如何解决Mathematica:3D线框
| Mathematica是否支持线框图像的隐藏线去除?如果不是这种情况,这里有没有人遇到过这样做的方法?让我们以此开始:Plot3D[Sin[x+y^2],{x,-3,3},{y,-2,2},Boxed -> False]
要创建线框,我们可以执行以下操作:
Plot3D[Sin[x+y^2],Boxed -> False,PlotStyle -> None]
我们可以做的一件事就是将所有表面涂成白色。但是,这是不希望的。原因是因为如果我们将此隐藏线线框模型导出为pdf,我们将拥有Mathematica用于渲染图像的所有这些白色多边形。我希望能够以pdf和/或eps格式获得具有隐藏线去除功能的线框。
更新:
我已经发布了针对该问题的解决方案。问题在于代码运行非常缓慢。在当前状态下,无法生成此问题中图像的线框。随意玩我的代码。我在文章末尾添加了指向它的链接。您也可以在此链接中找到代码
解决方法
在这里,我提出一个解决方案。首先,我将展示如何使用生成线框的函数,然后,将继续详细解释构成该算法的其余函数。
wireFrame
wireFrame[g_] := Module[{figInfo,opt,pts},{figInfo,opt} = G3ToG2Info[g];
pts = getHiddenLines[figInfo];
Graphics[Map[setPoints[#] &,getFrame[figInfo,pts]],opt]
]
该功能的输入是“ 4”对象,最好没有轴。
fig = ListPlot3D[
{{0,-1,0},{0,1,{-1,1},{1,1}},Mesh -> {10,10},Boxed -> False,Axes -> False,ViewPoint -> {2,-2,ViewVertical -> {0,MeshStyle -> Directive[RGBColor[0,0.5,0.5]],BoundaryStyle -> Directive[RGBColor[1,0.5]]
]
现在我们应用函数wireFrame
。
wireFrame[fig]
如您所见,ѭ2获得了大部分线条及其颜色。线框中没有包含一条绿线。这很可能是由于我的阈值设置。
在继续解释功能G3ToG2Info
,getHiddenLines
,getFrame
和setPoints
的细节之前,我将向您展示为什么隐藏线去除的线框会很有用。
上面显示的图像是使用3D图形中的栅格中描述的技术与此处生成的线框相结合生成的pdf文件的屏幕截图。这在各种方面都是有利的。无需保留三角形显示彩色表面的信息。相反,我们显示了表面的栅格图像。除了没有被线覆盖的光栅图的边界外,所有线都非常平滑。我们还减少了文件大小。在这种情况下,结合使用光栅图和线框,pdf文件的大小从1.9mb减小到78kb。在pdf查看器中显示时间较少,并且图像质量很高。
Mathematica在将3D图像导出为pdf文件方面做得很好。导入pdf文件时,我们将获得由线段和三角形组成的Graphics对象。在某些情况下,这些对象重叠,因此我们有隐藏线。要创建没有表面的线框模型,我们首先需要删除此重叠部分,然后删除多边形。我将从描述如何从Graphics3D图像中获取信息开始。
G3ToG2Info
getPoints[obj_] := Switch[Head[obj],Polygon,obj[[1]],JoinedCurve,obj[[2]][[1]],RGBColor,{Table[obj[[i]],{i,3}]}
];
setPoints[obj_] := Switch[Length@obj,3,Polygon[obj],2,Line[obj],RGBColor[obj[[1]]]
];
G3ToG2Info[g_] := Module[{obj,opt},obj = ImportString[ExportString[g,\"PDF\",Background -> None],\"PDF\"][[1]];
opt = Options[obj];
obj = Flatten[First[obj /. Style[expr_,opts___] :> {opts,expr}],2];
obj = Cases[obj,_Polygon | _JoinedCurve | _RGBColor,Infinity];
obj = Map[getPoints[#] &,obj];
{obj,opt}
]
该代码适用于版本7中的Mathematica 8,您可以将功能getPoints
中的JoinedCurve
替换为Line
。函数“ 16”假设您要提供原始的“ 19”对象。它将看到它接收什么类型的对象,然后从中提取所需的信息。如果是多边形,则得到3点的列表,对于线,则得到2点的列表,如果是颜色,则得到包含3点的单个列表的列表。这样做是为了保持与列表的一致性。
setPoints
功能与getPoints
相反。输入一个点列表,它将确定它是否应返回多边形,直线或颜色。
为了获得三角形,直线和颜色的列表,我们使用G3ToG2Info
。该功能将使用
ExportString
和ImportString
从Graphics3D
版本获得Graphics
对象。此信息存储在obj
中。我们需要执行一些清理工作,首先要获得obj
的选项。这部分是必要的,因为它可能包含图像的“ 29”。然后,我们获得获取图形基元和指令中所述的所有Polygon
,JoinedCurve
和RGBColor
对象。最后,我们对所有这些对象应用函数getPoints
,以获得三角形,直线和颜色的列表。此部分覆盖线{figInfo,opt} = G3ToG2Info[g]
。
getHiddenLines
我们希望能够知道不显示行的哪一部分。为此,我们需要知道两个线段之间的交点。我用来找到相交点的算法可以在这里找到。
lineInt[L_,M_,EPS_: 10^-6] := Module[
{x21,y21,x43,y43,x13,y13,numL,numM,den},{x21,y21} = L[[2]] - L[[1]];
{x43,y43} = M[[2]] - M[[1]];
{x13,y13} = L[[1]] - M[[1]];
den = y43*x21 - x43*y21;
If[den*den < EPS,Return[-Infinity]];
numL = (x43*y13 - y43*x13)/den;
numM = (x21*y13 - y21*x13)/den;
If[numM < 0 || numM > 1,Return[-Infinity],Return[numL]];
]
lineInt
假定L
和M
行不重合。如果线是平行的或包含段L
的线没有穿过线段M
,它将返回-Infinity
。如果包含L
的线与线段M
相交,则它将返回标量。假设该标量为u
,则交点为L[[1]] + u (L[[2]]-L[[1]])
。请注意,u
可以是任何实数都很好。您可以使用此操纵功能来测试lineInt
的工作方式。
Manipulate[
Grid[{{
Graphics[{
Line[{p1,p2},VertexColors -> {Red,Red}],Line[{p3,p4}]
},PlotRange -> 3,Axes -> True],lineInt[{p1,{p3,p4}]
}}],{{p1,Locator,Appearance -> \"L1\"},{{p2,{2,Appearance -> \"L2\"},{{p3,-1}},Appearance -> \"M1\"},{{p4,2}},Appearance -> \"M2\"}
]
现在我们知道必须从L[[1]]
到线段M
多远,我们可以找出线段的哪一部分位于三角形内。
lineInTri[L_,T_] := Module[{res},If[Length@DeleteDuplicates[Flatten[{T,L},1],SquaredEuclideanDistance[#1,#2] < 10^-6 &] == 3,Return[{}]];
res = Sort[Map[lineInt[L,#] &,{{T[[1]],T[[2]]},{T[[2]],T[[3]]},{T[[3]],T[[1]]} }]];
If[res[[3]] == Infinity || res == {-Infinity,-Infinity,-Infinity},Return[{}]];
res = DeleteDuplicates[Cases[res,_Real | _Integer | _Rational],Chop[#1 - #2] == 0 &];
If[Length@res == 1,Return[{}]];
If[(Chop[res[[1]]] == 0 && res[[2]] > 1) || (Chop[res[[2]] - 1] == 0 && res[[1]] < 0),Return[{0,1}]];
If[(Chop[res[[2]]] == 0 && res[[1]] < 0) || (Chop[res[[1]] - 1] == 0 && res[[2]] > 1),Return[{}]];
res = {Max[res[[1]],0],Min[res[[2]],1]};
If[res[[1]] > 1 || res[[1]] < 0 || res[[2]] > 1 || res[[2]] < 0,Return[{}],Return[res]];
]
该函数返回L
行中需要删除的部分。例如,如果返回{.5,1}
,则意味着您将从线段的一半到线段的终点删除该行的50%。如果L = {A,B}
并且函数返回{u,v}
,则意味着线段{A+(B-A)u,A+(B-A)v}
是包含在三角形T
中的线段。
在实现lineInTri
时,需要注意that38ѭ线不是T
的边之一,如果是这种情况,则该线不会位于三角形内。这是舍入错误的地方。当Mathematica导出图像时,有时会在三角形的边缘上出现一条线,但是这些坐标相差一定程度。由我们决定线在边缘上的接近程度,否则函数将看到线几乎完全位于三角形内部。这是该函数第一行的原因。要查看一条线是否位于三角形的边缘上,我们可以列出该三角形和该线的所有点,并删除所有重复项。在这种情况下,您需要指定什么是重复项。最后,如果我们得到3个点的列表,则意味着一条线位于一条边上。下一部分有点复杂。我们要做的是检查线L
与三角形T
的每个边的交点,并将结果存储在列表中。接下来,我们对列表进行排序,找出该线的哪个部分(如果有)在三角形中。尝试通过使用它来使它有意义,其中一些测试包括检查线的端点是否为三角形的顶点,线是否完全在三角形内部,部分在内部或完全在外部。
Manipulate[
Grid[{{
Graphics[{
RGBColor[0,.5,.5],Polygon[{p3,p4,p5}],Line[{p1,Red}]
},lineInTri[{p1,p5}]
}}],-2}},0}},{-2,Appearance -> \"T1\"},Appearance -> \"T2\"},{{p5,Appearance -> \"T3\"}
]
lineInTri
将用于查看将不绘制线的哪一部分。这条线很可能会被许多三角形覆盖。因此,我们需要保留每行将不会绘制的所有部分的列表。这些列表没有订单。我们所知道的是,此列表是一维片段。每个数字由[0,1]
间隔中的数字组成。我不知道一维段的联合函数,因此这是我的实现。
union[obj_] := Module[{p,tmp,dummy,newp,EPS = 10^-3},p = Sort[obj];
tmp = p[[1]];
If[tmp[[1]] < EPS,tmp[[1]] = 0];
{dummy,newp} = Reap[
Do[
If[(p[[i,1]] - tmp[[2]]) > EPS && (tmp[[2]] - tmp[[1]]) > EPS,Sow[tmp]; tmp = p[[i]],tmp[[2]] = Max[p[[i,2]],tmp[[2]]]
];,Length@p}
];
If[1 - tmp[[2]] < EPS,tmp[[2]] = 1];
If[(tmp[[2]] - tmp[[1]]) > EPS,Sow[tmp]];
];
If[Length@newp == 0,{},newp[[1]]]
]
这个函数会更短一些,但是在这里我包含了一些if语句来检查数字是否接近零或一。如果一个数字与零相差EPS
,那么我们将该数字设为零,因此对1也是一样。我要在这里介绍的另一个方面是,如果要显示的细分中相对较小的部分,则很可能需要删除它。例如,如果我们有{{0,.5},{.500000000001}}
,这意味着我们需要抽奖{{.5,.500000000001}}
。但是这个段很小,甚至在大的线段中也没有特别注意,因为我们都知道这两个数字是相同的。在实现ѭ71时,必须考虑所有这些因素。
现在,我们准备查看需要从线段中删除的内容。下一个需要从“ 9”生成的对象的列表,该列表中的对象和索引。
getSections[L_,obj_,start_ ] := Module[{dummy,p,seg},{dummy,p} = Reap[
Do[
If[Length@obj[[i]] == 3,seg = lineInTri[L,obj[[i]]];
If[Length@seg != 0,Sow[seg]];
],start,Length@obj}
]
];
If[Length@p == 0,Return[union[First@p]]];
]
getSections
返回一个列表,其中包含需要从L
中删除的部分。我们知道ѭ27是三角形,直线和颜色的列表,我们知道列表中索引较高的对象将在索引较低的对象的顶部绘制。因此,我们需要索引start
。这是我们将开始在obj
中寻找三角形的索引。一旦找到一个三角形,我们将使用函数lineInTri
获得位于三角形中的线段部分。最后,我们将获得一个章节列表,可以使用ѭ71进行组合。
最后,我们到达getHiddenLines
。所需要做的就是查看由G3ToG2Info
返回的列表中的每个对象,并应用函数getSections
。 getHiddenLines
将返回列表列表。每个元素都是需要删除的部分列表。
getHiddenLines[obj_] := Module[{pts},pts = Table[{},{Length@obj}];
Do[
If[Length@obj[[j]] == 2,pts[[j]] = getSections[obj[[j]],obj,j + 1]
];,{j,Length@obj}
];
Return[pts];
]
getFrame
如果您到目前为止已经能够理解这些概念,那么我相信您知道下一步将做什么。如果我们有三角形,直线和颜色的列表以及需要删除的直线部分,则只需要绘制可见的直线的颜色和截面即可。首先我们做一个complement
函数,这将告诉我们确切要画什么。
complement[obj_] := Module[{dummy,p},p} = Reap[
If[obj[[1,1]] != 0,Sow[{0,obj[[1,1]]}]];
Do[
Sow[{obj[[i - 1,obj[[i,1]]}],Length@obj}
];
If[obj[[-1,2]] != 1,Sow[{obj[[-1,1}]];
];
If[Length@p == 0,Flatten@ First@p]
]
现在,getFrame
功能
getFrame[obj_,pts_] := Module[{dummy,lines,L,u,d},lines} = Reap[
Do[
L = obj[[i]];
If[Length@L == 2,If[Length@pts[[i]] == 0,Sow[L]; Continue[]];
u = complement[pts[[i]]];
If[Length@u > 0,Do[
d = L[[2]] - L[[1]];
Sow[{L[[1]] + u[[j - 1]] d,L[[1]] + u[[j]] d}],Length@u,2 }]
];
];
If[Length@L == 1,Sow[L]];,Length@obj}]
];
First@lines
]
最后的话
我对算法的结果感到满意。我不喜欢执行速度。我已经像使用循环在C / C ++ / java中一样编写了此代码。我尽力使用Reap
和Sow
来创建增长列表,而不是使用函数Append
。无论如何,我仍然必须使用循环。应该注意的是,这里发布的线框图片需要63秒才能生成。我尝试为问题中的图片制作线框,但是此3D对象包含大约32000个对象。计算一行需要显示的部分大约需要13秒钟。如果我们假设有32000行,并且需要13秒钟来完成所有计算,这将需要大约116个小时的计算时间。
我敢肯定,如果我们在所有例程上使用函数Compile
,并且也许找到一种不使用Do
循环的方法,则可以减少此时间。我可以在这里获得一些帮助吗?
为了您的方便,我已将代码上传到网络上。你可以在这里找到它。如果您可以将此代码的修改版本应用于问题中的情节并显示线框,我将标记您的解决方案作为此帖子的答案。
最好,
曼努埃尔·洛佩兹
,这不对,但有些有趣:
Plot3D[Sin[x + y^2],{x,-3,3},{y,2},PlotStyle -> {EdgeForm[None],FaceForm[Red,None]},Mesh -> False]
FaceForm为None时,不渲染多边形。我不确定用网格线可以做到这一点。
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