基于Matlab数据函数可视化及其应用

分类：免费论文    更新时间：08-23    来源：网络

 一、引言

MATLAB是Math Work公司开发的一套功能十分强大的工程计算及数值分析软件包，现在它的应用范围涵盖了当今几乎所有的工业、电子、医疗、建筑等领域，开放的结构使得MATLAB很快成为工业、工程、教育等的标准。

  可视化技术最早运用于计算科学中，并形成了可视化技术的一个重要分支——科学计算可视化。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟和计算。MATLAB数据可视化是关于数据之视觉表现形式的研究，其中，这种数据的视觉表现形式被定义为一种以某种概要形式抽提出来的信息，包括相应信息单位的各种属性和变量。

1、MATLAB简介

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。其特点在于1) 高效的数值计算及符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来； 2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化; 3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌握; 4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。

2、研究可视化的目的

可视化（Visualization）是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术。最早运用于计算科学中，并形成了可视化技术的一个重要分支——科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)。科学计算可视化能够把科学数据，包括测量获得的数值、图像或是计算中涉及、产生的数字信息变为直观的、以图形图像信息表示的、随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在研究者面前，使他们能够观察、模拟和计算。

最近几年计算机图形学的发展使得三维表现技术得以形成，这些三维表现技术使我们能够再现三维世界中的物体，能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化（Visualization）技术。可视化技术使人能够在三维图形世界中直接对具有形体的信息进行操作，和计算机直接交流。这种技术已经把人和机器的力量以一种直觉而自然的方式加以统一，这种革命性的变化无疑将极大地提高人们的工作效率。可视化技术赋予人们一种仿真的、三维的并且具有实时交互的能力，这样人们可以在三维图形世界中用以前不可想象的手段来获取信息或发挥自己创造性的思维。机械工程师可以从二维平面图中得以解放直接进入三维世界，从而很快得到自己设计的三维机械零件模型。医生可以从病人的三维扫描图象分析病人的病灶。军事指挥员可以面对用三维图形技术生成的战场地形，指挥具有真实感的三维飞机、军舰、坦克向目标开进并分析战斗方案的效果。

可视化具有以下特点：（1）交互性。用户可以方便的以交互的方式管理和开发数据；

（2）多维性。可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按其每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。（3）可视性。数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并可对其模式和相互关系进行可视化分析。它的主要意义在于大大加快数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到有效利用，还可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据中隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具，并且可以实现对计算机和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响。

本文利用MATLAB演示了直线拟合，电磁场和电磁波的生成、传输的过程的可视化和磁电式传感的动态特性，体现了MATLAB的强大的功能。在未来无论你从事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。它的强大的图像功能使图形可视化变得十分简单，它还具有较强的编辑图形界面的能力。

二、实验数据处理中的应用

   所谓数据处理是从获得数据起到得出结论为止的整个数据加工过程。常用的数据处理方法有列表法、作图法、和最小二乘法拟合，本节主要讨论最小二乘法线性拟合。

   在科学实验和统计研究中，常常要从一组测量数据求得变量间的最佳函数关系，如从n对（，）的测量值去求得变量x和y间的最佳函数关系式y=f(x)。从图形上来看，这个问题就是在平面指教坐标上，从给定的n个点（，）(i=1,2,…,n)求一条最接近这一组数据点的曲线，以显示这些点的总趋向，这一过程称为曲线拟合，该曲线的方程称为回归方程。

  所谓最小二乘法原理，是指测量结果的最可信赖值应在残余误差平方和最小的条件下求出。在自动检测系统中，两个变量间的线性关系是一种最简单也是最理想的函数关系。