MATLAB70使用詳解-第7章數(shù)據(jù)可視化ppt課件

1、第7章 數(shù)據(jù)可視化 本書在第5、6章重點介紹了MATLAB強大的數(shù)值計算功能，但抽象的數(shù)據(jù)對于普通用戶來說，往往是晦澀難懂的，針對這一問題，MATLAB為用戶提供了更加強大的數(shù)據(jù)可視化功能，用戶可以通過MATLAB的繪圖函數(shù)和圖形編輯窗口方便的繪制二維、三維甚至多維的圖形。 本章著眼于MATLAB的“高層圖形指令，主要內(nèi)容包括：繪圖步驟、二維和三維圖形的創(chuàng)建和參數(shù)編輯、圖形編輯窗口、圖形的打印和輸出。有關(guān)MATLAB“低層圖形指令，即“句柄圖形的有關(guān)內(nèi)容，本章暫不涉及，詳見后續(xù)章節(jié)。7.1 繪圖步驟用戶在MATLAB 7.0中進行圖形繪制，可以利用系統(tǒng)的圖形函數(shù)，也可以使用系統(tǒng)自帶的圖形編輯窗

2、口，關(guān)于圖形編輯窗口的內(nèi)容，本章后續(xù)會專門安排一節(jié)講解，本節(jié)主要介紹在MATLAB中用圖形函數(shù)繪圖的一般操作步驟，以繪制一個三角函數(shù)的圖形為例。7.2 二維圖形的繪制與編輯 二維圖形是MATLAB圖形的基礎(chǔ)，也是應用最廣泛的圖形類型之一，本節(jié)主要講解二維圖形的繪制和編輯，內(nèi)容包括：使用plot函數(shù)命令創(chuàng)建二維圖形、圖形屬性設置、坐標軸屬性設置、圖形注釋、圖形疊繪、雙縱坐標繪制、多子圖繪制及特殊二維圖形的繪制。7.2.1 調(diào)用plot函數(shù)繪制二維圖形二維繪圖函數(shù)中最基本的是plot函數(shù)，其余函數(shù)都是圍繞其發(fā)展擴充形成的。本小節(jié)首先介紹如何調(diào)用plot函數(shù)來繪制圖形。MATLAB中調(diào)用plot函數(shù)

3、的方式有3種，具體格式、功能及舉例如下。1.plot(X,s)如X為實數(shù)向量時，MATLAB以X中元素的下標為橫坐標，元素值為縱坐標繪制連續(xù)曲線。如下繪制實數(shù)向量的圖形。2.plot(X,Y,s)如X和Y為同維向量，MATLAB以X為橫坐標、以Y為縱坐標繪制圖形。3.plot(X1,Y1,s,X2,Y2,s,X3,Y3,s,)此種方式與第2種類似，不同的只是同時在圖形窗口中繪制多條互不影響的連續(xù)曲線。7.2.2 便捷繪圖函數(shù)fplot和ezplot上一小節(jié)介紹了二維繪圖中最基礎(chǔ)的plot函數(shù)指令，運用plot指令可以把數(shù)值矩陣通過圖形表示出來，但當用戶不想刻意控制自變量范圍和函數(shù)值范圍，而只是

4、想大致了解數(shù)據(jù)的圖形輪廓，或是用戶由于數(shù)據(jù)資料的不足，不能夠掌握數(shù)據(jù)的細微變化規(guī)律和相互聯(lián)系的時候，如果仍然用plot函數(shù)指令繪圖就顯得不是很方便，而且會出現(xiàn)函數(shù)表現(xiàn)力差、失真等情況。對于這個問題，MATLAB提供給了用戶兩個便捷繪圖的函數(shù)fplot和ezplot。所謂“便利即是用戶不需要設置，僅僅讓系統(tǒng)內(nèi)部自動調(diào)整自變量的范圍和間隔。fplot函數(shù)用于繪制由M-文件名或函數(shù)句柄定義的函數(shù)，而ezplot常用來繪制字符串表達式或符號表達式定義的函數(shù)。7.2.3 設置圖形曲線的線型、顏色與數(shù)據(jù)點型 在上面的內(nèi)容中，讀者已經(jīng)了解了二維圖形的基本繪圖步驟和繪圖函數(shù)，在完成了一個圖形的初步繪制后，用戶

5、為了使圖形更具表現(xiàn)力，更加清晰易讀，常常需要對于圖形曲線的若干屬性進行設置，其中最重要的3個屬性是曲線線型、顏色和數(shù)據(jù)點型。 MATLAB 7.0為用戶提供了各種不同的曲線元素，讓用戶可以隨心所欲地選擇自己需要和喜歡的類型，為了用戶盡快掌握MATLAB提供的豐富資源并便于以后的查找，下面分別列出線型、顏色和數(shù)據(jù)點型的各個選項。7.2.4 設置坐標軸范圍在繪制某些圖形的時候，用戶對坐標軸的范圍和刻度要求常常比較嚴格，雖然MATLAB擁有便捷智能的函數(shù)和內(nèi)部自適應設置，但是顯示的圖形往往仍達不到用戶所要求的效果。所以，MATLAB提供給用戶一系列坐標軸操作控制指令，使用戶可以根據(jù)自己的具體需要和愛

6、好，有針對性地調(diào)整和設置坐標軸的某些參數(shù)。下面首先列出MATLAB中常用的坐標軸操作函數(shù)。7.2.5 設置網(wǎng)格和坐標框在圖形繪制完成后，用戶有時需要在圖形的背景上添加網(wǎng)格，這樣便于數(shù)據(jù)的精細分析和計算，在MATLAB中，用戶可以通過grid on和grid off函數(shù)進行網(wǎng)格的添加和刪除操作，也可以直接用grid函數(shù)改變當前的網(wǎng)格狀態(tài)，比如當前沒有網(wǎng)格顯示，那么輸入grid函數(shù)，圖形背景就出現(xiàn)網(wǎng)格。接著上一小節(jié)圖顯示的圖形，輸入grid指令，按Enter鍵，則圖形添加了網(wǎng)格背景，如下圖。7.2.6 圖形疊繪MATLAB中允許用戶使用plot函數(shù)一次繪制多條互相獨立的圖形，在實際工作中，用戶不但

7、需要一次繪制多圖，有時還要多次繪制多圖，即在已經(jīng)繪制完成的圖形上再次添加或刪減圖形，對于用戶的這種需要，MATLAB提供了hold函數(shù)。如果用戶首先繪制了一個正弦函數(shù)曲線，代碼如下。 x=-pi:.001:pi; y=sin(x); plot(x,y)得到的正弦曲線，如果用戶想在這個圖形窗口再顯示一條余弦曲線，用來和正弦曲線做對比，那么用戶只需要輸入hold on函數(shù)，接著進行余弦圖形的繪制，代碼如下。 hold on plot(x,cos(x),-r)7.2.7 繪制雙Y-坐標圖形在實際工作中，用戶經(jīng)常需要把同一個自變量的兩個、甚至多個不同量綱、不同數(shù)量級的函數(shù)的圖形繪制在同一個圖形中，如果

8、使用常用的單坐標是不能有效解決諸如此類的問題的，所以MATLAB提供了專門用來繪制雙坐標的函數(shù)plotyy供用戶使用。plotyy函數(shù)具體的調(diào)用格式及功能如下。plotyy(x1,y1,x2,y2)：以左、右不同縱軸繪制x1-y1、x2-y2兩條曲線。plotyy(x1,y1,x2,y2,FUN)：以左、右不同縱軸繪制x1-y1、x2-y2兩條形式由FUN指定的曲線。plotyy(x1,y1,x2,y2,FUN1,FUN2)：以左、右不同縱軸繪制x1-y1、x2-y2兩條形式分別由FUN1和FUN2指定的曲線。7.2.8 繪制多子圖 前面介紹了用戶如何在一個圖形中繪制多條曲線，MATLAB也允

9、許用戶在一個圖形窗口中繪制多個完全獨立的子圖，并且提供了符合用戶習慣的分欄方式。 如果用戶根據(jù)需要把圖形窗口分割為mn個子圖，那么可以把整個圖形窗口看作是mn的二維矩陣，共有子圖mn個，分別看成是整圖的各個元素，子圖的編號從第1到第mn），第1幅子圖是矩陣的第1行第1列的元素，第2幅子圖是第1行第2列的元素，依次類推，按每行從左至右，列從上到下的順序，最后1幅子圖是第mn個元素。7.2.9 圖形標識MATLAB的數(shù)據(jù)可視化的功能之強大，不僅在于其包容廣泛的繪圖函數(shù)，還體現(xiàn)在其提供給用戶豐富的圖形標識函數(shù)指令，使圖形可以更好地說明其代表的數(shù)據(jù)含義和相互聯(lián)系，使用戶看到圖形，就一目了然地明白圖形作

10、者想要通過圖形表現(xiàn)的重點。在7.1節(jié)，本書簡單地介紹了MATLAB中的圖形標識主要是針對X坐標軸、Y坐標軸、圖形標題、圖例及字符注釋，常見的標識函數(shù)和各自功能列表如下。7.2.10 交互式圖形繪制函數(shù) 在MATLAB中，除了前面介紹的圖形繪制及編輯函數(shù)，還有若干與鼠標有關(guān)的圖形操作函數(shù)，本小節(jié)介紹常用的兩個：ginput和zoom函數(shù)。 用戶完成了圖形曲線的繪制后，希望知道某個自變量的函數(shù)值，那么使用ginput函數(shù)就可以十分方便地通過鼠標來讀取圖形中任意一點的坐標，其常用調(diào)用格式如下：x,y=ginput(n)。鼠標在圖形上取n個數(shù)據(jù)點的坐標值n為正整數(shù)），并保存在x,y中。仍以【例6】繪制

11、的圖形為例，如果用戶希望取兩個極值的坐標，則只需要使用ginput函數(shù)，代碼如下。 x,y=ginput(2)7.3 繪制三維圖形讀者在上一節(jié)主要了解了MATLAB中二維圖形的繪制和設置方法，所涉及的所有元素都是在二維平面上的，事實上，在實際教學、科研和工程應用中，很多用戶不僅需要平面范疇的圖形說明，有時更希望能借助三維立體空間的圖形演示來增強數(shù)據(jù)的表現(xiàn)力，針對用戶的此種需要，MATLAB提供了三維繪圖功能。盡管從某種意義上說，三維繪圖其實可以看成二維繪圖的延伸和發(fā)展，很多圖形及坐標軸設置的命令可以二、三維通用，但是三維繪圖仍有其特殊的繪制函數(shù)，并且需要進行二維圖形所沒有的視角、光照及透明度的

12、設置。圖形本節(jié)主要介紹三維圖形的繪制，而三維圖形的編輯將在7.4節(jié)詳細講解。7.3.1 使用plot3函數(shù)繪制三維曲線 三維曲線繪制函數(shù)plot3與二維曲線繪制函數(shù)plot相對應，惟一不同的是，用戶需要在plot3函數(shù)中輸入3個數(shù)據(jù)參數(shù)，此函數(shù)的常用調(diào)用格式為：plot(X,Y,Z,s)。 X、Y和Z是同維向量時，分別以X、Y和Z的元素為x、y和z軸坐標。 X、Y和Z是同維矩陣時，分別以X、Y和Z的對應列元素為x、y和z軸坐標，曲線條數(shù)等于矩陣的列數(shù)。 s所代表的意義和設置的標準與二維曲線相同，具體內(nèi)容參考第7.2.3節(jié)，下面舉例說明plot3函數(shù)的調(diào)用方法。7.3.2 使用mesh函數(shù)繪制三

13、維網(wǎng)格圖用戶在繪制三維圖形時，常需要繪制曲線網(wǎng)格圖，MATLAB提供了專門繪制曲線網(wǎng)格圖的函數(shù)mesh，此函數(shù)可以繪制出完整的曲面，其常用的調(diào)用格式及功能如下。mesh(Z)：分別以矩陣Z的列、行下標作為x、y軸的自變量，進行繪圖。繪制一個隨機5階矩陣的曲線網(wǎng)格圖，代碼如下。 x=rand(5); mesh(x)隨即生成圖形，如下圖。mesh(X,Y,Z)： 最常用的一般調(diào)用格式。mesh(X,Y,Z,C)：完整的調(diào)用格式，其中C作用為指定圖形的著色，C沒有指定，系統(tǒng)默認C=Z。7.3.3 使用surf函數(shù)繪制三維曲面圖MATLAB中的surf函數(shù)專門用于繪制三維著色曲面圖，其調(diào)用格式和對數(shù)據(jù)

14、準備的要求與上一小節(jié)的mesh函數(shù)相同，仍以圖中的圖形為例，如果用戶用surf函數(shù)代替mesh函數(shù)來繪制上子圖，那么圖形如圖上子圖所示。surf函數(shù)也有擴展函數(shù)，其中一個是surfc函數(shù)，其功能對應surf函數(shù)與meshc對應mesh是一樣的。如果對圖的下子圖，用surfc函數(shù)代替mesh函數(shù)，則圖形如圖下子圖所示。surf函數(shù)另外兩個常用的擴展函數(shù)為surfl和surfnorm函數(shù)，surfl函數(shù)可以在繪制圖形時考慮光照效果，而surfnorm函數(shù)則用于計算數(shù)據(jù)X、Y和Z定義表面的法向量。對圖的上下子圖分別調(diào)用surfl和surfnorm函數(shù)，得到如圖所示圖形。7.4 編輯三維圖形 上一節(jié)主

15、要針對三維圖形的繪制函數(shù)，向讀者們講解了如何調(diào)用并且如何擴展使用這些函數(shù)。與二維圖形一樣，在三維圖形概貌繪制完成后，用戶需要對于圖形進行編輯，以增強圖形的表現(xiàn)力和易讀性，由于三維圖形立體顯示和多維視角的特殊性，對其的編輯比二維圖形顯得更加必要。 本節(jié)主要講解對三維圖形編輯的4個主要方面：視角、顏色、光照和透明設置。7.4.1 三維圖形的視角設置用戶使用三維圖形來表示數(shù)據(jù)的特性和內(nèi)在聯(lián)系，目的就在于得到形象的顯示，以及獲得最佳的視覺效果。在觀察三維圖形時，為了便于用戶得到圖形的最佳表現(xiàn)效果，MATLAB提供了給用戶可以設置用戶觀察視角的函數(shù)指令view和rotate。view函數(shù)的調(diào)用格式和具體

16、功能如下。view(az,el)或view(az,el)：az代表方位角Azimuth），el代表俯視角Elevation），調(diào)用此種格式的函數(shù)，過用戶視點和z軸的平面設為m面，m面與x-y面相交，交線與負y軸交角為方位角“az”；m面上連接視點與坐標原點的直線與x-y面的夾角為俯視角“el”，兩個角度的單位都是“度”。此調(diào)用格式的view函數(shù)功能是設置三維圖形觀察點的方位角。view(x,y,z)：在直角坐標中設置視角的坐標為x,y,z）。view(2)、view(3)：分別使用MATLAB 7.0中默認的二維視角設置az=0，el=90和三維視角設置az=-37.5，el=30）。7.4.

17、2 三維圖形的色彩設置 圖形的表現(xiàn)力與色彩使用緊密相關(guān)，MATLAB中所有線條的色彩都是通過RGB調(diào)和出來的單色，常用色彩的RGB調(diào)制標準列表如下。7.4.3 三維圖形的光照設置 為了三維圖形的形象逼真，MATLAB不僅在視角和色彩方面提供了精細的設置函數(shù)，還考慮到了圖形的環(huán)境光源設置和自身材料設置方面。 本書在7.3.3小節(jié)介紹了可以增加圖形顯示的光照效果的surfl函數(shù)，事實上，除了surfl函數(shù)，MATLAB還提供給用戶其他一些光照設置函數(shù)，本節(jié)主要向讀者介紹常用的3個函數(shù)：光照設置函數(shù)light、光照模式設置函數(shù)lighting和材料反射設置函數(shù)material。7.4.4 三維圖形的

18、透視設置在MATLAB中，用戶調(diào)用mesh、surf等函數(shù)繪制網(wǎng)格曲面圖時，系統(tǒng)會默認隱藏重疊的后部網(wǎng)格，如果用戶需要了解被遮蓋的隱藏網(wǎng)格，可以調(diào)用透視函數(shù)hidden，其格式和功能如下。hidden on：設置隱藏部分不可視。hidden off：設置隱藏部分可視。7.4.5 三維圖形的透明設置MATLAB 7.0有設置圖形透明度的能力，從某種意義上說，上一小節(jié)講解的透視設置是透明設置的特例，透明設置的功能是利用透明技術(shù)揭示圖形內(nèi)部的復雜結(jié)構(gòu)。與色彩，光照一樣，透明度是圖形的屬性之一，MATLAB對于圖形透明度的默認設置是所有圖形都是完全不透明的。MATLAB定義透明度的范圍為：“0代表全透

19、明，“1代表完全不透明。任何圖形的透明度都可以用0,1之間的數(shù)值表示，這個量化的數(shù)值稱為Alpha。MATLAB任何一個圖形窗口都有惟一一個透明度表，并默認其為一個的數(shù)組，數(shù)組元素在區(qū)間內(nèi)取值，其中首元素為0，末尾元素為1，其他元素按照均勻遞增的順序排列。7.5 特殊的二、三維圖形繪制 在實際教學科研、工程實踐中，用戶經(jīng)常需要使用一些特殊圖形來記錄數(shù)據(jù)，雖然使用基本的plot函數(shù)也可以完成這些圖形的繪制，但是由于圖形的特殊性，繪制過程會比較煩瑣，一般用戶甚至難以短時間完成。MATLAB考慮到用戶繪制特殊圖形的需求，特別提供了若干函數(shù)。 由于同類型的二維、三維特殊圖形繪制函數(shù)大多類似，并且?？梢?/p>

20、通用，所以本節(jié)把它們結(jié)合在一起，向讀者介紹其功能和調(diào)用方法，主要介紹的特殊圖形包括：區(qū)域圖、條形圖、餅狀圖、柱狀圖、離散圖、矢量圖及等高線圖。7.5.1 調(diào)用bar函數(shù)繪制條形圖MATLAB中提供了條形圖繪制函數(shù)bar，用來表示向量和矩陣中的值，函數(shù)bar有4種，分別是：bar、barh、bar3和bar3h。常用函數(shù)bar的調(diào)用格式和功能如下。bar(y)：繪制向量y的每一個元素。bar(x,y)：在指定x坐標軸上繪制y，其中參數(shù)x必是嚴格遞增的向量；如果y為矩陣，則把矩陣分解成n個行向量，分別在指定坐標處繪制。bar(,width)：width設置條形相對寬度和組內(nèi)條形的間距。如果默認值為

21、0.8，組內(nèi)條形有微小間距；如果width為1，則組內(nèi)條形之間沒有間距。bar(,style)：style設置條形的類型，如果選擇默為“group”，則顯示m組，每組n條的條形圖形，m和n分別是矩陣y的行列數(shù)；如果選擇“stack”，則繪制累積直條圖。7.5.2 調(diào)用area函數(shù)繪制區(qū)域圖MATLAB中的區(qū)域繪圖函數(shù)area用來繪制二維的面積圖，調(diào)用此函數(shù)在圖形窗口中繪制多條曲線，從第二條開始的每條曲線都以前面的曲線作為“基線”，再取數(shù)值繪制而成。常用area函數(shù)的調(diào)用格式和功能如下。area(y)：最常見調(diào)用格式。以向量y的下標為橫坐標，y的元素值為縱坐標。area(x,y)：如果x、y都是

22、向量時，繪圖機理和plot函數(shù)類似；如果x為向量，y為矩陣，則以向量x為橫坐標，以矩陣y的元素的累積值作為縱坐標繪制圖形。area(,basevalue)：basevalue代表繪圖的基準線值，此值只可以取標量，如果以x坐標軸為繪制基準，則basevalue值為0。7.5.3 調(diào)用pie函數(shù)繪制餅狀圖 當用戶需要于觀察和分析不同子類數(shù)據(jù)在總數(shù)中所占分額及相互之間的大小對比時，可以使用MATLAB中提供的餅形繪圖函數(shù)pie來繪制餅狀圖。 餅狀圖繪制函數(shù)有pie和pie3，分別繪制二維和三維餅狀圖，pie函數(shù)的調(diào)用格式和功能如下： pie(x)：繪制向量x的餅狀圖，x中每一個元素為餅中的一個扇形。

23、 pie(x,explode)：explode代表與x同維的矩陣，explode中非0元素對應的x中的元素“外突”，方向為扇形圓弧外法線方向。 pie(,labels)：labels代表各個扇形的標簽。7.5.4 調(diào)用hist函數(shù)繪制柱狀圖MATLAB中，與bar函數(shù)有點類似，用戶經(jīng)常需要用柱狀圖來表示數(shù)據(jù)的分布，此時就要用到繪制二維柱狀圖hist函數(shù)和rose函數(shù)。調(diào)用hist函數(shù)，所有向量y的元素或者矩陣y的列向量中的元素，系統(tǒng)按照數(shù)值范圍來分組，每組作為一個條形進行顯示，x軸反映了數(shù)據(jù)y中元素的數(shù)值范圍，y軸反映了每組元素的個數(shù)。hist函數(shù)的調(diào)用格式和功能如下。hist(y)：如果y是

24、向量，則把其中元素放入10個條目中，且返回每條中的元素個數(shù)；如果y為矩陣，則分別對每列進行處理，顯示多組條形。hist(y,x)：向量x的元素個數(shù)為n，則y的元素放入n個由元素指定位置為中心的條目中。hist(y,nbins)：標量nbins設置條目的數(shù)目。n,xout=hist()：返回向量n及向量xout，其中向量xout包含頻率計數(shù)與條目的位置，用戶也可以使用bar(xout,n)繪制條形直方圖。7.5.5 調(diào)用stem函數(shù)繪制離散數(shù)據(jù)桿狀圖離散數(shù)據(jù)桿狀圖主要用來表示離散數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特性和內(nèi)在聯(lián)系，在MATLAB中，如果調(diào)用plot函數(shù)對于離散數(shù)據(jù)繪圖，那么系統(tǒng)默認把若干離散的數(shù)據(jù)點用直線

25、連接，但是用戶有時并不希望看到這種連續(xù)的圖形，這時，最好的方法就是使用stem函數(shù)代替plot函數(shù)繪圖。stem函數(shù)用圓點表示每個數(shù)據(jù)點，再用線段把圓點和基準線連接，圖形類似火柴棒，所以又稱stem函數(shù)圖形為火柴桿圖。stem函數(shù)的調(diào)用格式和功能如下：stem(y)：可以理解成繪制離散點的“plot(y)”函數(shù)。stem(x,y)：可以理解成繪制離散點的“plot(x,y)”函數(shù)。stem(,Linespec)：Linespec代表直線屬性設置參量。stem(,fill)：改變數(shù)據(jù)點顯示的空、實狀態(tài)。7.5.6 繪制方向和速度矢量圖 本節(jié)綜合介紹3個函數(shù)：compass、feather和qui

26、ver函數(shù)，之所以把這3個函數(shù)放在一小節(jié)進行講解，因為它們都是用于繪制方向和速度矢量圖形的函數(shù)，3個函數(shù)的功能如表所示。7.5.7 調(diào)用contour函數(shù)繪制輪廓線圖 上一小節(jié)提到調(diào)用peaks函數(shù)繪制輪廓線，本小節(jié)圍繞contour函數(shù)介紹輪廓線的繪制方法。其實，在MATLAB中專門提供了一些繪制輪廓線的函數(shù)，如表所示。7.5.8 特殊坐標系中繪制圖形 在MATLAB的可視化功能中，圖形的繪制一般采用的都是笛卡爾坐標系，或稱直角坐標系統(tǒng)。有一定數(shù)學基礎(chǔ)的讀者都知道，為了使一些特殊數(shù)據(jù)的圖形表示更直觀和方便，經(jīng)常需要使用到直角坐標系之外的其他坐標系，常用的是極坐標、柱坐標和球坐標。MATLAB同樣提供了相關(guān)的繪制函數(shù)，允許用戶使用以上特殊坐標系進行圖形的繪制，本小節(jié)主要就介紹以上三個常用的特殊坐標系的圖形繪制函數(shù)。7.6 繪制四維圖形 用戶通過z=z(x,y)的確定或者不確定的函數(shù)對應關(guān)系來表現(xiàn)三維圖形，此時的自變量是二維的，并且有兩個。如果遇到自變量個數(shù)為3個的時候，自變量的定義域即為