基于MATLAB的化學(xué)及環(huán)境信息可視化技術(shù)

前言

化學(xué)及環(huán)境信息可視化技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)圖形、圖像表示化學(xué)學(xué)科及環(huán)境學(xué)科中的化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性能與變化規(guī)律及各類性質(zhì)測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果的特征?；瘜W(xué)是研究化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性能的一門科學(xué)。為了能更形象地表示化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性能及其變化規(guī)律，需要大量的圖形和圖表。化學(xué)圖形圖像及可視化技術(shù)就是研究如何開發(fā)或使用現(xiàn)有的軟件來滿足圖形和圖表制作的要求。例如，如何用三維圖像或動(dòng)畫形象地表示三維空間中的原子軌道、有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)（包括立體結(jié)構(gòu)與構(gòu)象）、有機(jī)化合物反應(yīng)機(jī)理等；如何用圖表或圖示表示各種測(cè)量參數(shù)特別是多維數(shù)據(jù)，以使人們更容易、更直觀地觀察其特征。圖形圖像及可視化技術(shù)可以幫助科技工作者理解及掌握較為抽象的化學(xué)概念，分析及解釋多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并從中尋找科學(xué)規(guī)律。例如，化學(xué)污染物在水等環(huán)境介質(zhì)中的分布、轉(zhuǎn)化及運(yùn)動(dòng)等特性如果以圖形、曲線表達(dá)，能清楚反映出其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更能為一般的民眾所了解，也更有利于環(huán)境管理者作出科學(xué)的決策。在化學(xué)及環(huán)境科學(xué)研究中這樣的例子舉不勝舉。專門用來進(jìn)行繪圖的軟件很多，例如Photoshop、Corel DRAW、AutoCAD等。另外還有一些軟件，如Flash、3DMAX、Maya等。它們除了能夠完成繪圖與建模外，還提供強(qiáng)大的動(dòng)畫制作功能。除了這些專用軟件，諸多的計(jì)算機(jī)語言也都提供了畫圖功能及制作動(dòng)畫的函數(shù)。雖然多種計(jì)算機(jī)軟件可以用來進(jìn)行圖像的表示及科學(xué)計(jì)算可視化，但其中功能齊全、強(qiáng)大且使用方便的首推美國Math Works公司于1967年推出的MATLAB。本書選擇MATLAB作為繪圖軟件，通過大量的實(shí)例講解如何用MATLAB來繪制化學(xué)各學(xué)科分支中二維、三維乃至多維的圖形、圖像以及動(dòng)畫制作，如何用MATLAB來模擬繪圖軟件的功能。之所以選擇MATLAB語言，是因?yàn)檫@種語言提供了基于矩陣的二維、三維繪制函數(shù)；在圖形窗口上和語言中也都提供了變換視點(diǎn)等功能，用戶可以直觀地從各個(gè)角度觀察繪制出的三維物體。長(zhǎng)期以來，在三維圖形學(xué)中，算法實(shí)現(xiàn)是一個(gè)難點(diǎn)，選擇其他語言，由于三維算法的復(fù)雜性而不易被人們所掌握。MATLAB還提供了對(duì)標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的函數(shù)，可以繪制各類二維、三維以及一些特殊的圖形，如等值線圖、矢量圖、等值面圖、等帽蓋圖、剖面圖、流錐圖、流沙圖、流帶圖、流管圖和卷曲圖等；MATLAB也提供了四維數(shù)組函數(shù)用來存儲(chǔ)序列圖像，這些功能非常有利于處理三維圖像圖形學(xué)中的一些算法。

內(nèi)容概要

本書以MATLAB為工具講解圖形圖像技術(shù)及其在化學(xué)及環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用。    第1章為MATLAB圖形技術(shù)，主要介紹MATLAB中與圖形技術(shù)相關(guān)的一些常用的命令； 第2章為MATLAB圖像技術(shù)，主要介紹MATLAB中與圖像處理技術(shù)相關(guān)的命令； 第3章為虛擬現(xiàn)實(shí)，主要介紹如何用MATLAB實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)世界； 第4章為高維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，主要介紹表示化學(xué)信息特別是高維數(shù)據(jù)的圖示技術(shù)和方法； 第5章為環(huán)境信息可視化，主要介紹基于MATLAB的環(huán)境地理信息的開發(fā)； 第6章為化學(xué)計(jì)算可視化，主要介紹如何應(yīng)用MATLAB進(jìn)行化學(xué)計(jì)算可視化。    本書可作為高等院?；瘜W(xué)、環(huán)境專業(yè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)及軟件學(xué)習(xí)的教材； 也可作為其他專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)MATLAB、程序設(shè)計(jì)等的參考書； 工程技術(shù)人員可以利用本書掌握MATLAB圖形圖像等相關(guān)方面的技術(shù)。

書籍目錄

第1章  MATLAB圖形技術(shù)  1.1  圖形繪制    1.1.1  二維繪圖    1.1.2  三維繪圖    1.1.3  特殊坐標(biāo)軸的圖形函數(shù)    1.1.4  繪圖工具界面  1.2  句柄圖形    1.2.1  圖形對(duì)象    1.2.2  圖形屬性    1.2.3  核心圖形對(duì)象    1.2.4  標(biāo)注對(duì)象    1.2.5  組對(duì)象    1.2.6  GUI對(duì)象  1.3  圖形對(duì)象的操作與控制    1.3.1  句柄操作    1.3.2  圖形對(duì)象的控制  1.4  圖形的顏色和光影    1.4.1  MATLAB中的顏色    1.4.2  光影  1.5  視圖技術(shù)    1.5.1  視點(diǎn)設(shè)置    1.5.2  坐標(biāo)軸方向上的顯示比率  1.6  圖形用戶界面（GUIDE）    1.6.1  打開GUIDE編輯器    1.6.2  使用GUIDE創(chuàng)建GUI界面    1.6.3  設(shè)置對(duì)象屬性    1.6.4  GUI對(duì)象的分布和對(duì)齊    1.6.5  設(shè)計(jì)菜單    1.6.6  對(duì)象瀏覽器    1.6.7  回調(diào)函數(shù)    1.6.8  運(yùn)行  1.7  GUI對(duì)話框    1.7.1  菜單對(duì)話框    1.7.2  信息對(duì)話框    1.7.3  問題對(duì)話框    1.7.4  輸入對(duì)話框    1.7.5  列表選擇對(duì)話框  1.8  動(dòng)畫制作技術(shù)    1.8.1  常用的三維變換    1.8.2  基于圖像操作的動(dòng)畫制作    1.8.3  逐幀動(dòng)畫、形變動(dòng)畫與路徑動(dòng)畫    1.8.4  添加聲音第2章  MATLAB圖像技術(shù)  2.1  常用圖像格式  2.2  圖像類型  2.3  圖像數(shù)據(jù)  2.4  顯示圖像  2.5  圖像運(yùn)算    2.5.1  圖像代數(shù)運(yùn)算    2.5.2  圖像的邏輯運(yùn)算    2.5.3  圖像的幾何運(yùn)算  2.6  圖像的變換技術(shù)    2.6.1  傅里葉變換    2.6.2  離散余弦變換（DCT）    2.6.3  Radon變換    2.6.4  小波變換  2.7  圖像分析    2.7.1  像素值及其統(tǒng)計(jì)    2.7.2  分析圖像    2.7.3  紋理分析  2.8  圖像調(diào)整    2.8.1  灰度調(diào)整    2.8.2  去噪  2.9  圖像恢復(fù)  2.10  特殊區(qū)域處理    2.10.1  區(qū)域的指定    2.10.2  特定區(qū)域填充    2.10.3  特定區(qū)域?yàn)V波  2.11  鄰域和塊處理    2.11.1  滑動(dòng)鄰域處理    2.11.2  分離塊操作    2.11.3  列處理  2.12  二值數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算    2.12.1  膨脹與腐蝕    2.12.2  開啟與閉合    2.12.3  指定形態(tài)運(yùn)算  2.13  二值圖像特征提取  2.14  數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)重建  2.15  圖像處理工具箱的應(yīng)用第3章  虛擬現(xiàn)實(shí)  3.1  VRML——虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言    3.1.1  VRML基本概念    3.1.2  VRML文件通用語法  3.2  V—Realm Builder2  3.3  簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)  3.4  復(fù)雜節(jié)點(diǎn)  3.5  庫操作  3.6  交互功能的實(shí)現(xiàn)    3.6.1  三維形體對(duì)瀏覽者動(dòng)作的感知    3.6.2  傳感器節(jié)點(diǎn)    3.6.3  VRML動(dòng)畫  3.7  MATLAB虛擬現(xiàn)實(shí)函數(shù)    3.7.1  接口函數(shù)    3.7.2  虛擬世界操作函數(shù)第4章  高維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)  4.1  可視化技術(shù)概述    4.1.1  數(shù)據(jù)預(yù)處理    4.1.2  高維數(shù)據(jù)降維  4.2  高維數(shù)據(jù)的圖形表示方法    4.2.1  輪廓圖    4.2.2  雷達(dá)圖    4.2.3  樹形圖    4.2.4  三角多項(xiàng)式圖    4.2.5  散點(diǎn)圖    4.2.6  星座圖    4.2.7  臉譜圖    4.2.8  諾模圖  4.3  可視化模式識(shí)別  4.4  投影尋蹤    4.4.1  投影尋蹤指標(biāo)    4.4.2  偏離正態(tài)分布程度的確定    4.4.3  投影尋蹤模型  4.5  標(biāo)量數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的可視化函數(shù)    4.5.1  流圖    4.5.2  矢量數(shù)據(jù)的流線圖    4.5.3  流帶圖    4.5.4  流沙動(dòng)畫    4.5.5  剖面圖第5章  環(huán)境信息可視化  5.1  地理信息系統(tǒng)    5.1.1  地理信息系統(tǒng)的功能    5.1.2  環(huán)境地理信息系統(tǒng)    5.1.3  環(huán)境GIS的應(yīng)用及組成  5.2  環(huán)境地理信息系統(tǒng)的開發(fā)    5.2.1  環(huán)境GIS功能需求分析    5.2.2  環(huán)境GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)  5.3  環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與環(huán)境監(jiān)測(cè)信息管理子系統(tǒng)    5.3.1  空氣質(zhì)量信息管理GIS    5.3.2  水環(huán)境質(zhì)量信息管理GIS  5.4  環(huán)境污染模擬與預(yù)測(cè)子系統(tǒng)    5.4.1  大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)與模擬系統(tǒng)    5.4.2  大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)與模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)    5.4.3  水環(huán)境影響預(yù)測(cè)與模擬系統(tǒng)    5.4.4  一維水質(zhì)模型預(yù)測(cè)與模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)第6章  化學(xué)計(jì)算可視化  6.1  分析化學(xué)計(jì)算可視化    6.1.1  酸堿滴定    6.1.2  配位滴定    6.1.3  氧化還原滴定  6.2  無機(jī)化學(xué)計(jì)算可視化    6.2.1  元素及化合物性質(zhì)    6.2.2  原子結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)  6.3  物理化學(xué)計(jì)算可視化    6.3.1  熱力學(xué)計(jì)算    6.3.2  動(dòng)力學(xué)計(jì)算    6.3.3  電化學(xué)計(jì)算    6.3.4  相圖    6.3.5  其他  6.4  有機(jī)化學(xué)計(jì)算可視化    6.4.1  有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)可視化    6.4.2  有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬  6.5  環(huán)境科學(xué)計(jì)算可視化    6.5.1  污染物預(yù)測(cè)    6.5.2  模式識(shí)別參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

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編輯推薦

《基于MATLAB的化學(xué)及環(huán)境信息可視化技術(shù)》是由清華大學(xué)出版社出版的。

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