Matlab（5）進階繪圖

一、Advanced 2D plots

1. Logarithm Plots

x = logspace(-1,1,1000); 
% 從-1到1生成等間隔的1000個點
y = x .^ 2;
subplot(2,2,1);
plot(x,y);
title('Plot');
subplot(2,2,2);
semilogx(x,y);
title('Semilogx');
subplot(2,2,3);
semilogy(x,y);
title('Semilogy');
subplot(2,2,4);
loglog(x,y);
title('loglog');
% set(gca,'XGrid','on')

semilogx(x,y);? 對 x 軸取對數
semilogy(x,y);? 對 y 軸取對數
loglog(x,y);??對 x 軸和 y 軸都取對數

2. Plotyy()

x = 0 : 0.01 : 20;
y1 = 200 * exp(-0.05*x) .* sin(x);
y2 = 0.8 * exp(-0.5*x) .* sin(10*x);
[AX,H1,H2] = plotyy(x,y1,x,y2);
set(get(AX(1),'Ylabel'),'String','Left Y-axis');
set(get(AX(2),'Ylabel'),'String','Right Y-axis');
title('Labeling plotyy');
set(H1,'LineStyle','--');
set(H2,'LineStyle',':');

[AX,H1,H2] = plotyy(x,y1,x,y2);

共用 x 軸，AX返回包含兩個坐標軸句柄的數組[AX(1),AX(2)],分別對應?左側 Y 軸?和?右側 Y 軸

H1、H2:分別返回左側? (y1) 和右側 (y2) 數據曲線的句柄
set(get(AX(1),'Ylabel'),'String','Left Y-axis');

獲得左邊的y軸坐標句柄，將標簽改為Left Y-axis
set(get(AX(2),'Ylabel'),'String','Right Y-axis');

獲得右邊的y軸坐標句柄，將標簽改為Right Y-axis

3.Histogram

y = randn(1,1000);
subplot(2,1,1);
hist(y,10);
title('Bin = 10');
subplot(2,1,2);
hist(y,50);
title('Bin = 50');

hist 將y中所有元素按照bin的個數進行分組，bin等于10，則所有y值，被分為10組，并在圖上用10個等寬度的矩形來表示這10個分組，每個矩陣的高度就表示bin中的元素數量，每個bin中元素的個數是所有y中的元素，依據x軸坐標有序劃入上介于每個bin橫坐標的最大值和最小值間的y元素數量。

4.Bar Charts

x = [1 2 5 4 8];
y = [x;1:5];
subplot(1,3,1);bar(x);title('A bargraph of vector x');
subplot(1,3,2);bar(y);title('A bargraph of vector y');
subplot(1,3,3);bar3(y);title('A 3D bargraph');

3D圖形中寬方向表示組別，長方向表示組內元素，高方向表示元素大小

第一個圖條形圖，第二個將兩個組別分開統計做了兩個條形圖

5. Stacked and Horizontal Bar Charts

x = [1 2 5 4 8];
y = [x;1:5];
subplot(1,4,1);
bar(y);
title('y');
subplot(1,4,2);
bar(y,'stacked');
title('y-stacked');
subplot(1,4,3);
barh(y);
title('y-h');
subplot(1,4,4);
barh(y,'stacked');
title('y-h-stacked');

bar后面加h，變成barh表示在生成的條狀圖平行與水平面（horizontal），

' stacked ' 表示在特定方向上的條狀圖堆疊

6. Pie Charts

a = [10 5 20 30];
subplot(2,3,1); pie(a);
subplot(2,3,2); pie(a,[0,0,0,1]);
subplot(2,3,3); pie(a,[1,1,1,1]);
subplot(2,3,4); pie3(a,[0,0,0,1]);
subplot(2,3,5); pie3(a,[1,1,1,1]);

pie(a);? 餅圖，畫扇形圖；pie3（）后面加個3代表3D圖形
subplot(2,3,2); pie(a,[0,0,0,1]);??

數組[0，0，0，1]代表扇形分片是否割裂開，0代表不割裂，1代表割裂

7.Polar Char

theta = linspace（0，2*pi）
生成一個從 0 到 2 的等間距角度數組 theta?，默認包含?100 個點。

x = 1:100;theta = x/10;r = log10(x);
subplot(2,3,1);polarplot(theta,r);
theta = linspace(0,2*pi);r = cos(4*theta);
subplot(2,3,2);polarplot(theta,r);
theta = linspace(0,2*pi,6);r = ones(1,length(theta));
subplot(2,3,3);polarplot(theta,r);
theta = linspace(0,2*pi,7);r = ones(1,length(theta));
subplot(2,3,4);polarplot(theta,r);
theta = linspace(0,2*pi);r = 1- sin(theta);
subplot(2,3,5);polarplot(theta,r);

theta = linspace(0,2*pi,6);? ?在0~2 $\pi$ 范圍內生成 6 個間隔相等的點?

r = ones(1,length(theta));? ? 生成 1 * length（theta）大小的矩陣，且值全為 1

polarplot(theta,r);? theta 極坐標的角度，r 極坐標的半徑

好看b（￣▽￣）d　！！

8.Stairs and Stem Charts

x = linspace(0,4*pi,40); y = sin(x);
subplot(1,2,1);stairs(y);
subplot(1,2,2);stem(y);

函數Stairs()用折線將取的點連起來，函數stem()是做出針狀圖

9.Boxplot and Error Bar

load carsmall.mat
boxplot(MPG,Origin);

① 使用 carsmall.mat??數據集繪制?MPG（每加侖英里數，Miles Per Gallon）

② 按 Origin（汽車原產國）分組對 MPG（每加侖英里數，Miles Per Gallon) 分類的箱線圖

③ 函數boxplot（），boxplot（MPG，Origin）會根據Origin的分組，為每組MPG數據繪制一個箱線圖。箱線圖顯示：中位數、上下四分位數、離群值（圓圈表示）等統計信息。

x = 0: pi/10:pi;
y =  sin(x);
e = std(y) * ones(size(x));
errorbar(x,y,e);

使用 std(y) (y的標準差）作為所有數據點的固定誤差值，通過?e = std(y) * ones(size(x));?復制為與x等長的向量。這種處理方式表示所有數據點的誤差相同。誤差條會以垂直線段顯示在每個數據點周圍，線段長度 = e 的值，即 std（y）。

10.fill（）

t = (1:2:15)' * pi/8;
x = sin(t);
y = cos(t);
fill(x,y,'r');
axis square off;
text(0,0,'STOP','Color','w','FontSize',80, ...'FontWeight','bold','HorizontalAlignment','center');

t = (1:2:15)' * pi/8;? 生成等差順序的角度序列， $\frac{\pi}{8 }$ ， $\frac{3\pi}{8 }$ ， $\frac{5\pi}{8 }$ ， $\frac{7\pi}{8 }$ ......

x = sin(t);? ? %? 將角度轉化為 x 坐標

y = cos(t);? ? % 將角度轉化為 y?坐標

fill(x,y,'r');? ? % 將八邊形內部涂上紅色

axis square off;? ? % 關閉坐標軸的方形設定

text(0,0,'STOP','Color','w','FontSize',80, ...
'FontWeight','bold','HorizontalAlignment','center');? ?

% 設置圖形的樣式 STOP 白色字體放中央，字體大小80，加粗bold，字體放置中央

二、Color Space

顏色有兩種表達方式：

① 0 0 0 表示純黑色，1 1 1 表示純白色，介于 0 0 0 ~ 1 1 1 之間是灰度。

② 0 0 0 表示純黑色，255 255 255 表示純白色，0 255 0 表示純綠色，0 0 255 表示純藍色，

255 0 0 表示純紅色

③ 三個數字分別對應 [ R G B ]? 每個顏色的色度值

G = [46 38 29 24 13];  % 金牌數據（USA, CHN, GBR, RUS, KCR）
S = [29 27 17 26 8];   % 銀牌數據
B = [29 23 19 32 7];   % 銅牌數據% 繪制堆疊條形圖（每組柱子包含G/S/B三個部分）
h = bar(1:5, [G' S' B']);  % 設置X軸標簽為國家名稱
set(gca, 'XTickLabel', {'USA','CHN','GBR','RUS','KCR'});  % 自定義顏色（金色、銀色、銅色）
set(h(1), 'FaceColor', [1 0.84 0]);  % 金色 (Gold)
set(h(2), 'FaceColor', [0.75 0.75 0.75]); % 銀色 (Silver)
set(h(3), 'FaceColor', [0.8 0.5 0.2]);    % 銅色 (Bronze)% 添加標題和軸標簽
title('Medal count for top 5 countries in 2012 Olympics');
xlabel('Country');
ylabel('Number of medals');% 添加圖例
legend('Gold', 'Silver', 'Bronze');

set(h(1), 'FaceColor', [1 0.84 0]); ?

% 金色 (Gold) =? 紅色分量R（1）+ 綠色分量G（0.84）+ 藍色分量（0)

% h（1）第一條柱子顏色

set(h(2), 'FaceColor', [0.75 0.75 0.75]);

% 銀色 (Silver)=? 紅色分量R（0.75）+ 綠色分量G（0.75）+ 藍色分量（0.75)

% h（2）第二條柱子顏色

set(h(3), 'FaceColor', [0.8 0.5 0.2]); ?

?% 銅色 (Bronze)=? 紅色分量R（0.8）+ 綠色分量G（0.5）+ 藍色分量（0.2）

% h（3）第三條柱子顏色

1. Visualizing Data as An Image：imagesc（）

① meshgrid(x,y)的功能是：根據給定的向量 x 和 y ，生成二維網格平面上的所有坐標點組合，返回兩個矩陣 x 和 y，分別表示所有點的 x 坐標和 y 坐標。

② surf（x，y，z）函數：根據給定的網格坐標（x，y）和高度值 z?，繪制三維曲面。曲面的顏色默認由?z 值決定，可通過 colormap 修改。

③ box on 命令：顯示所有三個維度的邊框。

[x,y] = meshgrid(-3:.2:3,-3:.2:3);
z = x.^2 + x.*y + y.^ 2;
surf(x,y,z);
box on;
set(gca,'FontSize',16);
zlabel('z');
xlim([-4 4]);
xlabel('x');
ylim([-4 4]);
ylabel('y');

2. Color Bar and Scheme

colorbar;? 添加顏色條

colormap（cool）；colormap（hot）；colormap（gray）；

3. Built-in Colormaps

每一個colormap都是一個256*3的矩陣

4.Exercise

a = zeros(256,3);
a(:,1) = 0;
a(:,2) = linspace(0.1,0.9,length(a));
a(:,3) = 0;
colormap(a);
x = [1:10;3:12;5:14];
imagesc(x);
colorbar;

① Colormap是 256 * 3 的矩陣，前四行定義 a 矩陣存儲綠色 colormap 的256 * 3 的矩陣

因為是綠色系，所以第一列紅色分量R全為0，且第三列藍色分量B也全為0，

第二列綠色分量G也就是在0~1中生成256個等間距的綠色顏色值，然后把定義的 x 數組涂上顏色

② imagesc（x）是一個用于?可視化矩陣數據?的函數，它會將矩陣?x 的值映射為彩色圖像，并自動縮放顏色范圍以適應數據。

三、3D Plots

1.plot3（）

x = 0:0.1:3*pi;z1 = sin(x);z2 = sin(2*x);z3 = sin(3*x);
y1 = zeros(size(x));y3 = ones(size(x));y2 = y3 ./2;
plot3(x,y1,z1,'r',x,y2,z2,'b',x,y3,z3,'g');grid on;
xlabel('x-axis');ylabel('y-axis');zlabel('z-axis');

x = 0:0.1:3*pi;z1 = sin(x);z2 = sin(2*x);z3 = sin(3*x);

% 設置所有點的 x 坐標和 z 坐標
y1 = zeros(size(x));y3 = ones(size(x));y2 = y3 ./2;

% 設置第一條直線上所有點的y坐標都是0，第二條直線上所有點的y坐標都是0.5，第三條直線上所有點的y坐標都是1

2. More 3D Line Plots

t = 0:pi/50:10*pi;
plot3(sin(t),cos(t),t);
grid on;axis square;

螺旋線：橫坐標是 sin(t) 、縱坐標是 cos(t) 、高度是 t

turns = 40*pi;
t = linspace(0,turns,4000);
x = cos(t) .* (turns - t) ./turns;
y = sin(t) .* (turns - t) ./turns;
z = t ./ turns;
plot3(x,y,z);grid on;

錐形螺旋線：橫坐標是 cos(t) .* (turns - t) ./turns 、縱坐標是 sin(t) .* (turns - t) ./turns?

高度是?t ./ turns;

3.Principles for 3D Surface Plots

meshgrid(x,y)的功能是：根據給定的向量 x 和 y ，生成二維網格平面上的所有坐標點組合，返回兩個矩陣 x 和 y，分別表示所有點的 x 坐標和 y 坐標。

x = -2:1:2;
y = -2:1:2;
[X,Y] = meshgrid(x,y);

4.Surface Plots: mesh() and surf()

x = -3.5:0.2:3.5;
y = -3.5:0.2:3.5;
[X,Y] = meshgrid(x,y);
Z = X .* exp(-X .^2 - Y .^ 2);
subplot(1,2,1); mesh(X,Y,Z);
subplot(1,2,2); surf(X,Y,Z);

mesh(X，Y，Z) 網格曲面圖：僅顯示曲面的?網格線（Wireframe），不填充網格面顏色。

surf(X，Y，Z) 表面曲面圖：顯示曲面的填充面和網格線。

5.contour()

x = -3.5:0.2:3.5;
y = -3.5:0.2:3.5;
[X,Y] = meshgrid(x,y);
Z = X .* exp(-X .^2 - Y .^ 2);
subplot(1,2,1); mesh(X,Y,Z);
axis square;
subplot(1,2,2); contour(X,Y,Z);
axis square;

contour(X，Y，Z)是一個用于繪制?二維等高線圖?的函數，它通過等高線來可視化三維數據?Z?的分布。將三維曲面?Z 投影到二維平面，用閉合曲線（等高線）表示相同?Z 值的區域。

6. Various Contoyr Plots

x = -3.5:0.2:3.5;
y = -3.5:0.2:3.5;
[X,Y] = meshgrid(x,y);
Z = X .* exp(-X .^2 - Y .^ 2);
subplot(1,3,1); contour(Z,[-0.45:0.05:0.45]);axis square;
subplot(1,3,2); [C,h] = contour(Z);
clabel(C,h); axis square;
subplot(1,3,3); contourf(Z); axis square;

子圖	代碼	功能
1	contour(Z,[-0.45:0.05:0.45])	手動指定等高線層級（-0.45到0.45，步長0.05）
2	[C,h] = contour(Z)；clabel (C，h)；	自動分層+添加數值標簽
3	contourf (Z)	填充顏色的等高線圖（contour后加 f ，意思為 fill ）

7. Exercise

hold on
x = -3.5:0.2:3.5;
y = -3.5:0.2:3.5;
[X,Y] = meshgrid(x,y);
Z = X .* exp(-X .^2 - Y .^ 2);
clabel(contourf(Z,[-0.45:0.05:0.45])); axis square;
hold off

clabel(contourf(Z,[-0.45:0.05:0.45])); axis square;

函數clabel (C，h) 和函數contourf (Z)疊一塊使用就得到含有數值的等高線圖

8.meshc() and surfc()

x = -3.5 :0.2:3.5;
y = -3.35:0.2:3.5;
[X,Y] = meshgrid(x,y); Z = X.* exp(-X .^ 2 - Y .^ 2);
subplot(1,2,1); meshc(X,Y,Z);
subplot(1,2,2); surfc(X,Y,Z);

① meshc(X，Y，Z)：網格曲面 + 等高線

上方：三維網格曲面，同mesh ；底部：二維等高線投影，同contour?

② sufc(X，Y，Z)：表面曲面 + 等高線

上方：三維填充曲面，同surf ；底部：二維等高線投影，同contour?

9.View Angle: view()

sphere(50);shading flat;
light('Position',[1 3 2]);
light('Position',[-3 -1 3]);
material shiny;
axis vis3d off;
set(gcf,'Color',[1 1 1]);
view(-45,20);

①?sphere(50);?生成單位球面的三維坐標，默認返回50×50的網格，50?表示球面的網格細分程度，值越大越光滑。

② shading flat ；設置著色模式為?平坦著色，即每個網格面單色

③?light('Position',[1 3 2])；light('Position',[-3 -1 3])；

? 光源三維坐標的位置，決定光照方向和陰影效果，增強立體感

④?material shiny；設置物體表面為?高光材質

⑤?axis vis3d off；vis3d 保持三維比例不變形；'Color',[1 1 1]，設置圖形窗口背景為白色

⑥ view(-45,20) ：方位角（Azimuth）: -45度，從正東方向逆時針旋轉45度；俯仰角（Elevation) :?20 度，向上傾斜20度

10.Ligth：light()

light（）函數用于三維圖形中添加光源，通過模擬光照增強立體感和真實感。

L1 = light（'Position'，[-1，-1，-1]）； % 添加光源位置?

set（L1，'Color'，'g'）； % 添加光源色彩

[X, Y, Z] = sphere(64); h = surf(X,Y,Z);
axis square vis3d off;
reds = zeros(256,3); reds(:,1) = (0:256.-1)/255;
colormap(reds); shading interp;lighting phong;
set(h,'AmbientStrength',0.75,'DiffuseStrength',0.5);
L1 = light('Position',[-1,-1,-1]);
set(L1,'Positiion',[-1,-1,1]);
set(L1,'Color','g');

① [X, Y, Z] = sphere(64); h = surf(X,Y,Z);

生成一個 64×64 網格的高精度單位球面，并繪制曲面。64是球面的網格細分程度，值越大表面越光滑；h曲面對象的句柄，用于后續屬性修改。

②?axis square vis3d off;

square?保持坐標軸比例一致，vis3d?在旋轉時保持三維視角比例，off 隱藏坐標軸和標簽。

③ reds = zeros(256,3); reds(:,1) = (0:256.-1)/255;

自定義紅色漸變色圖，創建一個 256×3 的零矩陣，僅填充第一列的紅色通道

④?colormap(reds); 應用自定義的紅色漸變色圖

⑤ shading interp; 平滑著色，顏色在網格間漸變，消除網格線

lighting phong;? 使用?Phong 光照，計算高光反射，效果更逼真

⑥?set(h,'AmbientStrength',0.75,'DiffuseStrength',0.5);

'AmbientStrength',0.75：增強環境光和整體亮度

'DiffuseStrength',0.5 ：減少漫反射，降低非直射光的影響

11.patch()

patch（）函數用于創建?多邊形面片對象，用于繪制自定義 2D/3D 形狀、填充區域或構建復雜幾何體。

參數	效果
' Vertices '?	邊緣線顏色定義所有的點
' Faces '	定義所有的面
' FaceVertexCData '	為8個頂點分配不同顏色，使用 HSV 色圖的前8種顏色
' FaceColor '	每個面單色，顏色由面的第一個頂點決定

v = [0 0 0; 1 0 0; 1 1 0; 0 1 0; 0.25 0.25 1;...0.75 0.25 1;0.75 0.75 1;0.25 0.75 1];
f = [1 2 3 4; 5 6 7 8; 1 2 6 5; 2 3 7 6; 3 4 8 7 ; 4 1 5 8];
subplot(1,2,1); patch('Vertices',v,'Faces',f, ...'FaceVertexCData',hsv(6),'FaceColor','flat');
view(3); axis square tight; grid on;
subplot(1,2,2); patch('Vertices',v,'Faces',f,...'FaceVertexCData',hsv(8),'FaceColor','interp');
view(3); axis square tight; grid on;

view（3）用于設置三維圖形視角的函數，根據當前坐標區的視角切換到默認的三維視圖，默認方位角 -37.5°，默認俯仰角 30°