Наукова графіка в середовищі MatLab (Лабораторна робота № 1)

Лабораторна робота №1

Наукова графіка в середовищі MatLab

Мета роботи: вивчити засоби візуалізації даних наукових та інженерних розрахунків в обчислювальному середовищі MatLab та навчитися самостійно їх використовувати при оформленні лабораторних, курсових та дипломних робіт. Визначити основні вимоги до засобів графічного представлення даних.   

Теоретичні відомості

У широкому потоці інформації, що все з більшою швидкістю проноситься повз кожного з нас, неможливо звернути увагу на всі наукові статті, проаналізувати всі доповіді, розібратися в усіх ідеях та пропозиціях. Тому при публікації результатів наукових досліджень та представленні інженерних проектів досить важливим для правильної оцінки наявних даних та сприйняття їх науковою громадськістю чи безпосереднім керівником є відповідь на питання, чи вдалося авторові знайти найбільш ефективне графічне представлення даних, результатів розрахунків, статистичної інформації, порівняння запропонованих рішень з існуючими та іншої корисної інформації.   

Застосування комп’ютерної техніки зробило можливим майже для кожного включати до своїх проектів графічні ілюстрації з якістю, раніше доступною лише для професіоналів окремих спеціалізованих видавництв. Однак, широкі можливості містять в собі і відповідні небезпеки. Особливо для молодих науковців чи спеціалістів великою є спокуса наситити свої рисунки одразу всіма можливими фігурами, виділити певну лінію чи текст одночасно кольором, товщиною, шаблоном (штриховкою), додати до неї кольорову тінь, обрати найбільш вигадливий шрифт з максимальним числом завитків на літеру. Необхідно пам’ятати, що в науковій та інженерній графіці обов’язково слід дотримуватися чинних державних стандартів щодо оформлення наукової та конструкторської документації []. Наявні стандарти досить жорстко регламентують більшість аспектів побудови графічних зображень і це є досить важливим. За відсутності таких стандартів затрати часу на визначення, що саме і як саме позначається на даному конкретному рисунку, стали б занадто великими. І зараз більшість науковців чи інженерів, зустрічаючи абсолютно нестандартні рисунки та способи оформлення тексту в статті чи монографії, скоріше за все взагалі відмовляться від її  прочитання.

Середовище MatLab є одним з найбільш поширених пакетів для наукових та інженерних розрахунків і фактично є стандартом в університетах та науково-дослідницьких організаціях розвинених країн. Важливість візуалізації наукової та інженерної інформації зумовила наявність в MatLab широкого спектру графічних засобів:

-  двовимірні графіки в декартовій та полярній системах координат та на комплексній площині;

-  координатні осі з лінійною та логарифмічною шкалою;

-  тривимірні графіки з дротяними та зафарбованими поверхнями;

-  можливість візуалізації додаткових параметрів за рахунок кольору ліній чи поверхонь;

-  можливість накладання статистичної та ін. інформації на карти;

-  робота з текстурами

та багато інших можливостей.

Розглянемо більш детально побудову двовимірних та тривимірних зображень – графіків функцій, як одну з найбільш поширених задач, що виникають при візуалізації наукових та інженерних даних. 

Побудова двовимірних зображень

Повний перелік функцій MatLab, що дають змогу формувати та обробляти двовимірні зображення, знаходиться в розділі допомоги graph2d, який можна вивести на екран монітора за допомогою команди 

» helpwin graph2d

До основних функцій середовища наведено коротке описання деяких функцій:

1. Функція plot – застосовується для побудова двовимірної лінії по точкам з лінійною інтерполяцією,  синтаксис:

plot( x, y, style)

де x – вектор абсцис точок, y – вектор ординат, style – символьний рядок, що визначає стиль виводу лінії.

Для виводу кількох ліній на одному графіку:

plot( x1, y1, style1, x2, y2, style2, x3, y3, style3)

Приклад:

Параметр style в загальному випадку містить три символи і формується наступним чином: перший символ визначає колір лінії (b –синій, g – зелений, r – червоний, c – блакитний, m – пурпуровий, y – жовтий, k – чорний), другий символ – знак яким відмічаються точки на графіку (наприклад: "." – точка, "о" – коло, "v" – трикутник з основою вгорі і т.п.), останній, третій символ, визначає шаблон лінії ("-" – суцільна лінія, ":" – короткий штрих, "-." – штрих-пунктир, "--" – довгий штрих). Наприклад значення параметру ’со-’ означає що лінія буде виведена блакитним кольором, суцільною, а задані точки на ній будуть позначені колами. Якщо будь-який з символів не вказано, то стиль лінії визначається по замовчанню як суцільна лінія, без відмічування точок синього кольору для першої лінії на графіку, зеленого для другої і т.д.  Також наведену інформацію та приклади можна знайти у розділі допомоги MatLab, який виводиться на екран командою helpwin plot. 

2. Функція axis – управляє масштабом та шкалами на поточній фігурі.

Синтаксис:

axis ([Xmin Xmax Ymin Ymax])

Приклад:

Відмінити дію функції axis можна командою:

>> axis auto;

3. Функція grid  – додає/відключає до зображення сітку, синтаксис:

grid on;            % додати сітку;

grid off;           % відключити сітку;

Приклад:

Аналогічні дії можна виконувати за допомогою функцій xlim, ylim (див. довідку).

4. Функція zoom – включає/відключає можливість інтерактивного масштабування зображення користувачем, синтаксис функції:

zoom on;            % включити масштабування;

zoom off;           % відключити масштабування;

Наприклад, після виконання фрагмента:

натискуючи на фігурі лівою та правою кнопками миші можна збільшувати та зменшувати масштаб зображення.