制波形
。
t1=（0:
11）/11*pi;%<1>
y1=sin（t1）.*sin（9*t1）;
t2=（0:
100）/100*pi;%<3>
y2=sin（t2）.*sin（9*t2）;
subplot（2,2,1）,plot（t1,y1,'r.'）,axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图
（1）'）
subplot（2,2,2）,plot（t2,y2,'r.'）,axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图
（2）'）
subplot（2,2,3）,plot（t1,y1,t1,y1,'r.'）
axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图（3）'）
subplot（2,2,4）,plot（t2,y2）
axis（[0,pi,-1,1]）,title（'子图（4）'）
图6.1-2
可视化的一般步骤
绘制二维图形的一般步骤
绘制三维图形的一般步骤
二维曲线绘图的基本操作
plot的基本调用格式
【例6.2.1-1】简单例题，比较方便的试验指令。
t=（0:
pi/50:
2*pi）';k=0.4:
0.1:
1;Y=cos（t）*k;plot（t,Y）
图6.2-1
【例6.2.1-2】用图形表示连续调制波形
及其包络线。
t=（0:
pi/100:
pi）';%<1>
y1=sin（t）*[1,-1];%<2>
y2=sin（t）.*sin（9*t）;%<3>
t3=pi*（0:
9）/9;%<4>
y3=sin（t3）.*sin（9*t3）;plot（t,y1,'r:
',t,y2,'b',t3,y3,'bo'）%<5>
axis（[0,pi,-1,1]）%<6>
图6.2-2
【例6.2.1-3】用复数矩阵形式画Lissajous图形。
（在模拟信号时代，Lissajous图形常用来测量信号的频率。
）
t=linspace（0,2*pi,80）';%<1>
X=[cos（t）,cos（2*t）,cos（3*t）]+i*sin（t）*[1,1,1];%（80x3）的复数矩阵
plot（X）%<3>
axissquare%<4>
legend（'1','2','3'）
图6.2-3
【例6.2.1-4】采用模型
画一组椭圆。
th=[0:
pi/50:
2*pi]';
a=[0.5:
.5:
4.5];
X=cos（th）*a;
Y=sin（th）*sqrt（25-a.^2）;
plot（X,Y）,axis（'equal'）,xlabel（'x'）,ylabel（'y'）
title（'AsetofEllipses'）
图6.2-4
曲线的色彩、线型和数据点形
色彩和线型
数据点形
【例6.2.2.2-1】用图形演示平面上一个方块四个顶点在仿射投影（AffineProjection）下的位置、形状变化。
%
p1=[-0.5,0,1]';p2=[-0.5,1,1]';p3=[0.5,1,1]';p4=[0.5,0,1]';
Sq=[p1,p2,p3,p4,p1];
%
dx=0.5;dy=1;T=[1,0,dx;0,1,dy;0,0,1];
%
th=pi/6;R=[cos（th）,-sin（th）,0;sin（th）,cos（th）,0;0,0,1];
%
alpha=2;beta=3;S=[alpha,0,0;0,beta,0;0,0,1];
E=eye（3,3）;%<10>
TRS={E,T,R,S};%<11>
ss={'r^','rd','rp','rh'};%<12>
tt={'OriginalSquare','Translation','Rotation','Scaling'};
%<13>
fori=1:
4
W=TRS{i}*Sq;%
subplot（2,2,i）
fork=1:
4
plot（W（1,k）,W（2,k）,ss{k}）;%<19>
axis（[-3,3,-1,5]）,axisequal
holdon%<21>
end
plot（W（1,:
）,W（2,:
））%<23>
gridon%
title（tt{i}）%
holdoff%
end
图6.2-5
坐标、刻度和分格线控制
坐标控制
【例6.2.3.1-1】观察各种轴控制指令的影响。
演示采用长轴为3.25，短轴为1.15的椭圆。
注意：
采用多子图表现时，图形形状不仅受“控制指令”影响，而且受整个图面“宽高比”及“子图数目”的影响。
本书这样处理，是出于篇幅考虑。
读者欲想准确体会控制指令的影响，请在全图状态下进行观察。
（图6.2-6）
t=0:
2*pi/99:
2*pi;
x=1.15*cos（t）;y=3.25*sin（t）;%
subplot（2,3,1）,plot（x,y）,axisnormal,gridon,
title（'NormalandGridon'）
subplot（2,3,2）,plot（x,y）,axisequal,gridon,title（'Equal'）
subplot（2,3,3）,plot（x,y）,axissquare,gridon,title（'Square'）
subplot（2,3,4）,plot（x,y）,axisimage,boxoff,title（'ImageandBoxoff'）
subplot（2,3,5）,plot（x,y）,axisimagefill,boxoff
title（'ImageandFill'）
subplot（2,3,6）,plot（x,y）,axistight,boxoff,title（'Tight'）
图6.2-6
刻度、分格线和坐标框
【例6.2.3.2-1】通过绘制二阶系统阶跃响应，综合演示图形标识。
本例比较综合，涉及的指令较广。
请读者耐心读、实际做、再看例后说明，定会有匪浅收益。
（图6.2-7）
clf;t=6*pi*（0:
100）/100;y=1-exp（-0.3*t）.*cos（0.7*t）;
tt=t（find（abs（y-1）>0.05））;ts=max（tt）;%<2>
plot（t,y,'r-','LineWidth',3）%<3>
axis（[-inf,6*pi,0.6,inf]）%<4>
set（gca,'Xtick',[2*pi,4*pi,6*pi],'Ytick',[0.95,1,1.05,max（y）]）%<5>
gridon%<6>
title（'\ity=1-e^{-\alphat}cos{\omegat}'）%<7>
text（13.5,1.2,'\fontsize{12}{\alpha}=0.3'）%<8>
text（13.5,1.1,'\fontsize{12}{\omega}=0.7'）%<9>
holdon;plot（ts,0.95,'bo','MarkerSize',10）;holdoff%<10>
cell_string{1}='\fontsize{12}\uparrow';%<11>
cell_string{2}='\fontsize{16}\fontname{隶书}镇定时间';%<12>
cell_string{3}='\fontsize{6}';%<13>
cell_string{4}=['\fontsize{14}\rmt_{s}='num2str（ts）];%<14>
text（ts,0.85,cell_string）%<15>
xlabel（'\fontsize{14}\bft\rightarrow'）%<16>
ylabel（'\fontsize{14}\bfy\rightarrow'）%<17>
图6.2-7
图形标识
简捷指令形式
精细指令形式
【例6.2.4.2-1】本例非常简单，专供试验标识用。
clf;t=0:
pi/50:
2*pi;y=sin（t）;plot（t,y）;axis（[0,2*pi,-1.2,1.2]）
text（pi/2,1,'\fontsize{16}\leftarrow\itsin（t）\fontname{隶书}极大值'）
图6.2-8
多次叠绘、双纵坐标和多子图
多次叠绘
【例6.2.5.1-1】利用hold绘制离散信号通过零阶保持器后产生的波形。
t=2*pi*（0:
20）/20;y=cos（t）.*exp（-0.4*t）;
stem（t,y,'g'）;holdon;stairs（t,y,'r'）;holdoff
图6.2-7
双纵坐标图
【例6.2.5.2-1】画出函数
和积分
在区间
上的曲线。
clf;dx=0.1;x=0:
dx:
4;y=x.*sin（x）;s=cumtrapz（y）*dx;%梯形法求累计积分
plotyy（x,y,x,s）,text（0.5,0,'\fontsize{14}\ity=xsinx'）
sint='{\fontsize{16}\int_{\fontsize{8}0}^{x}}';
text（2.5,3.5,['\fontsize{14}\its=',sint,'\fontsize{14}\itxsinxdx']）
图6.2-10
【例6.2.5.2-2】受热压力容器的期望温度是120度，期望压力是0.25Mpa。
在同一张图上画出它们的阶跃响应曲线。
S1=tf（[11],[1321]）;
S2=tf（1,[111]）;
[Y1,T1]=step（S1）;
[Y2,T2]=step（S2）;
plotyy（T1,120*Y1,T2,0.25*Y2,'stairs','plot'）
图6.2-11
多子图
【例6.2.5.3-1】演示subplot指令对图形窗的分割。
clf;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]）%<5>
plot（t,y12,'b-',t,[y1,-y1],'r:
'）;axis（[0,pi,-1,1]）
图6.2-12
交互式图形指令
ginput
gtext
legend
zoom
三维绘图的基本操作
三维线图指令plot3
【例6.3.1-1】简单例题。
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]）,boxon,legend（'链','宝石'）
图6.3-1
三维网线图和曲面图
三维图形的数据准备
网线图、曲面图基本指令格式
【例6.3.2.2-1】用曲面图表现函数
。
clf,x=-4:
4;y=x;[X,Y]=meshgrid（x,y）;
Z=X.^2+Y.^2;
surf（X,Y,Z）;holdon,colormap（hot）
stem3（X,Y,Z,'bo'）
图6.3-2
透视、镂空和裁切
图形的透视
【例6.3.3.1-1】透视演示
[X0,Y0,Z0]=sphere（30）;
X=2*X0;Y=2*Y0;Z=2*Z0;
surf（X0,Y0,Z0）;
shadinginterp
holdon,mesh（X,Y,Z）,colormap（hot）,holdoff
hiddenoff
axisequal,axisoff
图6.3-3
图形的镂空
【例6.3.3.2-1】演示：
如何利用“非数”NaN，对图形进行剪切处理。
t=linspace（0,2*pi,100）;r=1-exp（-t/2）.*cos（4*t）;
[X,Y,Z]=cylinder（r,60）;
ii=find（X<0&Y<0）;
Z（ii）=NaN;
surf（X,Y,Z）;colormap（spring）,shadinginterp
light（'position',[-3,-1,3],'style','local'）
material（[0.5,0.4,0.3,10,0.3]）
图6.3-4
【例6.3.3.2-2】演示：
如何利用“非数”NaN，对图形进行镂空处理。
P=peaks（30）;P（18:
20,9:
15）=NaN;
surfc（P）;colormap（summer）
light（'position',[50,-10,5]）,lightingflat
material（[0.9,0.9,0.6,15,0.4]）
图6.3-5
裁切
【例6.3.3.3-1】表现切面
clf,x=[-8:
0.05:
8];y=x;[X,Y]=meshgrid（x,y）;ZZ=X.^2-Y.^2;
ii=find（abs（X）>6|abs（Y）>6）;
ZZ（ii）=zeros（size（ii））;
surf（X,Y,ZZ）,shadinginterp;colormap（copper）
light（'position',[0,-15,1]）;lightingphong
material（[0.8,0.8,0.5,10,0.5]）
图6.3-6
特殊图形和高维可视化
特殊图形指令例示
面域图area
【例6.4.1.1-1】面域图指令area。
该指令的特点是：
在图上绘制多条曲线时，每条曲线（除第一条外）都是把“前”条曲线作基线，再取值绘制而成。
因此，该指令所画的图形，能醒目地反映各因素对最终结果的贡献份额。
注意：
（1）area的第一输入宗量是单调变化的自变量。
第二输入宗量是“各因素”的函数值矩阵，且每个“因素”的数据取列向量形式排放。
第三输入宗量是绘图的基准线值，只能取标量。
当基准值为0（即以x轴为基准线）时，第三输入宗量可以缺省。
（2）本例第<4>条指令书写格式x',Y'，强调沿列方向画各条曲线的事实。
clf;x=-2:
2
Y=[3,5,2,4,1;3,4,5,2,1;5,4,3,2,5]
Cum_Sum=cumsum（Y）
area（x',Y',0）%<4>
legend（'因素A','因素B','因素C'）,gridon,colormap（spring）
x=
-2-1012
Y=
35241
34521
54325
Cum_Sum=
35241
69762
11131087
图6.4-1
各种直方图bar,barh,bar3,bar3h
【例6.4.1.2-1】二维直方图有两种图型：
垂直直方图和水平直方图。
而每种图型又有两种表现模式：
累计式：
分组式。
本例选其两种加以表现。
x=-2:
2;
Y=[3,5,2,4,1;3,4,5,2,1;5,4,3,2,5];
subplot（1,2,1）,bar（x',Y','stacked'）
xlabel（'x'）,ylabel（'\Sigmay'）,colormap（cool）
legend（'因素A','因素B','因素C'）
subplot（1,2,2）,barh（x',Y','grouped'）
xlabel（'y'）,ylabel（'x'）
图6.4-2
【例6.4.1.2-2】用三维直方图表现上例数据。
clf;x=-2:
2;
Y=[3,5,2,4,1;3,4,5,2,1;5,4,3,2,5];
subplot（1,2,1）,bar3（x',Y',1）
xlabel（'因素ABC'）,ylabel（'x'）,zlabel（'y'）
colormap（summer）
subplot（1,2,2）,bar3h（x',Y','grouped'）
ylabel（'y'）,zlabel（'x'）
图6.4-3
饼图pie,pie3
【例6.4.1.3-1】饼图指令pie,pie3用来表示各元素占总和的百分数。
该指令第二输入宗量为与第一宗量同长的0-1向量，1使对应扇块突出。
a=[1,1.6,1.2,0.8,2.1];
subplot（1,2,1）,pie（a,[10100]）,legend（{'1','2','3','4','5'}）
subplot（1,2,2）,pie3（a,a==min（a））,colormap（cool）
图6.4-4
填色图fill,fill3
【例6.4.1.4-1】读者试验本例时，注意三点：
MATLAB画任意多边形的一种方法；保证绘图数据首尾重合，使勾画多边形封闭；使用图柄对图形的属性进行精细设置。
升级会员 