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Matlab程序——3d玫瑰

花匠小妙招
2024-11-18 09:31

目录效果展示项目简介程序代码基本思路局部算法程序文档程序源码更新日志

效果展示

经典玫瑰
紫色妖姬
其它作品

项目简介

软件平台：Matlab；软件功能：画出一个，比较逼真的玫瑰花，形状可以调节；修改相关参数，理论上可以画出其他种类的花，以及形状类似的物品；灵感来源：奶油蛋糕的一种裱花手法；项目缘由：送给我爱人的情人节礼物~代码水平：新手水平，非专业向；备注说明：限于篇幅等原因，没有上传全部代码。包括一些新功能，更多可控参数，以及set函数，flower父类等等，不算核心内容；花萼见“局部算法-多花瓣”，花枝只是简单的弯曲圆柱，就不做上传了。完整项目：https://download.csdn.net/download/WoodenHouser/12657865

程序代码

基本思路

核心原理——像素图像，空间点阵：求出double points[][][3]，然后surf(points)画出。生成花瓣——基于一个圆柱侧面：
在这里插入图片描述

按起止角度纵向切割，横截面从整圆变为圆弧；母线由直线变为曲线，即r(h)由常数变为0-m-n-1(m>n)的变量；上侧边缘剪去两边直角，修成圆滑的曲线，并处理锯齿；生成花朵——多个花瓣组合：按照递增半径i，生成n个同心圆排列的花瓣；其中花瓣的各参数按i做了调节，这样更自然；生成花枝花萼等等。

main(){rose=new rose();rose.render(); } class rose{render(){for(int i=0;i<this.petal_num;i++){petal=new petal();petal.render();}} } class petal{render(){points=get_points();surf(points);} }

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局部算法

抗锯齿算法：

% 核心原理：用三角形填充锯齿的缝隙，使边缘由锯齿状变为多边形状； % 实现方式：将原本锯齿外应该删掉的点不要删掉，而是修改他们的坐标，将他们平移到锯齿边缘 for(int i=0;i<points.column_num;i++){pocessing_column=points[][i];longer_column=longer(points[][i-1],points[][i+1]);for(int j=pocessing_column.row_num;j<longer_column.row_num;j++){pocessing_column[j]=pocessing_column[row_num];} } 123456789

母线曲线算法：

% 输入一系列点的坐标； % 以这些点为拐点，用分段三角函数连接每两个点；% 如y=sin(x)连接了[-pi/2,-1],[pi/2,1]...这一系列点； % 将每段放缩至y=0-1的范围，然后apply幂函数运算，y=y^a，调整曲线凹凸性，运算完了再放缩回原y范围。 % 备注：由于更换此函数即可改变花瓣形状，且此函数具有一定的通用性，所以做成外置独立函数。 12345

对切割圆柱，母线弯曲的优化：

% 实际代码中自始至终都没有，先调用cylinder()函数生成完整的圆柱，再切割变弯。 % 而是首先生成母线和圆弧，之后直接利用矩阵叉乘生成曲面。 12

随机化算法：

% 将花瓣参数按花瓣序号做一定的处理，使其不完全一样，具有一定的波动，从而使花朵看上去更自然。 % 如花瓣的起始角度，大小，高度，等等。 12

图像描边算法：

% 刚开始画出来的图像效果不好，后来借用绘画中描边的思想，用较边缘颜色稍浅的颜色描一圈，效果更好。 % 该部分代码较为生硬，未优化，且逻辑上属于主过程之外的附属过程。 12

多类型花瓣算法：

% 由于花瓣的参数由花朵类负责生成，所以在花朵类中将函数“花瓣参数（花瓣序号）”改为分段函数，即可实现一朵花中有多种花瓣 % 可用于实现花萼，花蕊，复杂的花朵等等。 12

程序文档

class Rose{% 属性：Flower_Attribute;% 花朵通用参数，构造时输入Rose_Attribute;% 玫瑰特征参数，预先指定Petals_Attribute;% 花瓣控制参数，构造时计算% 方法： Render(){}% 在画板上画出本玫瑰Get_Petal(){}% 返回第i个花瓣Get_Petal_Attribute(){}% 返回所有花瓣的对应属性 } 12345678910

class Petal{% 属性：Petal_Attribute;% 花瓣参数，构造时输入% 方法： Render(){}% 在画板上画出本花瓣 Get_Matrix(){}% 返回像素点阵的坐标 Get_Color(){}% 返回每个像素点颜色Get_Cylinder(){}% 生成基础花瓣胚TrimFillet(){}% 将花瓣修剪圆角ApplySize(){}% 将花瓣拉伸大小 } 1234567891011

程序源码

"Draw_Rose.m"文件：

% 清空窗口 clf; clear; clc; % 环境准备 axis equal; hold on; xlabel('x'); ylabel('y'); zlabel('z'); % 参数准备 fineness=1; % 渲染精细度 flower_position=[1,2,3]; % 花托位置 flower_size=1; % 放大倍数 petal_number=8; % 花瓣数量 % 画出玫瑰 rose=Rose(fineness,flower_position,flower_size,petal_number); rose.Render();

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"Rose.m"文件：

classdef Rose properties % 花朵控制参数 fineness=1;% 渲染精细度 flower_position=[0,0,0];% 花托位置 flower_size=1;% 放大倍数 petal_number=8;% 花瓣数量 % 花瓣控制参数 petal_size;% [size_x,size_y,size_z;...] petal_pixel;% [pixel_xy,pixel_z;...] petal_theta;% [theta_start,theta_range;...] petal_radius_z;% radius_z[][] petal_fillet;% fillet[][] petal_color;% [red,green,blue,dark;...] petal_line_c;% [red,green,blue;...] end properties(Hidden) petal_ratio=[1,1,1];% 花瓣大小比例 petal_theta_range=270;% 花瓣角度大小 petal_inflexion_point=[% 花瓣竖向曲线拐点 0,0.32,0.6,1; 0,1,0.85,1.15]; petal_inflexion_power=[1/4;1;1];% 花瓣径向凹凸程度(凹nan——0凸) end methods % 构造函数 function this=Rose(fineness,flower_position,flower_size,petal_number) % 参数录入 this.fineness=fineness; this.flower_position=flower_position; this.flower_size=flower_size; this.petal_number=max(0,round(petal_number)); % 参数计算 this.petal_size=this.Get_Petal_Size(); this.petal_pixel=this.Get_Petal_PixelNum(); this.petal_theta=this.Get_Petal_Theta(); this.petal_radius_z=this.Get_Petal_Radius_z(); this.petal_fillet=this.Get_Petal_Fillet(); this.petal_color=this.Get_Petal_Color(); this.petal_line_c=this.Get_Petal_Line_C(); end % 渲染图像 function Render(this) % 渲染花朵 for petal_sequence=1:this.petal_number % 生成并渲染花瓣 petal_rose=this.Get_Petal(petal_sequence); petal_rose.Render(); end % 关闭网格 shading interp; end % 花瓣生成 function petal_rose=Get_Petal(this,petal_sequence) % 数据准备 size=this.petal_size(petal_sequence,:); pixel=this.petal_pixel(petal_sequence,:); theta=this.petal_theta(petal_sequence,:); radius_z=this.petal_radius_z(petal_sequence,:); fillet=this.petal_fillet(petal_sequence,:); color=this.petal_color(petal_sequence,:); line_c=this.petal_line_c(petal_sequence,:); % 花瓣生成 petal_rose=Petal(size,pixel,theta,radius_z,fillet,color,line_c); end % 花瓣大小计算 function petal_size=Get_Petal_Size(this) petal_size=zeros(this.petal_number,3); for petal_sequence=1:this.petal_number(1) size_x=this.petal_ratio(1)*this.flower_size*sin(petal_sequence/this.petal_number(1))/sin(1); size_y=this.petal_ratio(2)*this.flower_size*sin(petal_sequence/this.petal_number(1))/sin(1); A=0.15; size_z=this.flower_size*(1-A+A*(sin((petal_sequence/this.petal_number(1))*pi)+petal_sequence/this.petal_number(1))); % 集成输出 petal_size(petal_sequence,:)=[size_x,size_y,size_z]; end end % 花瓣像素数计算 function petal_pixel=Get_Petal_PixelNum(this) petal_pixel=zeros(this.petal_number,2); for petal_sequence=1:this.petal_number(1) % 数据运算 pixel_xy=16*(this.petal_theta_range/180)*this.fineness; A=0.2; pixel_xy=pixel_xy*(A+(1-A)*petal_sequence/this.petal_number(1))+1; pixel_z=16*this.petal_ratio(3)*this.fineness+1; % 数据规范 pixel_xy=max(3,round(pixel_xy)); pixel_z=max(2,round(pixel_z)); % 集成输出 petal_pixel(petal_sequence,:)=[pixel_xy,pixel_z]; end end % 花瓣角度计算 function petal_theta=Get_Petal_Theta(this) petal_theta=zeros(this.petal_number,2); theta_start_random=32; theta_range_random=32; for petal_sequence=1:this.petal_number(1) theta_start=150*petal_sequence+unifrnd(-theta_start_random,theta_start_random); theta_start=rem(theta_start,360); theta_range=this.petal_theta_range+unifrnd(-theta_range_random,theta_range_random); % 集成输出 petal_theta(petal_sequence,:)=[theta_start,theta_range]; end end % 花瓣半径计算 function petal_radius_z=Get_Petal_Radius_z(this) pixel_z=max(this.petal_pixel(:,2)); petal_radius_z=zeros(this.petal_number,pixel_z); points=this.petal_inflexion_point; num=size(points,2); start=points(1,1); ends=points(1,num); points(:,1)=2.*points(:,1)-points(:,2); points(:,num)=2.*points(:,num)-points(:,num-1); for petal_sequence=1:this.petal_number(1) pixel_z=this.petal_pixel(petal_sequence,2); r_z=Curve_cos_power(points,this.petal_inflexion_power,start,ends,pixel_z); % 集成输出 petal_radius_z(petal_sequence,1:pixel_z)=r_z; end end % 花瓣圆角计算 function petal_fillet=Get_Petal_Fillet(this) pixel_xy=max(this.petal_pixel(:,1)); petal_fillet=zeros(this.petal_number,pixel_xy); for petal_sequence=1:this.petal_number(1) pixel_xy=this.petal_pixel(petal_sequence,1); xy=linspace(-1,1,pixel_xy+2); fillet_=1-xy.^4; fillet_=fillet_(2:pixel_xy+1); % 集成输出 petal_fillet(petal_sequence,1:pixel_xy)=fillet_; end end % 花瓣颜色计算 function petal_color=Get_Petal_Color(this) petal_color=zeros(this.petal_number,4); % color_=[0.35,0,0.5,0.36]; color_=[0.64,0,0,0.36]; for petal_sequence=1:this.petal_number(1) petal_color(petal_sequence,:)=color_; end end % 花瓣边色计算 function petal_line_color=Get_Petal_Line_C(this) petal_line_color=zeros(this.petal_number,3); % color_=[245,215,0]./255; color_=[0.64,0,0]; for petal_sequence=1:this.petal_number(1) % 集成输出 petal_line_color(petal_sequence,:)=color_; end end end end

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"Petal.m"文件：

classdef Petal properties size;% 花瓣大小[size_x,size_y,size_z] pixel;% 像素点数[pixel_xy,pixel_z] theta;% 角度起止[theta_start,theta_end] radius_z;% 母线函数radius_z[] fillet;% 圆角函数fillet[] color;% 花瓣颜色[color_x,color_y,color_z] line_c;% 描边颜色[linec_x,linec_y,linec_z] end methods % 构造函数 function this=Petal(size,pixel,theta,radius_z,fillet,color,line_c) this.size=size; this.pixel=pixel; this.theta=theta; this.radius_z=radius_z; this.fillet=fillet; this.color=color; this.line_c=line_c; end % 渲染图像 function Render(this) [x,y,z]=this.Get_Matrix(); c=this.Get_Color(z); surf(x,y,z,c); % 勾勒边缘 m=this.pixel(2); n=this.pixel(1); lx=ones(1,n); ly=ones(1,n); lz=ones(1,n); for j=1:n i=2; while i<=m&&~isnan(z(i,j)) i=i+1; end lx(j)=x(i-1,j); ly(j)=y(i-1,j); lz(j)=z(i-1,j); end plot3(lx,ly,lz,'Color',this.line_c); % 描侧边 % 备注：可优化。 plot3(x(:,1),y(:,1),z(:,1),'Color',this.line_c); plot3(x(:,n),y(:,n),z(:,n),'Color',this.line_c); end % 矩阵生成 function [x,y,z]=Get_Matrix(this) % 获取基本矩阵 [x,y,z]=this.Get_Cylinder(); % 剪裁圆角 [x,y,z]=this.TrimFillet(x,y,z); % 调节比例 [x,y,z]=this.ApplySize(x,y,z); end % 颜色生成 function c=Get_Color(this,z) m=this.pixel(1); n=this.pixel(2); % 颜色矩阵 color_0=ones(size(z,1),size(z,2)); % 渐变优化 for j=1:m % 边缘渐变 hard_xy=0.35; hard_xy=hard_xy*this.color(4)*(((j-0.5*(1+m))^2)/((1-0.5*(1+m))^2)); dark_hard=this.color(4)-hard_xy; for i=1:n % 上下渐变 color_=z(i,j)/(this.fillet(j)*this.size(3)); % 暗度调整 color_=dark_hard*color_; % 输出颜色 color_0(i,j)=1-color_; end end % RGB上色 c(:,:,1)=this.color(1)*color_0; c(:,:,2)=this.color(2)*color_0; c(:,:,3)=this.color(3)*color_0; end % 基本柱面生成 function [x,y,z]=Get_Cylinder(this) % 曲柱面生成 r=this.radius_z(1:this.pixel(2)); theta=linspace(this.theta(1),this.theta(2),this.pixel(1)); x=r'*cos(theta); y=r'*sin(theta); z=(0:length(r)-1)'/(length(r)-1)*ones(1,this.pixel(1)); end % 剪裁圆角 function [x,y,z]=TrimFillet(this,x,y,z) m=this.pixel(2); n=this.pixel(1); % 精准点校准 lambd=0; edge_z=0; for j=1:n edge_z=this.fillet(j); for k=1:m if (z(k,j)==edge_z) break; elseif (z(k,j)>edge_z) lambd=(edge_z-z(k-1,j))/(z(k,j)-z(k-1,j)); x(k,j)=x(k-1,j)+lambd*(x(k,j)-x(k-1,j)); y(k,j)=y(k-1,j)+lambd*(y(k,j)-y(k-1,j)); z(k,j)=edge_z; break; end end end % 逐列镂空 for j=1:n edge_z=this.fillet(j); for k=1:m if (z(k,j)>edge_z) x(k,j)=nan; y(k,j)=nan; z(k,j)=nan; end end end % 三角填充 % 从左侧向中心 left_begin=1; left_end=floor(n/2); for j=left_begin:1:left_end for k=1:m if (isnan(z(k,j))&&~isnan(z(k,j+1))) x(k,j)=x(k-1,j); y(k,j)=y(k-1,j); z(k,j)=z(k-1,j); end end end % 从右侧向中心 right_begin=n; right_end=left_end+1; for j=right_begin:-1:right_end for k=1:m if (isnan(z(k,j))&&~isnan(z(k,j-1))) x(k,j)=x(k-1,j); y(k,j)=y(k-1,j); z(k,j)=z(k-1,j); end end end end % 调整大小 function [x,y,z]=ApplySize(this,x,y,z) x=0.5*this.size(1)*x; y=0.5*this.size(2)*y; z=this.size(3)*z; end end end

"Curve_cos_power.m"文件：

function line_y=Curve_cos_power(point,power,x_begin,x_end,pixel_num) % 曲线生成函数 % 算法: % 1.以三角函数连接所有点 % 2.以幂函数分段调整曲线 % IO: % 1.输入多个坐标点 % 2.输出曲线列向量 % 3.输入参数的格式说明： % point=[% 极值点 % x1,x2,...; % y1,y2,...] % power=[% 凹凸性 % power12; % power23;...] % 曲线定义域= % linspace(x_start,x_end,pixel_num) % 4.输出参数的格式说明： % 曲线值域: % line_y=zeros(1,pixel_num); % 数据准备 line_x=linspace(x_begin,x_end,pixel_num); line_y=zeros(1,pixel_num); point_num=size(point,2); point_x=point(1,:); point_y=point(2,:); % 针对逐点处理的时间优化 flag_start=1; % 从左到右逐单调区间处理 for i=1:point_num-1 % 计算三角函数参数 omega=pi/(point_x(i+1)-point_x(i)); phi=point_x(i)*pi/(point_x(i)-point_x(i+1)); A=0.5*(point_y(i)-point_y(i+1)); y0=point_y(i)-A; % 从左到右逐点处理 for j=flag_start:pixel_num % 如果点在定义域内 if point_x(i)<=line_x(j) && line_x(j)<=point_x(i+1) % apply_cos if mod(omega*line_x(j)+phi,pi)==pi/2 % 零点精确值 line_y(j)=y0; else line_y(j)=A*cos(omega*line_x(j)+phi)+y0; end end % 定义域外侧点舍弃 if point_x(i+1)<=line_x(j) % 计算0-1放缩参数 % y=(x-b)/a a=line_y(j-1)-line_y(flag_start); b=line_y(flag_start); for k=flag_start:j-1 % apply_power line_y(k)=(line_y(k)-b)/a;% 放缩to0-1 % 分正负处理 if line_y(k)>=0 line_y(k)=line_y(k)^power(i); else % 避免虚数 line_y(k)=-(-line_y(k))^power(i); end line_y(k)=a*line_y(k)+b;% 放缩from0-1 end flag_start=j; break; end end end end

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