VC中調用matlab函數

VC中調用matlab函數

Visual C++是當前主流的應用程序開發環境之一，開發環境強大，開發的程序執行速度快。但在科學計算方面函數庫顯得不夠豐富、讀取、顯示數據圖形不方便。Matlab是一款將數值分析、矩陣計算、信號處理和圖形顯示結合在一起，包含大量高度集成的函數可供調用，適合科學研究、工程設計等衆多學科領域使用的一種簡潔、高效的編程工具。不過由於Matlab使用的是解釋性語言，大大限制了它的執行速度和應用場合。基於VC和Matlab混合編程是很多熟悉VC++編程而又需要進行科學計算、數據仿真的科研人員常用的一種方式，其中最簡單也最直接的方法就是調用Matlab引擎。本文以下部分將詳細介紹通過VC++6.0調用Matlab6.5引擎來達到VC++與Matlab數據共享編程的方法。

　　1. 什麼是Matlab引擎

　　所謂Matlab引擎（engine），是指一組Matlab提供的接口函數，支持C/C++、Fortran等語言，通過這些接口函數，用戶可以在其它編程環境中實現對Matlab的控制。可以主要功能有：

　　★ 打開/關閉一個Matlab對話；

　　★ 向Matlab環境發送命令字符串；

　　★ 從Matlab環境中讀取數據；

　　★ 向Matlab環境中寫入數據。

　　與其它各種接口相比，引擎所提供的Matlab功能支持是最全面的。通過引擎方式，應用程序會打開一個新的Matlab進程，可以控制它完成任何計算和繪圖操作。對所有的數據結構提供100%的支持。同時，引擎方式打開的Matlab進程會在任務欄顯示自己的圖標，打開該窗口，可以觀察主程序通過engine方式控制Matlab運行的流程，並可在其中輸入任何Matlab命令。

　　實際上，通過引擎方式建立的對話，是將Matlab以ActiveX控件方式啓動的。在Matlab初次安裝時，會自動執行一次：

matlab /regserver

　　將自己在系統的控件庫中註冊。如果因爲特殊原因，無法打開Matlab引擎，可以在Dos命令提示符後執行上述命令，重新註冊。

　　2. 配置編譯器

　　要在VC中成功編譯Matlab引擎程序，必須包含引擎頭文件engine.h並引入Matlab對應的庫文件libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib。具體的說，打開一個工程後，做如下設置（以VC6爲例）：

　　1) 通過菜單工程/選項，打開設置屬性頁，進入Directories頁面，在目錄下拉列表框中選擇Include files，添加路徑："C:/matlab/extern/include"（假定matlab安裝在C:/matlab目錄）。

　　2) 選擇Library files，添加路徑：C:/matlab/extern/lib/win32/microsoft/msvc60。

　　3) 通過菜單工程/設置，打開工程設置屬性頁，進入Link頁面，在Object/library modules編輯框中，添加文件名libmx.lib libmat.lib libeng.lib。

　　以上步驟1)、2)只需設置一次，而步驟3)對每個工程都要單獨設定，對於其它C++編譯器如Borland C++ Builder，設置大體相同，不再贅述。

　　3. 引擎API詳解

　　在調用Matlab引擎之前，首先應在相關文件中加入一行：#include "enging.h"，該文件包含了引擎API函數的說明和所需數據結構的定義。可以在VC中調用的引擎函數分別如下：

　　3.1 引擎的打開和關閉

　　engOpen－打開Matlab engine

　　函數聲明：

Engine *engOpen(const char *startcmd);

　　參數startcmd是用來啓動Matlab引擎的字符串參數，在Windows操作系統中只能爲NULL。

　　函數返回值是一個Engine類型的指針，它是在engine.h中定義的engine數據結構。

　　EngClose－關閉Matlab 引擎

　　函數聲明：

int engClose(Engine *ep);

　　參數ep代表要被關閉的引擎指針。

　　函數返回值爲0表示關閉成功，返回1表示發生錯誤。

　　例如，通常用來打開/關閉Matlab引擎的代碼如下：

Engine *ep; //定義Matlab引擎指針。
if (!(ep=engOpen(NULL))) //測試是否啓動Matlab引擎成功。
{
MessageBox("Can't start Matlab engine!" );
exit(1);
}
. …………
engClose(ep); //關閉Matlab引擎。

　　3.2 向Matlab發送命令字符串

　　engEvalString－發送命令讓Matlab執行。

　　函數聲明：

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

　　參數ep爲函數engOpen返回的引擎指針，字符串string爲要matlab執行的命令。

　　函數返回值爲0表示成功執行，返回1說明執行失敗（如命令不能被Matlab正確解釋或Matlab引擎已經關閉了）。

　　3.3 獲取Matlab命令窗口的輸出

　　要在VC中獲得函數engEvalString發送的命令字符串被Matlab執行後在matlab窗口中的輸出，可以調用engOUtputBuffer函數。

　　函數聲明：

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

　　參數ep爲Matlab引擎指針，p爲用來保存輸出結構的緩衝區，n爲最大保存的字符個數，通常就是緩衝區p的大小。該函數執行後，接下來的engEvalString函數所引起的命令行輸出結果會在緩衝區p中保存。如果要停止保存，只需調用代碼：engOutputBuffer(ep, NULL, 0)。

　　3.4 讀寫Matlab數據

　　3.4.1從Matlab引擎工作空間中獲取變量。

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

　　參數ep爲打開的Matlab引擎指針，name爲以字符串形式指定的數組名。

　　函數返回值是指向name數組的指針，類型爲mxArray*（mxArray數據類型在本文第4節詳細簡介）。

　　3.4.2 向Matlab引擎工作空間寫入變量。

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

　　參數ep爲打開的Matlab引擎指針，mp爲指向被寫入變量的指針，name爲變量寫入後在Matlab引擎工作空間中的變量名。
函數返回值爲0表示寫入變量成功，返回值爲1表示發生錯誤。

　　3.5 調用引擎時顯示/隱藏Matlab主窗口

　　默認情況下，以engine方式調用Matlab的時候，會打開Matlab主窗口，可在其中隨意操作。但有時也會干擾應用程序的運行，可用以下設置是否顯示該窗口。

int engSetVisible(Engine *ep, bool value);

　　參數ep爲打開的Matlab引擎指針，value爲是否顯示的標誌，取值true（或1）表示顯示Matlab窗口，取值false（或0）表示隱藏Matlab窗口。

　　函數返回值爲0表示設置成功，爲1表示有錯誤發生。

　　要獲得當前Matlab窗口的顯示/隱藏情況，可以調用函數：

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

　　參數ep爲打開的Matlab引擎指針，Value爲用來保存顯示/隱藏情況的變量（採用指針方式傳遞）。

　　函數返回值爲0表示獲取成功，爲1表示有錯誤發生。
4. 數據類型mxArray的操作

　　在上節的Matlab引擎函數中，所有與變量有關的數據類型都是mxArray類型。數據結構mxArray以及大量的mx開頭的函數，廣泛用於Matlab 引擎程序和Matlab C數學庫中。mxArray是一種很複雜的數據結構，與Matlab中的array相對應，我們只需熟悉Matlab的array類型和幾個常用的mxArray函數即可。

　　在VC中，所有和Matlab的數據交互都是通過mxArray來實現的，在使用mxArray類型的程序中，應包含頭文件matrix.h，不過在引擎程序中，一般會包含頭文件engine.h，該文件裏面已經包含了matrix.h，因此無需重複包含。

　　4.1 創建和清除mxArray型數據

　　Matlab有很多種變量類型，對應於每種類型，基本上都有一個函數用於創建，但它們都有相同的數據結構，就是mxArray。

　　數組的建立採用mxCreatexxx形式的函數，例如新建一個double類型數組，可用函數mxCreateDoubleMatrix，函數形式如下：

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

　　參數m和n爲矩陣的函數和列數。ComplexFlag爲常數，用來區分矩陣中元素是實數還是複數，取值分別爲mxREAL和mxCOMPLEX。

　　例如，創建一個3行5列的二維實數數組，可用如下語句：

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

　　對應的，要刪除一個數組mxDestroyArray，該函數聲明如下：

void mxDestroyArray(mxArray *array_ptr);

　　參數array_ptr爲要刪除的數組指針。

　　例如，要刪除上面創建的數組T，可用如下語句：

mxDestroyArray(T);

　　類似的創建函數還有：

mxArray *mxCreateString(const char *str);

　　創建一個字符串類型並初始化爲str字符串。

　　一般的在VC與Matlab交互中，以上兩種類型就夠了，其它類型數組的創建這裏不再介紹。

　　4.2 管理mxArray數據類型

　　4.2.1 管理mxArray數據大小

　　要獲得mxArray數組每一維上元素的個數，可以用mxGetM和mxGetN函數。其中mxGetM用來獲得數組第一維的元素個數，對於矩陣來說就是行數。

int mxGetM(const mxArray *array_ptr); //返回array_ptr對應數組第一維的元素個數（行數）
int mxGetN(const mxArray *array_ptr); //返回array_ptr對應數組其它維的元素個數，對於矩陣來說是列數。對於多維數組來說是從第2維到最後一維的各維元素個數的乘積。

　　要獲得某一特定維的元素個數，則要用函數：

const int *mxGetDimensions(const mxArray *array_ptr);

　　該函數返回array_ptr各維的元素個數保存在一個int數組中返回。對於常用的矩陣來說，用mxGetM和mxGetN兩個函數就可以了。

　　另外還可以通過mxGetNumberOfDimensions來獲得數組的總的維數，用mxSetM、mxSetN設置矩陣的行數和列數，函數說明如下：

mxGetNumberOfDimensions(const mxArray *array_ptr); //返回數組的維數
void mxSetM(mxArray *array_ptr, int m); //設置數組爲m行
void mxSetN(mxArray *array_ptr, int n); //設置數組爲n列

　　4.2.2 判斷mxArray數組類型

　　在對mxArray類型的變量進行操作之前，可以驗證以下其中的數組的數據類型，比如是否爲double數組、整數、字符串、邏輯值等，以及是否爲某種結構、類、或者是特殊類型，比如是否爲空數組，是否爲inf、NaN等。常見的判斷函數有：

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);
…… ……

 

　　這些函數比較簡單，意義自明，不再解釋。

　　4.2.3 管理mxArray數組的數據

　　對於常用的double類型的數組，可以用mxGetPr和mxGetPi兩個函數分別獲得其實部和虛部的數據指針，這兩個函數的聲明如下：

double *mxGetPr(const mxArray *array_ptr); //返回數組array_ptr的實部指針
double *mxGetPi(const mxArray *array_ptr); //返回數組array_ptr的虛部指針

 

　　這樣，就可以通過獲得的指針對mxArray類型的數組中的數據進行讀寫操作。例如可以用函數engGetVariable從Matlab工作空間讀入mxArray類型的數組，然後用mxGetPr和mxGetPi獲得數據指針，對並其中的數據進行處理，最後調用engPutVariable函數將修改後的數組重新寫入到Matlab工作空間。具體實現見第5節程序實例。

5. 程序實例

　　對大部分軟件研發人員來說利用VC編程方便、高效，但是要顯示數據圖形就不那麼容易了，這時候不防藉助Matlab引擎輔助畫圖做數據分析。下面通過實例演示如何利用VC調用Matlab繪圖，程序的主要功能是在VC中對數組x計算函數值y＝sin(x) ±log(x)，然後調用Matlab繪製y對x的圖形。

　　在VC中新建工程，編寫代碼如下：

#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++) //計算數組x和y
　{
　　x[i] = (i+1);
　　y[i] = sin(x[i]) + j * log(x[i]); //產生－之間的隨機數賦給xx[i];
　　j *= -1;
　}
　Engine *ep; //定義Matlab引擎指針。
　if (!(ep=engOpen(NULL))) //測試是否啓動Matlab引擎成功。
　{
　　cout <<"Can't start Matlab engine!" <<endl;
　　exit(1);
　}

　//定義mxArray，爲行，N列的實數數組。
　mxArray *xx = mxCreateDoubleMatrix(1,N, mxREAL);
　mxArray *yy = mxCreateDoubleMatrix(1,N, mxREAL); //同上。

　memcpy(mxGetPr(xx), x, N*sizeof(double)); //將數組x複製到mxarray數組xx中。
　memcpy(mxGetPr(yy), y, N*sizeof(double)); //將數組x複製到mxarray數組yy中。

　engPutVariable(ep, "xx",xx); //將mxArray數組xx寫入到Matlab工作空間，命名爲xx。
　engPutVariable(ep, "yy",yy); //將mxArray數組yy寫入到Matlab工作空間，命名爲yy。

　//向Matlab引擎發送畫圖命令。plot爲Matlab的畫圖函數，參見Matlab相關文檔。
　engEvalString(ep, "plot(xx, yy); ");

　mxDestroyArray(xx); //銷燬mxArray數組xx和yy。
　mxDestroyArray(yy);

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

6. 小結

　　本文詳細的介紹了Matlab引擎使用方法並演示了一個簡單的利用VC調用Matlab畫圖的程序實例。大多數時候，程序員可以利用Matlab強大的數據讀寫、顯示能力和VC編程的高效率。例如，在Matlab中要讀入一幅任意格式的圖像均只需一條命令i=imread('test.jp');圖像數據矩陣便存放在了二維數組i中，可以通過VC讀入該數組進行相關處理再調用Matlab顯示，這種混合編程方式能大大提高工作效率。

　　當然，利用VC編譯的Matlab引擎程序，運行環境中還必須Matlab的支持，如果要編譯完全脫離Matlab的程序，可採用其它方式，如利用第三方Matcom程序編譯獨立的可執行程序等