MATLAB三维着色曲面surf及如何使用三维点集绘制三维曲面

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MATLAB三维着色曲面surf及如何使用三维点集绘制三维曲面

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目录 来源方法surf函数 实例二维数据解决方案其他方案常见错误surf报错生成的图形是黑色生成曲面光滑 参考资料

来源

写论文,从二维变三维空间,对三维工作空间分析,希望创建漂亮的工作空间示意图。二维区域着色已经在之前博文提到过了:Matlab不规则区域渐变色填充及注意事项。这里主要讲三维曲面着色。

方法

实现绘制曲面的函数有不少,典型如下

函数含义mesh、surf曲面图meshc、surfc下方带有等高线图的曲面图meshz带帷幕图(参考平面)的曲面图pcolor单一着色平面图(值仅与颜色成比例)surfl从指定方向照亮的曲面图surface用于创建曲面图形对象的低级函数(高级函数的基础)

函数plot3在此不考虑,因为它不是绘制曲面的函数。

具体可以参考官方帮助文档:将数据表示为曲面。

我选择使用surf函数来绘图。

surf函数

surf(X,Y,Z) 创建一个三维曲面图。该函数将矩阵 Z 中的值绘制为由 X 和 Y 定义的 x-y 平面中的网格上方的高度。函数还对颜色数据使用 Z,因此颜色与高度成比例。

关键:这个函数的参数都是矩阵,如何将二维空间通过旋转得到三维空间,并是数据结构适合surf函数是我遇到的难点。换一句话就是,如何把plot3函数参数的数据应用到surf函数中。

实例 二维数据

在这里插入图片描述 上面图形是二维工作空间,现在将该图形中右侧下方橙黄色线沿着‘x=0’(z轴)旋转360°得到封闭的三维曲面。三维封闭空间可以使用相同的方式把其他边界线旋转得到。

解决方案

从二维图形中获取右侧下方一半橙黄色实现数据,即下方代码前两行数据,我将其转置是为了后面产生矩阵。绕z轴旋转,二维的X坐标就转换成三维的X与Y坐标,二者关系式一个圆的方程,这里使用参数方程进行转换。使用surf绘制可得

X_t=Pos_2D{1,2}'; % 二维X坐标 Z_t=Pos_2D{1,3}'; % 二维Z坐标 theta = linspace(0, 2*pi, length(X_t)); % 产生相同长度的向量 X = X_t*cos(theta); % 产生三维X坐标矩阵 Y = X_t*sin(theta); % 产生三维Y坐标矩阵 Z=Z_t*ones(1,length(Z_t)); % 产生三维Z坐标矩阵 surf(X,Y,Z,'EdgeColor', 'none')

在这里插入图片描述

其他方案

在生成二维坐标值的时候 内嵌一个循环直接生成三维坐标。不相关变量没有提供注释。这样也可以得到上面的三维着色曲面。

tt=1; for i=1:length(epsilonWorkspace) phi_0 = EPSILON *2*bending_L(k)/d; phi(i) = epsilonWorkspace(i)*2*bending_L(k)/d; curve_angle(i) = phi_0-phi(i); R(i) = bending_L(k)/curve_angle(i); X(i)=-1*R(i)+R(i)*cos(curve_angle(i)) ; % 生成二维X坐标 Z(i)=R(i)*sin(curve_angle(i)); % 生成二维Z坐标 for p = 0 : pi/20 : 2*pi X_3D(tt) = X(i) * cos(tt); % 生成三维X坐标 Y_3D(tt) = X(i) * sin(tt); % 生成三维Y坐标 Z_3D(tt) = Z(i); % 生成三维Z坐标 tt = tt +1; end end %把上面的坐标向量转换成surf可以使用的矩阵 n = floor(nthroot(length(Z_3D),2)); X_3D((floor(nthroot(length(X_3D),2))^2+1):length(X_3D))=[]; Y_3D((floor(nthroot(length(Y_3D),2))^2+1):length(Y_3D))=[]; Z_3D((floor(nthroot(length(Z_3D),2))^2+1):length(Z_3D))=[]; XXX = reshape(X_3D,n,n)'; YYY = reshape(Y_3D,n,n)'; ZZZ = reshape(Z_3D,n,n)'; surf(XXX, YYY,ZZZ) 常见错误 surf报错

surf函数的输入参数都是矩阵

生成的图形是黑色

在这里插入图片描述 如果生成的曲面是上图黑色,这是因为之前的循环中间隔太小,然而默认surf会绘制曲线颜色导致,使用下面代码取消曲线颜色显示,结果如下: 在这里插入图片描述

生成曲面光滑

在这里插入图片描述 上图我人为是生成数据点时,点之间过渡不光滑导致,因为在其他方案中是 把二维XZ平面中的一个点处理成三维空间一个平面圆,然后处理下一个点。

参考资料 Matlab不规则区域渐变色填充及注意事项将数据表示为曲面将数据表示为曲面如何用Matlab快速画出带有3D渲染效果的复杂曲面


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