MATLAB绘制3D隐函数曲面的方法总结

背景介绍
Matlab提供了一系列绘图函数，常见的包括绘制2D曲线的plot函数、绘制2D隐函数曲线的ezplot函数、绘制3D曲面的mesh和surf函数、绘制3D显函数曲面的ezmesh和ezsurf函数。值得注意的是，ez系列的绘图函数里只有ezplot是绘制隐函数曲线的，ezmesh和ezsurf都是画显函数曲面的（不要被ez的名字误解了）。遗憾的是，matlab里并没有提供直接绘制3D隐函数曲面的函数。本帖的目的就是归纳总结几种方便易用的绘制隐函数曲面的办法。

问题描述

如何绘制3元方程f(x, y,z) = 0确立的隐函数曲面z = g(x,y)？其中，方程f(x, y,z) = 0无法求解z关于x、y的表达式，即g(x, y)的显式表达式无法获取。

准备工作——基础函数介绍

为了解决上述问题，我们需要先对几个重要的图形函数isosurface、patch、isonormals取得初步的了解，如果您已经对这三个函数很熟悉，可以直接跳过这一步。 

l.  isosurface 等值面函数

调用格式：fv = isosurface(X,Y,Z,V,isovalue)

作用：返回某个等值面（由isovalue指定）的表面（faces）和顶点（vertices）数据，存放在结构体fv中（fv由vertices、faces两个域构成）。如果是画隐函数 v = f(x,y,z) = 0 的三维图形，那么等值面的数值为isovalue = 0。

2.  patch函数

调用格式：patch(X,Y,C) 以平面坐标(X, Y)为顶点，构造平面多边形，C是RGB颜色向量

                    patch(X,Y,Z,C)以空间3-D坐标(X, Y,Z)为顶点，构造空间3D曲面，C是RGB颜色向量

                    patch(fv) 通过包含vertices、faces两个域的结构体fv来构造3D曲面，fv可以直接由等值面函数isosurface得到
例如：patch(isosurface(X,Y,Z,V,0))

3.  isonormals等值面法线函数

调用格式：isonormals(X,Y,Z,V,p)

实现功能：计算等值面V的顶点法线，将patch曲面p的法线设置为计算得到的法线（p是patch返回得到的句柄）。如果不设置法线的话，得到曲面在过渡地带看起来可能不是很光滑

有了上述三个函数后，我们已经具备间接绘制3D隐函数曲面的能力了。下面以方程
f(x,y, z) = x.*y.*z.*log(1+x.^2+y.^2+z.^2)-10 = 0为例，讲解如何画3D隐函数曲面。

解决办法一：isosurface + patch+ isonormals

实现原理：先定义3元显函数v =f(x, y, z), 则 v = 0 定义的等值面就是z = g(x,y)的3D曲面。利用isosurface函数获取v= 0 的等值面，将得到的等值面直接输入给patch函数，得出patch句柄p，并画出patch曲面的平面视角图形。对p用isonormals函数设置曲面顶点数据的法线，最后设置颜色、亮度、3D视角，得到3D曲面。

代码如下：

1. f = @(x,y,z) x.*y.*z.*log(1+x.^2+y.^2+z.^2)-10;      % 函数表达式
   
2. [x,y,z] = meshgrid(-10:.2:10,-10:.2:10,-10:.2:10);       % 画图范围
   
3. v = f(x,y,z);
   
4. h = patch(isosurface(x,y,z,v,0)); 
   
5. isonormals(x,y,z,v,h)              
   
6. set(h,'FaceColor','r','EdgeColor','none');
   
7. xlabel('x');ylabel('y');zlabel('z'); 
   
8. alpha(1)   
   
9. grid on; view([1,1,1]); axis equal; camlight; lighting gouraud
   

复制代码

代码说明：

• alpha函数用于设置patch曲面的透明度（可以是0~1任意数值），1 表示不透明，0 表示最大透明度。如果想设置透明度为0.7，可以修改alpha(1)为alpha(0.7)。
  

• 使用此代码解决特定问题时，只需将第1行的函数表达式替换为特定问题的函数表达式，将第2行数据（x、y、z）范围换成合适的范围，后续代码无需任何变动。
  

得到图形：