党丹凤 周立勇 王海涛



基于MATLAB的图形用户界面设计

党丹凤1周立勇1王海涛2

（1.湖北省宜昌市地质勘探大队 湖北宜昌 443000；2.西安测绘总站 陕西西安 710054）

研究利用MATLAB实现三维图形的多样显示、消隐、光照等交互操作。利用MATLAB编程，绘制出了真实感地球、实体地球、线宽性地球，交互显示出地球的这三种表现形态；利用消隐技术对三维曲面图作消隐处理，使大家更直观地了解消隐技术的作用效果；利用光照技术，展示出三维曲面在不同光照模式下的显示效果，使大家对光照增强图形逼真度有一个直观的印象。通过上述三方面的研究，展现出基于MATLAB设计用户界面巨大的简洁性和方便性。

GUI 交互 消隐 光照

1 引言

作为具有科学计算、图形处理和虚拟现实模拟等多种功能的强有力实现工具，MATLAB的应用领域已扩展到数值计算、数据处理、统计分析、计算机动画等各个方面，应用范围也越来越广泛。从当前各类软件的发展趋势来看，简介、美观、易操作的图形用户界面已成为各类应用程序的基本交互入口，因此，MATLAB这一功能强大的计算软件也应具备强大的GUI功能。计算机图形学研究的主要是如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形计算、绘制、处理和显示等相关原理与算法的一门学科。近年来，计算机图形学的研究领域得到了很大扩展，覆盖面也逐步扩大，涉及到图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、非真实感绘制，以及自然景物仿真、虚拟现实等。

在科学研究和工程应用中，人们通常希望将数据、设计过程或计算结果用交互式图形表示，以使数据的特征或性能能够清晰、直观地以GUI方式展现。通常，快速方便的绘制图形，尤其是不规则图形和复杂的三维特殊图形，需要对绘图工具、语言有较深入的了解，需要熟练使用这些工具或编写程序，而这通常是一项入门缓慢、熟练精通时间较长的工作。然而，近年来MATLAB在提供强大计算功能的同时，大力发展了面向对象的图形技术和GUI技术，使用户可以轻松实现数据的交互式显示。用MATALB设计图形，用户可以根据界面提示完成整个工程，却不必了解工程内部是如何工作的，具有开放性，方便用户不断完善和扩充其功能。

2 研究方法及思路

本文的研究内容都是在MATLAB提供的GUI程序开发环境基础上完成的。在MATLAB中，我们通过句柄图形（handle Graphics）将图形的每一个组件都视为一个对象，根据句柄找到图形的属性，更改这些属性，产生不同的图形呈现效果。通过GUI技术，简介、快速地绘制出所需的图形，以及实现消隐、光照等效果，通过对三维图形表现形式、消隐、光照的处理，一方面体现了MATLAB的GUI技术在图形处理方面突出的优越性；另一方面，对于同一种图形处理方式，通过对比处理前与处理后的区别，展示出此种处理方式带给大家的视觉差，进而为下一步的具体使用提供直观印象。

2.1 三维图形的三种表现形式绘制

由于三维图形看起来更加直接、美观，无论是在GIS中还是在地图学中三维图形的应用也越来越广泛，MATLAB提供三维绘图命令，可以很方便地绘制各种图形。

三维图形的三种表现形式分别是线框图、真实感图形和实体图。由于MATLAB具有强大的面向对象的图形技术和GUI技术，使用户可以轻松实现数据的交互式显示。使用MATLAB提供的图形设计技术，用户无须了解图形实现的细节内容，一般只需几个简单的函数就可以绘制非常复杂的图形。我们通过函数绘制出三维图形后，给三维图形着色就可以得到三维图形的真实感图形，通过hidden on/off命令设置三维图形的透明与否，可以得到三维图形的线框图和实体图。最后，通过比较三维图形的这三种表现形式，可以看出在特定情况下哪种图形更适合表现我们的意图。

2.2 三维图形的消隐方法

从空间某个视点观察三维图形时，总会有部分线或面被别的对象或它自身挡住。绘制三维图形时不显示这部分线或面，有利于体现图形的三维特征，否则会使图形看起来杂乱无章。绘制三维图形时，使被遮挡的图形部分不显示出来的技术通常称为消隐。绘制一个三维图形，在默认情况下，MATLAB会进行消隐处理，使三维图形呈现出一个和现实实体相同视觉的的图形。也就是说，在绘制出的三维图形中，局部面会把我们看不到的其它面遮挡住。为了体现三维图形在消隐前后的视觉区别，MATLAB提供了用hidden off命令取消消隐，使用取消消隐技术，可以使我们看到被遮挡的部分。通过消隐前后比较，本文可以看出消隐效果给所带来的视觉差别，从而为选择合适的图形表示形式提供依据。

2.3 光照效果的设置方法

在MATLAB中可以通过设置光照效果增强图形的美观和逼真度。在MATLAB给图形添加光照效果，首先需要创建一个光源对象，这可以通过MATLAB中的light命令来实现，其常用的语法格式为light(‘PropertyName’,’PropertyValue’,---),即通过在light命令中设置光源对象的各种属性来创建光源对象。具体是通过设置Color属性的三元RGB数组值来定义光源发射光的颜色；通过设置Style属性的“infinite”和“local”值来定义平行光和点光源，通过Position属性的三元数组来定义光源的发射方向或空间位置。在此，本文通过调剂光源各个属性值的不同，可以绘制出不同光照情况下三维图形的显示效果，进而可以比较出在不同光照下三维图形的逼真度。

通过三维图形显示、消隐和光照三方面的研究，充分展示了基于MATLAB图形用户界面设计的简便性。从研究过程及研究结果中可以看出，在MATALB中，图形用户界面设计具有简单易操作、代表性强等特点，这也是MATLAB在图形用户界面设计方面优于C++等其他编程语言的巨大优势。

3 实验分析

在开始前，需要在MATLAB主界面下，打开GUIDE启动对话框，创建一个新的GUI界面系统。为了充分体现我们所研究的内容，本文利用MATLAB中的GUI程序设计了一个GUI程序，程序主界面如图1：

3.1 绘制地球的三种表现形式

在此程序中，本文以地球为例，把绘制地球的线框图、真实感图形和实体图的代码写成它们相应的M文件，通过MATLAB的回调，在地球的三个按钮的callback属性中调用相应代码，可以通过交互操作绘制出地球的线框图（图2）、真实感图形（图3）和实体图（图4）。从图中可以看出地球的线框图、真实感图形和实体图的直观图形，进而为我们选择合适的图形表示提供判断支持。

3.2 消隐效果的实现

为展示消隐前后的视觉差别，本文对一个三维曲面进行消隐处理，在这个三维曲面中，通过给消隐前后按钮的Callback属性添加相应的代码，可以绘制出消隐前后的三维曲面图，如下，图（5）、（6）分别为消隐前后的三维曲面图。从图中可以看出三维曲面在消隐前被遮挡的部分以及消隐后的图形，通过图形比较，可以直观地看出消隐前后的差别。为我们选择合适的消隐效果提供帮助。

3.3 光照效果的实现

为展示光照对观察图形的影响，本文对一个三维曲面用四种比较常用、典型的光照模式进行照射，通过在光照下拉框的Callback属性中添加光照部分的代码，依次绘制出了该三维曲面在四种光照模式下的图形。通过四个图形的现实效果，可以直观地看出光源类型、颜色对图形光照效果的影响，通过对比，可以看出在不同的光照下，三维曲面呈现出不同的明暗色彩，展示出光照对对象美观和逼真度的影响，进而为我们进行GUI设计提供依据。图7、图8、图9、图10分别为无光、红色平行光、绿色平行光、红色点光源四种光照模式。

4 结束语

MATLAB的用户界面设计具有非常强大的功能，用它设计的界面美观、简介，更重要的是，MATLAB的用户界面设计非常简单易学，和C++等编程语言复杂的绘图不同，用MATLAB制作用户界面非常简单，只需将需要的按钮拖拽到相应位置，就可以制作出各种控件。同时，领域专家为MATLAB编写了许多绘图函数，几乎涵盖了我们平时见到的所有图形，我们绘图时不需要编写复杂的代码，只需通过几个简单的函数调用，就可以绘制出精美的图形。本文通过设计三种用户界面效果，向大家展示了基于MATLAB的GUI用户界面设计的美感和便利之处，使得大家对MATLAB用户界面设计有个直观印象。

[1] 苏金明，阮沈勇.MATLAB实用教程（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 陈垚光，毛涛涛，王正林，等.精通MATLAB设计（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3] 罗华飞.MATLAB设计学习笔记（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[4] 秦襄培，郑贤中.MATLAB图像处理宝典[M].北京：电子工业出版社，2011.