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.< xmlnamespace prefix ="o" ns ="urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
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:
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
}
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