matlab 绘图与动画制作

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一、MATLAB常用绘图函数

1、plot() 函数

plot() 函数用来绘制二维曲线和三维曲线，调用方法如下：

% 一根二维曲线
plot(x, y)
plot(x, y, 'LineWidth', w, 'color', [1 0 0])

% 一次性画多条曲线
plot(x,y1,'g',x,y2,'b--o',x,y3,'c*')

% plot3 三维曲线
t = 0 : 0.1 : 6*pi;
plot3(cos(t),sin(t),t,'-b','LineWidth',4);

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2、surf() 函数

     surf() 函数用于绘制三维曲面，并可以使用不同色彩风格渲染图形，使用surf函数绘制步骤如下：

1. 设置 x y 坐标
2. 使用[X, Y] = meshgrid(x, y)生成坐标网格
3. 根据X Y的函数生成Z的值
4. 调用surf(X, Y, Z)绘制

举个栗子：

y = -3 : 0.5 : 3;
x = -3 : 0.5 : 3;
[X, Y] = meshgrid(x, y);	% 生成坐标格子

Z = X.^2 + Y.^2;
surf(X, Y, Z)
shading interp	# 隐藏网格
colormap('summer')	# 用 'summer' 风格渲染曲面
set(gcf, 'color', [1 1 1])	# 将坐标框边缘设置为白色（去掉它试试）

绘制结果如下：

colormap 的详细使用方法可以查看文档或者参考博客：MATLAB中colormap函数

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3、ezplot() 函数

  ezplot() 函数可以使用很短的代码绘制各种曲线、曲面、隐函数的图像，使用方法如下：

• syms sym， 声明sym为变量
• ezplot(‘f’, [A, B]), f 是关于x的函数, A
• ezplot(‘f=const’), 隐函数作图
• ezplot(‘x(t)’, ‘y(t)’, ‘z(t)’, range)，参数方程作图

clear all
figure
subplot(221)
syms x
ezplot('sin(x)', [-2*pi, 2*pi])

subplot(222)
syms x y
ezplot('x.^2 + y.^2 = 9')
axis equal, axis([-3.2 3.2 -3.2 3.2])

subplot(223)
ezplot('(x^2-1+y^2)^3-x^2*y^3 = 0')
axis([-2 2 -1.5 1.5])

subplot(224)
ezplot3('sin(t)', 'cos(t)', 't', [0, 6*pi])

结果如下：

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二、动画绘制

1、绘制原理

动画是通过把人物的表情、动作、变化等分解后画成许多动作瞬间的画幅，再用摄影机连续拍摄成一系列画面，给视觉造成连续变化的图画。
它的基本原理与电影、电视一样，都是视觉暂留原理。

       在matlab中，我们可以通过重复绘制来生成动画效果，可以在原图的基础上修改绘制对象的参数并重新绘制，也可以通过反复调用绘图的函数来实现 (●’◡’●)

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2、绘制步骤

step1: 绘制静态的图
step2: 重复绘制

• 保存第一次调用绘图函数返回的值，在循环里面使用 set('XData', X, 'YData', Y, 'ZData', Z)
  函数设置参数，并调用 drawnow; 函数在原图上重新绘制，得到动态效果
• 在循环里面反复调用 plot 或 surf 函数，使用 getframe; 函数获取每一帧图像并显示，实现动画效果

3、代码模板

• 模板1：通过 set - drawnow 实现

X = start : step : end;
Y = f(X);

% 第一次绘制，保存返回值
h = plot(X, Y, 'LineWidth', 1);

while true
    % 改变X、Y的值
    change_value(X);
    change_value(Y);
    
    % 使用set修改数据
    set(h, 'XData', theta, 'YData', Y);
    
    drawnow;	% 重新绘制
end

• 模板2：通过 plot - getframe 实现

X = start : step : end;
Y = f(X);

while true
    % 改变X、Y的值
    change_value(X);
    change_value(Y);
	
	% 重复绘制
	plot(X, Y)
    
    % 获取帧
    currFrame = getframe;
end

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三、举个栗子

example 1：绘制一根弹簧

实现思路：
        反复的调整螺旋线的间距，实现压缩伸长的效果

详细代码：

% 弹簧
theta = -16*pi : 0.1 : 16*pi;
X = sin(theta);
Y = cos(theta);
Z = theta;

h = plot3(X, Y, Z, 'LineWidth', 1);
axis([-2 2 -2 2 -50 50]);
set(h, 'color', [0.5 0.25 0.12], 'LineWidth', 2)
axis off, set(gcf, 'color', [1 1 1])

while true
    for i = 1 : 100
        Z = 0.98 * Z;
        set(h, 'XData', X, 'YData', Y, 'ZData', Z);
        drawnow;
    end
    
    for i = 1 : 100
        Z = Z / 0.98;
        set(h, 'XData', X, 'YData', Y, 'ZData', Z);
        drawnow;
    end
end

看，它在动：

但是上面的弹簧看着不咋地，我们可以用surf函数绘制一个三维的弹簧模型：

% 弹簧
R = 5;
r = 0.8;
rate = 0.4;
th = 0 : pi/100 : 10*pi;
phi = 0 : pi/100 : 2*pi;
[theta, fai] = meshgrid(th, phi);

X = R*cos(theta) + r*cos(fai).*cos(theta);
Y = R*sin(theta) + r*cos(fai).*sin(theta);
Z = rate * theta + r.*sin(fai);

h = surf(X, Y, Z);
shading interp;
% colormap([0.8 0.4 0.25]), camlight;
colormap([0.76 0.5 0.13]), camlight;
set(gcf, 'color', [1 1 1])
axis equal, axis off
set(gcf, 'color', [1 1 1])
axis(1.1*[-(R+r) (R+r) -(R+r) (R+r) min(th)-1 max(th)*rate/(0.985^20)])

while true
    for i = 1 : 20
        rate = rate / 0.985;
        Z = rate * theta + r.*sin(fai);
        set(h, 'XData', X, 'YData', Y, 'ZData', Z);
        drawnow;
    end
    
    for i = 1 : 20
        rate = rate * 0.985;
        Z = rate * theta + r.*sin(fai);
        set(h, 'XData', X, 'YData', Y, 'ZData', Z);
        drawnow;
    end
end

cool~

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example 2：做一块曲奇饼

实现思路：

• 使用参数方程绘制一个圆环
• 将圆环改为曲奇饼形状
• 在第二步的基础上增加一个变化的时间参量，实现旋转

详细代码：

clear all
R = 2;  % 
t = 0 : pi/100 : 2*pi;
p = 0 : pi/100 : 2*pi;
[theta, phi] = meshgrid(t, p);

time = 0 : 0.1 : 100;
for n = 1 : length(time)
    r = 1 + 0.2 * cos(8 * (phi - theta + time(n))); % 内半径
    X = (R + r.*cos(theta)).*cos(phi);
    Y = (R + r.*cos(theta)).*sin(phi);
    Z = r .* sin(theta);
    
    surf(X, Y, Z);
    shading interp, colormap('autumn')
    axis equal, axis([-3.5 3.5 -3.5 3.5 -2 2])
    axis off, set(gcf, 'color', [1 1 1])
   
    currFrame = getframe;
end

结果如下：

其他口味的曲奇饼也有，现烤现卖，酥脆可口

5￥	6￥	6￥	5￥
10￥	8￥	5￥	3￥

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完结 cheers！
参考：
1、matlab入门教程
2、怎样把Matlab制作的动画保存成avi和gif格式