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作者：李誉辉  

四川大学在读研究生 

前言

这篇是plot3D包绘图系列之五，也是本系列的最终篇。前一篇请戳：

R_3D图(四)

，原本分两篇连载，但有读者反应更新太慢，所以今天一并把最后内容都呈现给大家。感谢大家的转发和点赞。

5 辅助几何对象

segments3D()在三维空间画直线段。

arrows3D()在三维空间画箭头。

box3D()在三维空间画立方体框。

border3D()在三维空间画立方体

polygon3D()在三维空间画多边形。

rect3D()在三维空间画矩形。

二维空间的画图对象分别为：segments2D(), arrows2D(), rect2D(), polygon2D()。

语法：

arrows3D (x0, y0, z0, x1 = x0, y1 = y0, z1 = z0, ...,           colvar = NULL, phi = 40, theta = 40,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         colkey = NULL, panel.first = NULL,         clim = NULL, clab = NULL, bty = "b", type = "triangle",          add = FALSE, plot = TRUE)segments3D (x0, y0, z0, x1 = x0, y1 = y0, z1 = z0, ...,          colvar = NULL, phi = 40, theta = 40,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         colkey = NULL, panel.first = NULL,         clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",          add = FALSE, plot = TRUE)box3D (x0, y0, z0, x1, y1, z1, ...,          colvar = NULL, phi = 40, theta = 40,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL,         panel.first = NULL, clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",         add = FALSE, plot = TRUE)border3D(x0, y0, z0, x1, y1, z1, ...,          colvar = NULL, phi = 40, theta = 40,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         colkey = NULL, panel.first = NULL,         clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",          add = FALSE, plot = TRUE)  rect3D (x0, y0, z0, x1 = NULL, y1 = NULL, z1 = NULL, ...,          colvar = NULL, phi = 40, theta = 40,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL,         panel.first = NULL, clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",         add = FALSE, plot = TRUE)polygon3D (x, y, z, ...,          colvar = NULL, phi = 40, theta = 40,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL,         panel.first = NULL, clim = NULL, clab = NULL, bty = "b",         add = FALSE, plot = TRUE)  arrows2D (x0, y0, x1 = x0, y1 = y0, ..., colvar = NULL,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         colkey = NULL, clim = NULL, clab = NULL,          type = "triangle", add = FALSE, plot = TRUE)  segments2D (x0, y0, x1 = x0, y1 = y0, ..., colvar = NULL,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         colkey = NULL, clim = NULL, clab = NULL,          add = FALSE, plot = TRUE) rect2D (x0, y0, x1 = x0, y1 = y0, ..., colvar = NULL,         col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         colkey = NULL, clim = NULL, clab = NULL,          add = FALSE, plot = TRUE) polygon2D (x, y, ..., colvar = NULL,          col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,         border = NA, facets = TRUE,         colkey = NULL, clim = NULL, clab = NULL,          add = FALSE, plot = TRUE)

参数解释：

x0, y0, z0, 表示起点坐标。

x1, y1, z1, 表示结束点坐标。

x, y, z, 表示多边形polygon的坐标。

colvar, 同样表示着色变量。

theta, phi, 同样表示指定观察方向，与persp()中一样。

col, 同样表示指定颜色板。

NAcol, 同样表示指定colvar缺失值显示的颜色。

breaks, 表示指定colvar的断点，为数字向量，长度应该比col参数大1个。
需要增序排列，默认自动增序排列。

colkey, 为逻辑值或NULL(默认), 也可以用列表传递colkey参数。 当colkey = NULL时，若col参数是一个向量，才会自动添加图例，col参数是一个字符串则不添加图例。 设定colkey = list(plot = FALSE)则为图例留下空间，但不显示图例。colkey = FALSE则不绘制图例。

border, 表示指定网格线的颜色，默认NA不显示网格线。

facets, 为逻辑值或NA，表示是否显示网格面， 默认TRUE显示网格面，
FALSE则显示白色网格面，并将col参数赋予网格线着色。NA则表示网格面透明。

panel.first, 表示指定一种变换函数，常常用于绘制背景网格和三维散点图的平滑处理。
该函数的其中一个参数应该是pmat矩阵变换。见persp3D()中的例子。

clab, 表示指定图例标题内容，仅当colkey = TRUE时有效，
默认位置于主标题同一高度，降低高度，使用向量指定，第一个元素为空字符串。

clim, 表示指定colvar的显示范围，仅仅当colvar被指定时生效，超出范围的colvar将作为NA显示。

bty, 表示指定box的类型，默认仅仅画背景panels,只有当persp()中的box = TRUE时才有效。
其它与perspbox()函数中一致，bty = c(“b”, “b2”, “f”, “g”, “bl”, “bl2”, “u”, “n”)其中之一。

type, 表示指定箭头arrow的类型: "simple"(默认), "curved", "triangle", "cone"。

add, 表示是否将该绘图对象加入到已存在的绘图对象中，TRUE相当于增加图层，默认FALSE则新建。

plot, 表示是否立即绘图，默认TRUE则立即绘图，FALSE则往下传递绘图参数，直到最后一个图层一起绘制。

…, 其它参数，包括公共参数, persp()中的参数，perspbox()中的一些参数。
persp()中的一些参数：xlim, ylim, zlim, xlab, ylab, zlab, main, sub,
r, d, scale, expand, box, axes, nticks, ticktype。
同样xlim,ylim, zlim也只限制坐标轴范围，超出该范围的图形仍然会绘制出来，
使用plotdev()设定图形范围。
perspbox()中的一些参数： col.axis, col.panel, lwd.panel, col.grid, lwd.grid。
公共参数：alpha透明度，从0(全透明)到1(不透明)。lty线型，lwd线宽。

shade和lighting没有任何作用。

对于箭头arrows, 还有length, code, angle三个参数。

对于多边形polygon, 还有border表示指定边线颜色。

5.1 箭头，线段，立方体框

library(plot3D)# Create a grid of x, y, and z valuesxx <- yy <- seq(-0.6, 0.4, len = 2)zz <- seq(-0.8, 0.8, by = 0.8)M <- mesh(xx, yy, zz)x0 <- M$x; y0 <- M$y; z0 <- M$zx1 <- x0 + 0.3 # 箭头终点坐标Col <- c("#e7298a", "#1b9e77", "#d95f02") # 画箭头arrows3D(x0, y0, z0, x1 = x1, colvar = z0, lwd = 2, # 箭头指向x方向，颜色于z有关         d = 2, clab = "z-value", col = Col, length = 0.1, alpha = 0.5,         xlim = c(-0.8, 0.8), ylim = c(-0.8, 0.8),          colkey = list(length = 0.5, dist = -0.1), # 列表传递图例参数         main = "arrows3D, points3D, segments3D, border3D")# 给箭头起点增加一个点points3D(x0, y0, z0, add = TRUE, colvar = z0,          colkey = FALSE, pch = "O", cex = 1, col = Col)# segments数据源x0 <- c(-0.8, 0.8,  0.8, -0.8)x1 <- c( 0.8, 0.8, -0.8, -0.8)y0 <- c(-0.8, -0.8, 0.8, -0.8)y1 <- c(-0.8,  0.8, 0.8, 0.8)z0 <- c(0., 0., 0., 0.)# segments3D画线段，这里画闭合的线segments3D(x0, y0, z0, x1, y1, z1 = z0,           add = TRUE, col = "cyan", lwd = 4, lty = 2) # 线宽为4，线型为2(虚线)# border3D画立方体border3D(-0.8, -0.8, -0.8, 0.8, 0.8, 0.8, # 坐标是立方体内最长的线段的两头的点的坐标         col = "#7570b3", add = TRUE, lwd = 3)

5.2 box3D()立方体

box3D()与border3D()坐标参数一样，都是立方体内最长的对角线两端的坐标。

library(plot3D)library(RColorBrewer)# box3D画立方体box3D(x0 = -0.8, y0 = -0.8, z0 = -0.8, # 立方体起点坐标      x1 = 0.8, y1 = 0.8, z1 = 0.8, # 立方体终点坐标      border = "magenta", lwd = 2,       col = "cyan", alpha = 0.4,      main = "box3D")# box3D画多个立方体嵌套box3D(x0 = seq(-0.8, -0.1, len = 8),       y0 = seq(-0.8, -0.1, len = 8),      z0 = seq(-0.8, -0.1, len = 8),      x1 = seq(0.8, 0.1, len = 8),      y1 = seq(0.8, 0.1, len = 8),      z1 = seq(0.8, 0.1, len = 8),      col = brewer.pal(9, name = "Paired")[-1], alpha = 0.3, # 使用RColorBrewer中的色板      border = "black", lwd = 2, phi = 20,      bty = "u", col.panel = brewer.pal(9, name = "Paired")[1]) # 自定义panel颜色# 随意画几个立方体set.seed(112)box3D(x0 = runif(3), y0 = runif(3), z0 = runif(3),      x1 = runif(3), y1 = runif(3), z1 = runif(3),      col = brewer.pal(4, name = "Set2")[-2], alpha = 0.5,      border = "blue", lwd = 2,  # border指定立方体边框线颜色      bty = "u", col.panel = brewer.pal(4, name = "Set2")[2])

5.3 rect3D()矩形

相比box3D(),其默认没有x1, y1, z1坐标参数，
当矩形与坐标轴组成的平面平行时，可能缺少多个坐标参数，可能是x,y,z，也可能是x0,y0,z0, 其它没有区别。

library(plot3D)# z相同，都平行与x-y平面rect3D(x0 = seq(-0.8, -0.1, by = 0.1),       y0 = seq(-0.8, -0.1, by = 0.1),       z0 = seq(-0.8, -0.1, by = 0.1),       x1 = seq(0.8, 0.1, by = -0.1),       y1 = seq(0.8, 0.1, by = -0.1),       col = brewer.pal(9, name = "Paired")[-1], alpha = 0.3, # 使用RColorBrewer中的色板       border = "black",lwd = 2, phi = 20, main = "rect3D",        bty = "u", col.panel = brewer.pal(9, name = "Paired")[1]) # y相同，平行于x-z平面，facets = NA表示矩形透明，只显示边框rect3D(x0 = 0, y0 = 0, z0 = 0, x1 = 1, z1 = 5,       ylim = c(0, 1), facets = NA, border = "red",       bty = "g", lwd = 2, phi = 20)## 添加一个矩形对象rect3D(x0 = 0, y0 = 0, z0 = 0, x1 = 1, y1 = 1,       border = "magenta", col = "cyan", add = TRUE)

5.4 箭头type, length, angle, code

library(plot3D)x0 <- 1:4y0 <- 1:4z0 <- c(0, 0, 0, 0)x1 <- x0y1 <- y0z1 <- 3:6# typearrows3D(x0, y0, z0, x1, y1, z1, col = "magenta", type = c("simple", "curved",     "triangle", "cone"), length = 0.8, xlim = c(0, 5), ylim = c(0, 5), zlim = c(2,     7), main = "type类型")# length减小arrows3D(x0, y0, z0, x1, y1, z1, col = "magenta", type = c("simple", "curved",     "triangle", "cone"), length = 0.5, angle = 30, xlim = c(0, 5), ylim = c(0,     5), zlim = c(2, 7), main = "length减小")# angle增加arrows3D(x0, y0, z0, x1, y1, z1, col = "magenta", type = c("simple", "curved",     "triangle", "cone"), length = 0.8, angle = 50, xlim = c(0, 5), ylim = c(0,     5), zlim = c(2, 7), main = "angle增加")# code类型arrows3D(x0, y0, z0, x1, y1, z1, col = "magenta", type = "triangle", length = 0.8,     angle = 30, code = c(1, 2, 3, 4), xlim = c(0, 5), ylim = c(0, 5), zlim = c(2,         7), main = "code类型")

5.5 polygon3D()

与ggplot2中不一样，默认是根据按顺序连线，没有多边型分组和点顺序选项。 绘制几个简单多边形还行，批量绘制复杂的多边形很麻烦。

library(plot3D)par(mfrow = c(1, 2))# 三角形set.seed(1211)coord_1 <- data.frame(x = runif(3), y = runif(3), z = runif(3))polygon3D(coord_1$x, coord_1$y, coord_1$z, col = "cyan", alpha = 0.5, border = "magenta")# 四边形, 四个点必须在同一平面coord_2 <- data.frame(x = c(1, 4, 6, 2), y = c(1, 3, 7, 4), z = c(1, 1, 3, 3))polygon3D(coord_2$x, coord_2$y, coord_2$z, col = "cyan", alpha = 0.5, border = "magenta")

5.6 rect2D()

与rect3D()相比，没有z坐标。同样是利用矩形对角线2点的坐标绘图。

library(plot3D)library(RColorBrewer)# 绘制7个矩阵set.seed(1235)rect2D(x0 = runif(7), y0 = runif(7), x1 = runif(7), y1 = runif(7), colvar = 1:7,     col = brewer.pal(n = 7, name = "Set2"), border = "blue", alpha = 0.4, lwd = 2,     main = "rect2D")

5.7 polygon2D()

与ggplot2中不一样，默认是根据按顺序连线，没有多边型分组和点顺序选项。 绘制几个简单多边形还行，批量绘制复杂的多边形很麻烦。
与polygon3D()相比，没有z轴坐标。

library(plot3D)par(mfrow = c(1, 2))# 三角形set.seed(1212)coord_1 <- data.frame(x = runif(3), y = runif(3))polygon2D(coord_1$x, coord_1$y, col = "cyan", alpha = 0.5, border = "magenta")# 四边形, 四个点必须在同一平面coord_2 <- data.frame(x = c(1, 4, 6, 2), y = c(1, 3, 7, 4))polygon2D(coord_2$x, coord_2$y, col = "cyan", alpha = 0.5, border = "magenta")

6 三维网格surf3D()与spheresurf3D()

surf3D()用于绘制立体图形，网格为立体网格，不是persp()那种平面网格。
x,y,z都是矩阵数据。可以构成立体封闭的图形。

spheresurf3D()用于绘制立体球。

语法：

surf3D (x, y, z, ..., colvar = z, phi = 40, theta = 40,        col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,        border = NA, facets = TRUE, colkey = NULL,        panel.first = NULL, clim = NULL, clab = NULL, bty = "n",        lighting = FALSE, shade = NA, ltheta = -135, lphi = 0,        inttype = 1, add = FALSE, plot = TRUE)spheresurf3D (colvar = matrix(nrow = 50, ncol = 50, data = 1:50, byrow = TRUE),         ..., phi = 0, theta = 0,        col = NULL, NAcol = "white", breaks = NULL,        border = NA, facets = TRUE, contour = FALSE,        colkey = NULL, resfac = 1,        panel.first = NULL, clim = NULL, clab = NULL, bty = "n",         lighting = FALSE, shade = NA, ltheta = -135, lphi = 0,        inttype = 1, full = FALSE, add = FALSE, plot = TRUE) 

语法解释： 与persp()大多数都相同，只有坐标轴参数不一样。

6.1 surf3D()

立体网格比较复杂，用得也比较少，立体图因为视角的问题，不是很好的可视化工具。
真正需要手动绘制复杂的立体图的地方，肯定是用机械工程领域的软件:UG，solidworks等。
其它需要网格颜色映射到colvar变量的地方，也会使用CAE软件，如Ansys。
所以这个功能是比较鸡肋的， 下面仅仅示范一下，不会深入讲解。

library(plot3D)# 创建矩阵数据X <- seq(0, pi, length.out = 50)Y <- seq(0, 2 * pi, length.out = 50)M <- mesh(X, Y)phi <- M$xtheta <- M$y# x, y and z gridsr <- sin(4 * phi)^3 + cos(2 * phi)^3 + sin(6 * theta)^2 + cos(6 * theta)^4x <- r * sin(phi) * cos(theta)y <- r * cos(phi)z <- r * sin(phi) * sin(theta)surf3D(x, y, z, colvar = y, colkey = FALSE, box = FALSE, theta = 60, border = NA,     xlim = range(x) * 0.8, col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = length(y)),     ylim = range(y) * 0.8, zlim = range(z) * 0.8)# border = 'blue'增加网格线surf3D(x, y, z, colvar = y, colkey = FALSE, box = FALSE, theta = 60, border = "blue",     xlim = range(x) * 0.8, col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = length(y)),     ylim = range(y) * 0.8, zlim = range(z) * 0.8)

6.2 spheresurf3D()

比surf3D简单，不需要考虑网格数据构成。 优点是可以绘制颜色渐变的圆，其它函数都不行。

library(plot3D)library(RColorBrewer)# spheresurf3D() # 默认绘图，颜色沿z轴方向渐变# true ranges are [-1, 1]; set limits to [-0.8, 0.8] to make larger plotslim <- c(-0.8, 0.8)spheresurf3D(col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 50), colkey = FALSE,     xlim = lim, ylim = lim, zlim = lim)spheresurf3D(col = ramp.col(col = c("cyan", "magenta"), n = 10), colkey = FALSE,     xlim = lim, ylim = lim, zlim = lim)spheresurf3D(col = c(brewer.pal(n = 7, name = "Set2"), rev(brewer.pal(n = 7,     name = "Set2"))), colkey = FALSE, xlim = lim, ylim = lim, zlim = lim)# phi = 90,变成同心圆，彩虹圆环spheresurf3D(col = c(brewer.pal(n = 7, name = "Set2"), rev(brewer.pal(n = 7,     name = "Set2"))), phi = 90, colkey = FALSE, xlim = lim, ylim = lim, zlim = lim)

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