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MATLAB绘制3D隐函数曲面的几种方法
阅读量:6611 次
发布时间:2019-06-24

本文共 3968 字,大约阅读时间需要 13 分钟。

文章来自于MATLAB论坛,见此链接:,感谢原作者的辛勤总结!

背景介绍
Matlab提供了一系列绘图函数,常见的包括绘制2D曲线的plot函数、绘制2D隐函数曲线的ezplot函数、绘制3D曲面的meshsurf函数、绘制3D显函数曲面的ezmeshezsurf函数。值得注意的是,ez系列的绘图函数里只有ezplot是绘制隐函数曲线的,ezmeshezsurf都是画显函数曲面的(不要被ez的名字误解了)。遗憾的是,matlab里并没有提供直接绘制3D隐函数曲面的函数。本帖的目的就是归纳总结几种方便易用的绘制隐函数曲面的办法。
问题描述
如何绘制
3
元方程
f(x, y,z) = 0
确立的隐函数曲面
z = g(x,y)
?其中,方程
f(x, y,z) = 0
无法求解
z
关于
x
y
的表达式,即
g(x, y)
的显式表达式无法获取。
准备工作——基础函数介绍
为了解决上述问题,我们需要先
对几个重要的图形函数
isosurface
patch
isonormals
取得初步的了解,如果您已经对这三个函数很熟悉,可以直接跳过这一步。
l.  isosurface 等值面函数
调用格式:
fv = isosurface(X,Y,Z,V,isovalue)
作用:返回某个等值面(由
isovalue
指定)的表面(
faces
)和顶点(
vertices
)数据,存放在结构体
fv
中(
fv
vertices
faces
两个域构成)。如果是画隐函数
v = f(x,y,z) = 0
的三维图形,那么等值面的数值为
isovalue = 0
2.  patch函数
调用格式:
patch(X,Y,C)
以平面坐标
(X, Y)
为顶点,构造平面多边形,
C
RGB
颜色向量
                    patch(X,Y,Z,C)
以空间
3-D
坐标
(X, Y,Z)
为顶点,构造空间
3D
曲面,
C
RGB
颜色向量
                    patch(fv) 通过包含verticesfaces两个域的结构体fv来构造3D曲面,fv可以直接由等值面函数isosurface得到
例如:patch(isosurface(X,Y,Z,V,0))
3.  isonormals等值面法线函数
调用格式:
isonormals(X,Y,Z,V,p)
实现功能:计算等值面
V
的顶点法线,将
patch
曲面
p
的法线设置为计算得到的法线(
p
patch
返回得到的句柄)。如果不设置法线的话,得到曲面在过渡地带看起来可能不是很光滑
有了上述三个函数后,我们已经具备间接绘制3D隐函数曲面的能力了。下面以方程
f(x,y, z) = x.*y.*z.*log(1+x.^2+y.^2+z.^2)-10 = 0为例,讲解如何画3D隐函数曲面。
解决办法一:isosurface + patch+ isonormals
实现原理:先定义
3
元显函数
v =f(x, y, z),
v = 0
定义的等值面就是
z = g(x,y)
3D
曲面。利用
isosurface
函数获取
v= 0
的等值面,将得到的等值面直接输入给
patch
函数,得出
patch
句柄
p
,并画出
patch
曲面的平面视角图形。对
p
isonormals
函数设置曲面顶点数据的法线,最后设置颜色、亮度、
3D
视角,得到
3D
曲面。

代码如下:

f = @(x,y,z) x.*y.*z.*log(1+x.^2+y.^2+z.^2)-10;      % 函数表达式[x,y,z] = meshgrid(-10:.2:10,-10:.2:10,-10:.2:10);       % 画图范围v = f(x,y,z);h = patch(isosurface(x,y,z,v,0)); isonormals(x,y,z,v,h)              set(h,'FaceColor','r','EdgeColor','none');xlabel('x');ylabel('y');zlabel('z'); alpha(1)   grid on; view([1,1,1]); axis equal; camlight; lighting gouraud

代码说明:

  • alpha函数用于设置patch曲面的透明度(可以是0~1任意数值),1 表示不透明,0 表示最大透明度。如果想设置透明度0.7,可以修改alpha(1)alpha(0.7)
  • 使用此代码解决特定问题时,只需将第1行的函数表达式替换为特定问题的函数表达式,将第2行数据(xyz)范围换成合适的范围,后续代码无需任何变动。
得到图形:

解决办法二:Mupad
Mupad
符号引擎里提供了现成的三维隐函数画图函数:
Implicit3d
matlab
里开启
Mupad
的方法是:在
commandwindow
里输入
mupad
来启动一个
notebook
。在启动的
notebook
里再输入如下代码:

plot(plot::Implicit3d(x*y*z*ln(1+x^2+y^2+z^2)-10,x = -10..10, y = -10..10, z = -10..10), Scaling = Constrained)

得到如下图形:

解决办法三:第三方工具包ezimplot3

matlab central
file exchange
上有一个非常优秀的绘制
3
维隐函数的绘图函数,叫
ezimplot3
。感兴趣的可以在如下链接下载:

ezimplot3
一共有三种参数调用方式
  • ezimplot3(f) 画函数f(X,Y,Z)= 0 -2*pi< X < 2* pi, -2* pi < Y < 2* pi, -2* pi < Z < 2* pi上的图形
  • ezimplot3(f, [A,B])画函数f(X,Y,Z)= 0 A< X < B, A < Y < B, A < Z < B上的图形
  • ezimplot3(f, [XMIN,XMAX,YMIN,YMAX,ZMIN,ZMAX])画函数f(X,Y,Z)= 0 XMIN< X < XMAX, YMIN < Y < YMAX, ZMIN < Z < ZMAX上的图形
ezimplot3
使用方法:解压
ezimplot3.zip
,将解压得到的
ezimplot3.m
添加到
matlab
当前搜索路径后就可以使用了。
代码为:
f = @(x,y,z) x*y*z*log(1+x^2+y^2+z^2)-10;ezimplot3(f,[-10,10]);  % [-10, 10] 表示图形范围x、y、z都在区间[-10, 10]
若干说明:
  • ezimplot3和方法一本质上完全相同ezimplot3实际上也是基于isosurface+ patch + isonormals的实现
  • ezimplot3与方法一的图形视觉效果相同,唯一的区别是,ezimplot3使用了0.7的透明度:alpha(0.7)
  • ezimplot3在方法一基础上增加了一些外包功能,如:允许函数句柄f是非向量化的函数(即函数定义无需.*  ./  .^),这在ezimplot3内部会自动调用vectorize实现函数向量化。另外,ezimplot3可以在调用的时候方便的设定坐标范围。
常见问题和解决办法:
  • 常见问题:很多人在使用以上方法后,经常出现的问题是代码没有任何错误,程序可以运行,就是出来的图形只有一个空坐标轴,看不到图形。
  • 问题分析出现这种问题的原因是图形的显示区域没设对。比如,我们上述三种方法都是在x-1010的范围内,如果你设的范围内本身就没有图形,那当然就看不到图形了。
  • 解决办法:把图形显示范围重新设置对即可,如果不知道图形的大致范围,就手工多改几次,直到看到图形为止
  • 方法一,图形范围是在第2句的meshgrid函数决定的,meshgrid里给出的xyz范围就是最终画图范围,修改meshgrid语句即可。
  • 方法二(Mupad),x =-10..10, y = -10..10, z = -10..10是表示显示范围,修改这里即可。
  • 方法三,用ezimplot3(f,[A, B]) ezimplot3(f, [XMIN,XMAX,YMIN,YMAX,ZMIN,ZMAX])两种方式控制图形显示范围。
后记:slice切片函数
matlab
还提供一种画切片图形的函数
slice
slice
做出的图是在切片上用颜色表示
v
的值。有时,我们画切片图形也有助于我们理解一个
4
维图形。
  v= f(x,y,z) = x*y*z*exp(-(x^2+y^2+z^2))  
为例,假设我们希望看
v =f(x,y,z)
x =0, y = 1, z = 1
这些平面切片的图形,我们可以用以下代码:
[x,y,z] = meshgrid(linspace(-2,2));v = x.*y.*z.*exp(-(x.^2+y.^2+z.^2));xslice = 0; yslice = 1; zslice = 1;slice(x,y,z,v,xslice,yslice,zslice)xlabel('x'); ylabel('y'); zlabel('z');colormap hsv
得到图形为:

转载于:https://www.cnblogs.com/xmfbit/p/3872192.html

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