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VC++与Matlab混合编程之引擎操作详解

2007-1-19 20:41 3667 0 分类: 软件与OS
VC++与Matlab混合编程之引擎操作详解

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www.7dspace.com  更新日期:2006-3-22 23:41:53  七度空间



  Visual C++是当前主流的应用程序开发环境之一,开发环境强大,开发的程序执行速度快。但在科学计算方面函数库显得不够丰富、读取、显示数据图形不方便。 Matlab是一款将数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示结合在一起,包含大量高度集成的函数可供调用,适合科学研究、工程设计等众多学科领域使用的一种简洁、高效的编程工具。不过由于Matlab使用的是解释性语言,大大限制了它的执行速度和应用场合。基于VC和Matlab混合编程是很多熟悉VC ++编程而又需要进行科学计算、数据仿真的科研人员常用的一种方式,其中最简单也最直接的方法就是调用Matlab引擎。本文以下部分将详细介绍通过VC ++6.0调用Matlab6.5引擎来达到VC++与Matlab数据共享编程的方法。

  1. 什么是Matlab引擎

  所谓Matlab引擎(engine),是指一组Matlab提供的接口函数,支持C/C++、Fortran等语言,通过这些接口函数,用户可以在其它编程环境中实现对Matlab的控制。可以主要功能有:

  ★ 打开/关闭一个Matlab对话;

  ★ 向Matlab环境发送命令字符串;

  ★ 从Matlab环境中读取数据;

  ★ 向Matlab环境中写入数据。

  与其它各种接口相比,引擎所提供的Matlab功能支持是最全面的。通过引擎方式,应用程序会打开一个新的Matlab进程,可以控制它完成任何计算和绘图操作。对所有的数据结构提供100%的支持。同时,引擎方式打开的Matlab进程会在任务栏显示自己的图标,打开该窗口,可以观察主程序通过 engine方式控制Matlab运行的流程,并可在其中输入任何Matlab命令。

  实际上,通过引擎方式建立的对话,是将Matlab以ActiveX控件方式启动的。在Matlab初次安装时,会自动执行一次:

matlab /regserver

  将自己在系统的控件库中注册。如果因为特殊原因,无法打开Matlab引擎,可以在Dos命令提示符后执行上述命令,重新注册。

  2. 配置编译器

  要在VC中成功编译Matlab引擎程序,必须包含引擎头文件engine.h并引入Matlab对应的库文件libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib。具体的说,打开一个工程后,做如下设置(以VC6为例):

  1) 通过菜单工程/选项,打开设置属性页,进入Directories页面,在目录下拉列表框中选择Include files,添加路径:"C:\matlab\extern\include"(假定matlab安装在C:\matlab目录)。

  2) 选择Library files,添加路径:C:\matlab\extern\lib\win32\microsoft\msvc60。

  3) 通过菜单工程/设置,打开工程设置属性页,进入Link页面,在Object/library modules编辑框中,添加文件名libmx.lib libmat.lib libeng.lib。

  以上步骤1)、2)只需设置一次,而步骤3)对每个工程都要单独设定,对于其它C++编译器如Borland C++ builder,设置大体相同,不再赘述。

  3. 引擎API详解

  在调用Matlab引擎之前,首先应在相关文件中加入一行:#include "enging.h",该文件包含了引擎API函数的说明和所需数据结构的定义。可以在VC中调用的引擎函数分别如下:

  3.1 引擎的打开和关闭

  engOpen-打开Matlab engine

  函数声明:

Engine *engOpen(const char *startcmd);

  参数startcmd是用来启动Matlab引擎的字符串参数,在Windows操作系统中只能为NULL。

  函数返回值是一个Engine类型的指针,它是在engine.h中定义的engine数据结构。

  EngClose-关闭Matlab 引擎

  函数声明:

int engClose(Engine *ep);

  参数ep代表要被关闭的引擎指针。

  函数返回值为0表示关闭成功,返回1表示发生错误。

  例如,通常用来打开/关闭Matlab引擎的代码如下:

Engine *ep; //定义Matlab引擎指针。
if (!(ep=engOpen(NULL))) //测试是否启动Matlab引擎成功。
{
MessageBox("Can't start Matlab engine!" );
exit(1);
}
. …………
engClose(ep); //关闭Matlab引擎。

  3.2 向Matlab发送命令字符串

  engEvalString-发送命令让Matlab执行。

  函数声明:

int engEvalString(Engine *ep, Const char *string);

  参数ep为函数engOpen返回的引擎指针,字符串string为要matlab执行的命令。

  函数返回值为0表示成功执行,返回1说明执行失败(如命令不能被Matlab正确解释或Matlab引擎已经关闭了)。

  3.3 获取Matlab命令窗口的输出

  要在VC中获得函数engEvalString发送的命令字符串被Matlab执行后在matlab窗口中的输出,可以调用engOUtputBuffer函数。

  函数声明:

int engOutputBuffer(Engine *ep, char *p, int n);

  参数ep为Matlab引擎指针,p为用来保存输出结构的缓冲区,n为最大保存的字符个数,通常就是缓冲区p的大小。该函数执行后,接下来的 engEvalString函数所引起的命令行输出结果会在缓冲区p中保存。如果要停止保存,只需调用代码:engOutputBuffer(ep, NULL, 0)。

  3.4 读写Matlab数据

  3.4.1从Matlab引擎工作空间中获取变量。

mxArray *engGetVariable(Engine *ep, const char *name);

  参数ep为打开的Matlab引擎指针,name为以字符串形式指定的数组名。

  函数返回值是指向name数组的指针,类型为mxArray*(mxArray数据类型在本文第4节详细简介)。

  3.4.2 向Matlab引擎工作空间写入变量。

int engPutVariable(Engine *ep, const char *name, const mxArray *mp);

  参数ep为打开的Matlab引擎指针,mp为指向被写入变量的指针,name为变量写入后在Matlab引擎工作空间中的变量名。
函数返回值为0表示写入变量成功,返回值为1表示发生错误。

  3.5 调用引擎时显示/隐藏Matlab主窗口

  默认情况下,以engine方式调用Matlab的时候,会打开Matlab主窗口,可在其中随意操作。但有时也会干扰应用程序的运行,可用以下设置是否显示该窗口。

int engSetVisible(Engine *ep, bool value);

  参数ep为打开的Matlab引擎指针,value为是否显示的标志,取值true(或1)表示显示Matlab窗口,取值false(或0)表示隐藏Matlab窗口。

  函数返回值为0表示设置成功,为1表示有错误发生。

  要获得当前Matlab窗口的显示/隐藏情况,可以调用函数:

int engGetVisible(Engine *ep, bool *value);

  参数ep为打开的Matlab引擎指针,Value为用来保存显示/隐藏情况的变量(采用指针方式传递)。

  函数返回值为0表示获取成功,为1表示有错误发生。
4. 数据类型mxArray的操作

  在上节的Matlab引擎函数中,所有与变量有关的数据类型都是 mxArray类型。数据结构mxArray以及大量的mx开头的函数,广泛用于Matlab 引擎程序和Matlab C数学库中。mxArray是一种很复杂的数据结构,与Matlab中的array相对应,我们只需熟悉Matlab的array类型和几个常用的 mxArray函数即可。

  在VC中,所有和Matlab的数据交互都是通过mxArray来实现的,在使用mxArray类型的程序中,应包含头文件matrix.h,不过在引擎程序中,一般会包含头文件engine.h,该文件里面已经包含了matrix.h,因此无需重复包含。

  4.1 创建和清除mxArray型数据

  Matlab有很多种变量类型,对应于每种类型,基本上都有一个函数用于创建,但它们都有相同的数据结构,就是mxArray。

  数组的建立采用mxCreatexxx形式的函数,例如新建一个double类型数组,可用函数mxCreateDoubleMatrix,函数形式如下:

mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag);

  参数m和n为矩阵的函数和列数。ComplexFlag为常数,用来区分矩阵中元素是实数还是复数,取值分别为mxREAL和mxCOMPLEX。

  例如,创建一个3行5列的二维实数数组,可用如下语句:

mxArray *T = mxCreateDoubleMatrix(3, 5, mxREAL);

  对应的,要删除一个数组mxDestroyArray,该函数声明如下:

void mxDestroyArray(mxArray *array_ptr);

  参数array_ptr为要删除的数组指针。

  例如,要删除上面创建的数组T,可用如下语句:

mxDestroyArray(T);

  类似的创建函数还有:

mxArray *mxCreateString(const char *str);

  创建一个字符串类型并初始化为str字符串。

  一般的在VC与Matlab交互中,以上两种类型就够了,其它类型数组的创建这里不再介绍。

  4.2 管理mxArray数据类型

  4.2.1 管理mxArray数据大小

  要获得mxArray数组每一维上元素的个数,可以用mxGetM和mxGetN函数。其中mxGetM用来获得数组第一维的元素个数,对于矩阵来说就是行数。

int mxGetM(const mxArray *array_ptr); //返回array_ptr对应数组第一维的元素个数(行数)
int mxGetN(const mxArray *array_ptr); //返回array_ptr对应数组其它维的元素个数,对于矩阵来说是列数。对于多维数组来说是从第2维到最后一维的各维元素个数的乘积。

  要获得某一特定维的元素个数,则要用函数:

const int *mxGetDimensions(const mxArray *array_ptr);

  该函数返回array_ptr各维的元素个数保存在一个int数组中返回。对于常用的矩阵来说,用mxGetM和mxGetN两个函数就可以了。

  另外还可以通过mxGetNumberOfDimensions来获得数组的总的维数,用mxSetM、mxSetN设置矩阵的行数和列数,函数说明如下:

int mxGetNumberOfDimensions(const mxArray *array_ptr); //返回数组的维数
void mxSetM(mxArray *array_ptr, int m); //设置数组为m行
void mxSetN(mxArray *array_ptr, int n); //设置数组为n列

  4.2.2 判断mxArray数组类型

  在对mxArray类型的变量进行操作之前,可以验证以下其中的数组的数据类型,比如是否为double数组、整数、字符串、逻辑值等,以及是否为某种结构、类、或者是特殊类型,比如是否为空数组,是否为inf、NaN等。常见的判断函数有:

bool mxIsDouble(const mxArray *array_ptr);
bool mxIsComplex(const mxArray *array_ptr);
bool mxIsChar(const mxArray *array_ptr);
bool mxIsEmpty(const mxArray *array_ptr);
bool mxIsInf(double value);
…… ……

  这些函数比较简单,意义自明,不再解释。

  4.2.3 管理mxArray数组的数据

  对于常用的double类型的数组,可以用mxGetPr和mxGetPi两个函数分别获得其实部和虚部的数据指针,这两个函数的声明如下:

double *mxGetPr(const mxArray *array_ptr); //返回数组array_ptr的实部指针
double *mxGetPi(const mxArray *array_ptr); //返回数组array_ptr的虚部指针

  这样,就可以通过获得的指针对mxArray类型的数组中的数据进行读写操作。例如可以用函数engGetVariable从Matlab工作空间读入 mxArray类型的数组,然后用mxGetPr和mxGetPi获得数据指针,对并其中的数据进行处理,最后调用engPutVariable函数将修改后的数组重新写入到Matlab工作空间。具体实现见第5节程序实例。

5. 程序实例

  对大部分软件研发人员来说利用VC编程方便、高效,但是要显示数据图形就不那么容易了,这时候不防借助Matlab引擎辅助画图做数据分析。下面通过实例演示如何利用VC调用Matlab绘图,程序的主要功能是在VC中对数组x计算函数值y=sin (x) ±log(x),然后调用Matlab绘制y对x的图形。

  在VC中新建工程,编写代码如下:

#include <iostream>
#include <math.h>
#include "engine.h"
using namespace std;
void main()
{
 const int N = 50;
 double x[N],y[N];
 int j = 1;
 for (int i=0; i<N; i++) //计算数组x和y
 {
  x[i] = (i+1);
  y[i] = sin(x[i]) + j * log(x[i]); //产生-之间的随机数赋给xx[i];
  j *= -1;
 }
 Engine *ep; //定义Matlab引擎指针。
 if (!(ep=engOpen(NULL))) //测试是否启动Matlab引擎成功。
 {
  cout <<"Can't start Matlab engine!" <<endl;
  exit(1);
 }

 //定义mxArray,为行,N列的实数数组。
 mxArray *xx = mxCreateDoubleMatrix(1,N, mxREAL);
 mxArray *yy = mxCreateDoubleMatrix(1,N, mxREAL); //同上。

 memcpy(mxGetPr(xx), x, N*sizeof(double)); //将数组x复制到mxarray数组xx中。
 memcpy(mxGetPr(yy), y, N*sizeof(double)); //将数组x复制到mxarray数组yy中。

 engPutVariable(ep, "xx",xx); //将mxArray数组xx写入到Matlab工作空间,命名为xx。
 engPutVariable(ep, "yy",yy); //将mxArray数组yy写入到Matlab工作空间,命名为yy。

 //向Matlab引擎发送画图命令。plot为Matlab的画图函数,参见Matlab相关文档。
 engEvalString(ep, "plot(xx, yy); ");

 mxDestroyArray(xx); //销毁mxArray数组xx和yy。
 mxDestroyArray(yy);

 cout <<"Press any key to exit!" <<endl;
 cin.get();
 engClose(ep); //关闭Matlab引擎。
}

  编译并运行程序得结果入下图:


y=sin(x) ±log(x)的图形

  6. 小结

  本文详细的介绍了Matlab引擎使用方法并演示了一个简单的利用VC调用Matlab画图的程序实例。大多数时候,程序员可以利用Matlab强大的数据读写、显示能力和VC编程的高效率。例如,在Matlab中要读入一幅任意格式的图像均只需一条命令i=imread('test.jp');图像数据矩阵便存放在了二维数组i中,可以通过VC读入该数组进行相关处理再调用Matlab显示,这种混合编程方式能大大提高工作效率。

  当然,利用VC编译的Matlab引擎程序,运行环境中还必须Matlab的支持,如果要编译完全脱离Matlab的程序,可采用其它方式,如利用第三方Matcom程序编译独立的可执行程序等。

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