绘制 3D 非正交坐标

Posted 2023-03-27

【中文标题】绘制 3D 非正交坐标

【英文标题】：Draw 3D non-orthogonal coordinates

【发布时间】：2017-07-09 10:45:58

【问题描述】：

已经有一篇帖子询问如何在 matplotlib 的 2D 坐标系中绘制非正交轴。 Draw non-orthogonal axis in matplotlib? 我想知道如何在 3D 案例中绘制这样的轴？假设 z 轴垂直于 x-y 平面，而 x 和 y 轴不正交。例如，如何在曲线系统中为 (1,2,0) 和 (3,2,0) 绘制分散的 3D 图？使用 matplotlib 不受限制。谢谢！

【问题讨论】：

这篇文章还考虑了二维绘图：mathematica.stackexchange.com/questions/128427/…

如果你想要一个数学解决方案，你应该去那个网站问。顺便说一句，在这里一般要求 5 种不同语言的解决方案确实不合适。

在 Mathematica 中不需要限制。列出的其中一种语言的任何解决方案都可以。

【参考方案1】：

这是 Matlab 中的一个示例。它适用于非正交轴，但不适用于曲线坐标的完整一般情况。您可以使用矩阵A 控制轴。当前设置为使 x 轴与 y 成 45 度角。 A = eye(3) 会使它们再次正交。

脚本打开两个图。第一个是正常的正交 3d 图。第二个方面是坐标变换（非正交轴）。要检查它，请看上面的第二张图，你应该看到圆圈变成了椭圆形。

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clear

fx = @(t) t.^2 .* cos(2*t);
fy = @(t) t.^2 .* sin(2*t);
fz = @(t)  t;
t = linspace(0,6*pi,400);

figure
plot3(fx(t), fy(t), fz(t));
grid on

xTicks = get(gca, 'XTick');
yTicks = get(gca, 'YTick');
zTicks = get(gca, 'ZTick');

% coordinate transform: x = Aq
A = [sqrt(2)/2 sqrt(2)/2 0
    0 1 0
    0 0 1];
%A = eye(3);

figure
hold on

% draw the function
Q = [fx(t); fy(t); fz(t)];
X = A*Q;
plot3(X(1,:), X(2,:), X(3,:))

% draw x grid lines
x = [xTicks
    xTicks
    xTicks];
y = repmat([min(yTicks); max(yTicks); max(yTicks) ], 1, length(xTicks));
z = repmat([min(zTicks); min(zTicks); max(zTicks) ], 1, length(xTicks));
X = A*[x(:)'; y(:)'; z(:)'];
line(reshape(X(1,:), 3, []),...
    reshape(X(2,:), 3, []),...
    reshape(X(3,:), 3, []), 'color', [.8 .8 .8]);

% draw y grid lines
y = [yTicks
    yTicks
    yTicks];
x = repmat([min(xTicks); max(xTicks); max(xTicks) ], 1, length(yTicks));
z = repmat([min(zTicks); min(zTicks); max(zTicks) ], 1, length(yTicks));
X = A*[x(:)'; y(:)'; z(:)'];
line(reshape(X(1,:), 3, []),...
    reshape(X(2,:), 3, []),...
    reshape(X(3,:), 3, []), 'color', [.8 .8 .8]);

% draw z grid lines
z = [zTicks
    zTicks
    zTicks];
x = repmat([min(xTicks); max(xTicks); max(xTicks) ], 1, length(zTicks));
y = repmat([max(yTicks); max(yTicks); min(yTicks) ], 1, length(zTicks));
X = A*[x(:)'; y(:)'; z(:)'];
line(reshape(X(1,:), 3, []),...
    reshape(X(2,:), 3, []),...
    reshape(X(3,:), 3, []), 'color', [.8 .8 .8]);

% draw grid planes
q1 = [xTicks(1) xTicks(1) xTicks(end) xTicks(end)
    yTicks(1) yTicks(end) yTicks(end) yTicks(1)
    zTicks(1) zTicks(1) zTicks(1) zTicks(1)];
q2 = [xTicks(end) xTicks(end) xTicks(end) xTicks(end)
    yTicks(1) yTicks(1) yTicks(end) yTicks(end)
    zTicks(1) zTicks(end) zTicks(end) zTicks(1)];
q3 = [xTicks(1) xTicks(1) xTicks(end) xTicks(end)
    yTicks(end) yTicks(end) yTicks(end) yTicks(end)
    zTicks(1) zTicks(end) zTicks(end) zTicks(1)];
for i = 1:3
    x = A*qi;
    fill3(x(1,:), x(2,:), x(3,:), [1 1 1]);
end

% cleanup and set view
axis off
view(-35, 30)

基本思想是我们需要手动绘制绘图的每个元素（轴、网格等），尊重坐标变换。这很痛苦，但可以工作。