Matlab应用课程设计-Matlab特殊图形绘制.doc

matlab课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息学院 题 目: matlab应用课程设计matlab特殊图形绘制 初始条件：matlab软件 、数字信号处理与图像处理基础知识要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）利用matlab函数提供的特殊绘图函数来实现区域图、填充图、条形图、直方图、圆体图、球体、椭球体、（2维、3维）饼图、排列图、二维柄状图、三维柄状图、阶梯图、散点图、轮廓图、向量图（罗盘图；羽状图、箭头图、法线图）。验证如下函数的功能：surfnorm, quiver, feather, compass, contour3, contour, plotmatrix, scatter, scatter3, stairs, stem, stem3, pareto, pie3, pie, ellipsoid, sphere, cylinder, hist, bar3, bar, fill3, fill, area.说明：利用具体实例说明matlab的各种绘图函数的功能时间安排：本课程设计自任务书发布之日开始，分散进行，答辩时间统一。序号阶段内容所需时间1方案设计1天2软件设计2天3系统调试1天4答辩1天合 计5天指导教师签名： 2016年1月10日系主任（或责任教师）签名： 2016年1月10日目录摘要3abstract41 设计任务与要求51.1 设计任务51.2 设计要求52 软件介绍52.1 matlab简介53 matlab绘图63.1区域图的绘制63.1.1 area函数介绍63.1.2 用area绘制区域图73.2 填充图的绘制73.2.1 绘图函数fill,fill373.2.2 用fill,fill3绘制填充图73.3 直方图的绘制93.3.1 绘图函数bar,bar3，hist93.3.2 用bar,bar3，hist绘制直方图93.4 二维、三维饼图的绘制103.4.1 绘图函数pie,pie3103.4.2 用pie,pie3绘制饼图103.5 二维、三维柄状图的绘制113.5.1 绘图函数stem,stem3113.5.2 用stem,stem3绘制柄状图123.6阶梯图的绘制133.6.1 绘图函数stairs133.6.2 用stairs绘制阶梯图133.7向量图（罗盘图、羽状图、箭头图、法线图）的绘制133.7.1用feather绘制羽状图、用compass绘制罗盘图133.7.2用 quiver绘制箭头图、用surfnorm法线图143.8散点图的绘制153.8.1 用scatter，scatter3绘制散点图153.8.2 用plotmatrix绘制矩阵的散点图163.9 轮廓图的绘制173.9.1 绘图函数contour，contour3173.9.2 用contour，contour3绘制轮廓图173.10 圆体图、球体、椭球体的绘制183.10.1 用sphere绘制球183.10.2 用cylinder绘制椭球194 心得体会20参考文献21摘要与数值计算和符号计算相比，图形的可视化技术是数学计算人员所追求的更高级的一种技术，因为对于数值计算和符号计算来说，不管计算的结果是多么的准确，人们往往无法直接从大量的数据和符号中体会它们的具体含义。而图形处理技术则给人们提供了一种更直接的表达方式，可以使人们更直接、更清楚地了解事物的结果和本质。matlab语言除了有强大的矩阵处理功能之外，它的绘图功能也是相当强大的。matlab语言提供了一套功能强大的绘图命令，这些命令可以根据输入的数据自动完成图形的绘制，为计算过程和结果的可视化提供了极佳的手段。abstractsymbolic computationand numericalcalculation andcomparison, the graphis amathematicalvisualization technologystaffto pursueamore advancedtechnolo-gy, because fornumerical computation andsymbolic computation, no matterhowcalculatedthe accuracy ofthe results, people tend tonotdirectly from thelarge amount ofdata and thesymbolsof theirspecific meaningin theexperience.thegraphics processingtechnology isto provide people witha more directexpres-sion,can makepeople moredirectly andmore clearlyunderstandthe results andthe natureof things. matlablanguageprocessingin addition toa strongmatrixfeatures,itsgraphicsis quitepowerful. matlablanguage providesa powerful set ofdrawingcommands thatcan bedone automaticallybased onthe data entereddrawing, process and results ofthe calculationprovides an excellentvisualmeans.1 设计任务与要求1.1 设计任务matlab特殊图形绘制1.2 设计要求利用matlab函数提供的特殊绘图函数来实现区域图、填充图、条形图、直方图、圆体图、球体、椭球体、（2维、3维）饼图、排列图、二维柄状图、三维柄状图、阶梯图、散点图、轮廓图、向量图（罗盘图；羽状图、箭头图、法线图）。验证如下函数的功能：surfnorm, quiver, feather, compass, contour3, contour, plotmatrix, scatter, scatter3, stairs, stem, stem3, pareto, pie3, pie, ellipsoid, sphere, cylinder, hist, bar3, bar, fill3, fill, area.说明：利用具体实例说明matlab的各种绘图函数的功能。2 软件介绍2.1 matlab简介matlab俗称“矩阵实验室”，是matrix laboratory的缩写。1984年由美国mathworks公司研制开发，以矩阵计算为基础的交互式的功能强大的科学及工程计算软件。首创者是在数值线性代数领域颇有影响的cleve moler博士。他也是生产经营matlab产品的mathworks公司的创始人之一。 matlab将高性能的数值计算和可视化集成在一块，并提供了大量的内置函数，从而使其广泛应用于数学计算和分析、自动控制、系统仿真、数字信号处理、图形图像分析、数理统计、人工智能、虚拟现实技术、通讯工程、金融系统等领域。时至今日，经过mathworks公司的不断完善，matlab已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。在国外，matlab已经经受了多年考验。在欧美等高校，matlab已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，matlab被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，matlab一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在matlab里找到合适的功能。因此，matlab是面向21世纪的计算机程序设计及科学计算语言。 图2-1启动matlab后，进入matlab的默认桌面（如上图）。第一行为菜单栏，第二行为工具栏，下面是三个最常用的窗口。右边最大的是命令窗口（command window），左上方前台为工作空间窗口(workspace)，后台为当前目录窗口(current dircstory)，左下方为命令历史窗口(command history)。左下角还有一个开始（start）按钮，用于快速启动各类交互界面、桌面工具和帮助等。3 matlab绘图3.1区域图的绘制3.1.1 area函数介绍面域图指令 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。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。3.1.2 用area绘制区域图程序如下:y=rand(10,3)*100;x=1:10;area(x,y);xlabel(year);ylabel(count);运行结果：图3-13.2 填充图的绘制3.2.1 绘图函数fill,fill3matlab 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。fill3用于三维填色。3.2.2 用fill,fill3绘制填充图用fill制图程序：clf;n=10; % 多边形的边数dt=2*pi/n;t=0:dt:2*pit=t,t(1); %fill 指令要求数据向量的首位重合，使图形封闭。x=sin(t);y=cos(t);fill(x,y,c);axis off % 画填色多边形，隐去坐标轴。ht=text(0,0,fontname 隶书 fontsize32 十边形 );% 文字注释，且得图柄。set(ht,color,k,horizontalalignment,center) % 依靠图柄设置属性。运行结果：图3-2用fill3制图程序：x=0.5 0.5 0.5 0.5;0.5 0.5 0.5 0.5;0 1 1 0; y=0.5 0.5 0.5 0.5;0.5 0.5 0.5 0.5;0 0 1 1;z=1 1 1 1;0 0 0 0;0 0 0 0;c=1 0 0 1;0 1 0 1;0 0 1 0;fill3(x,y,z,c),view(-10 55),colormap cool %view是设置视点的函数，colormap 是用于控制曲面图的颜色xlabel(x),ylabel(y),box on;grid on运行结果图3-33.3 直方图的绘制3.3.1 绘图函数bar,bar3，histbar，bar3分别用来绘制二、三维垂直的直方图。hist用来绘制统计直方图。3.3.2 用bar,bar3，hist绘制直方图用bar绘图程序：x=1 3 4 5 2;bar(x);运行结果：图3-4用bar3绘图程序：x=2 3 4 5 7;1 2 3 2 1;bar3(x)运行结果：图3-5用hist绘图程序：x=randn(5000,1);hist(x,20);%x表示数据范围，y表示数据频率运行结果：图3-63.4 二维、三维饼图的绘制3.4.1 绘图函数pie,pie3饼图指令 pie , pie3 用来表示各元素占总和的百分数。3.4.2 用pie,pie3绘制饼图用pie绘图程序：x=2 3 5 4;explode=1 1 0 0;%“1”代表扇形间分离，“0”代表扇形间紧贴在一起pie(x,explode);运行结果：图3-7用pie3绘图程序：x=2 3 5 4;explode=1 1 0 0;label=春,夏,秋,冬;pie3(x,explode,label); %为3维饼形图中的每一部分指定一个标签运行结果：图3-83.5 二维、三维柄状图的绘制3.5.1 绘图函数stem,stem3柄状图特别适用于表示数位讯号处理中的数位讯号。若要获取新的柄头图，可加“fill选项。3.5.2 用stem,stem3绘制柄状图用stem绘图程序：t=0:0.2:4*pi;y=cos(t).*exp(-t/5);stem(t,y,fill);运行结果：图3-9用stem3绘图程序：theta=-pi:0.05:pi;x=cos(theta);y=sin(theta);z=abs(cos(3*theta).*exp(-abs(theta/3);stem3(x,y,z);运行结果：图3-103.6阶梯图的绘制3.6.1 绘图函数stairs使用stairs指令，可画出阶梯图，其结构和柄状图相近，只是将目前资料点的高度向右水平画至下一点为止。3.6.2 用stairs绘制阶梯图绘图程序：t=0:0.4:4*pi;y=cos(t).*exp(-t/5);stairs(t,y);运行结果：图3-113.7向量图（罗盘图、羽状图、箭头图、法线图）的绘制3.7.1用feather绘制羽状图、用compass绘制罗盘图函数feather复平面图形，把复数矩阵中的元素的相角和幅值显示成沿横轴等间辐射的箭头，格式feather(z),feather(x,y)等价于feather(x+y*i),feather(z,str),str是确定的线形绘制箭头。绘图程序：t=-pi/2:pi/12:pi/2; % 在区间，每 取一点。r=ones(size(t); % 单位半径x,y=pol2cart(t,r); % 极坐标转化为直角坐标subplot(1,2,1),compass(x,y),title(compass)subplot(1,2,2),feather(x,y),title(feather)运行结果：图3-123.7.2用 quiver绘制箭头图、用surfnorm法线图绘图程序：subplot(2,2,3)x,y,z=peaks(15);nx,ny,nz=surfnorm(x,y,z);surf(x,y,z) %画出立体曲面图hold onquiver3(x,y,z,nx,ny,nz)hold off运行结果：图3-133.8散点图的绘制3.8.1 用scatter，scatter3绘制散点图散点图指令scatter3标志三维数据点，前三个输入宗量必须是同长的向量。用scatter绘图程序：a=rand(200,1);b=rand(200,1);c=rand(200,1);scatter(a,b,100,c,p)运行结果：图3-14用scatter3绘图程序：x=3*pi*(-1:0.2:1);y=x;x,y=meshgrid(x,y);r=sqrt(x.2+y.2)+eps;z=sin(r)./r;% 引入 eps 避免 0/0 ， %c=abs(del2(z); % 求“五点格式”差分，反映曲面变化。meshz(x,y,z,c) % 由曲面变化决定用色hold on,scatter3(x(:),y(:),z(:),filled) %hold off,colormap(hot)运行结果：图3-153.8.2 用plotmatrix绘制矩阵的散点图指令 plotmatrix 有两种基本调用方式：（1） 对于数据矩阵 维的 x 和 维的 y ，调用格式 plotmatrix(x,y) 将画出一个分割成 个子散点图。其中第 个子散点图是根据 y 第 列和 x 第 列数据画出的。（2）对于数据矩阵 维的 x ，调用格式 plotmatrix(x) 将画出分割成 个子块的图。该图的对角块，画出的是 x 每列的数据的频数直方图；而其他子块是相应列构成的散点图。该指令可用来观察数据矩阵（或同一矩阵列向量）间的统计关系。绘图程序：randn(seed,1111),x=randn(100,2);y=randn(100,2);subplot(1,3,1),plotmatrix(x)subplot(1,3,2),plotmatrix(x,x)subplot(1,3,3),plotmatrix(x,y)运行结果：图3-163.9 轮廓图的绘制3.9.1 绘图函数contour，contour3contour(z)：绘制矩阵z的等高线图，其中z为相对x-y平面的高度，z必须是至少2*2的矩阵且其中至少有两个不同的值。等高线的级数和各级等高线的数值是基于z的最大和最小值之间自动选取的，x和y的范围分别是1:n和1:m, 其中m,n = size(z)。contour(z,n)：绘制矩阵z的n级等高线图。3.9.2 用contour，contour3绘制轮廓图function shili13h0=figure(toolbar,none,. position,200 150 450 250,. name,实例13);th,r=meshgrid(0:10:360)*pi/180,0:0.05:1);x,y=pol2cart(th,r);z=x+i*y;f=(z.4-1).(0.25);contour(x,y,abs(f),20)axis equalxlabel(实部,fontsize,16);ylabel(虚部,fontsize,16);h=polar(0 2*pi,0 1);delete(h)hold oncontour(x,y,abs(f),20)运行结果：图3-173.10 圆体图、球体、椭球体的绘制3.10.1 用sphere绘制球绘图程序：clc,clear all;figure (1)m,n,p=sphere(50);t=abs(p);surf(m,n,p,t);hold on;mesh(2*m,2*n,2*p),colormap(hot);hold off;hidden offaxis equal运行结果：图3-183.10.2 用cylinder绘制椭球clear all;clc;%画出由母线x2/a2+y2/b2=1绕z轴旋转出的椭球面a=sqrt(4);b=sqrt(1);%这里取a=2,b=1t=linspace(-b,b);r=a*sqrt(1-t.2/b2);x,y,z=cylinder(r);z=