VS2008与Matlab2008(版本R2008a)混合编程之引擎操作

VS2008与Matlab2008(版本R2008a)混合编程之引擎操作
2011年01月29日
　　Visual stuido2008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VS2008和Matlab混合编程是很多。熟悉C/C++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VS2008调用Matlab2008引擎来达到C/C++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VS2008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VS2008为例）：
　　1）建立C/c++工程，如何建立请参考vs2008帮助文件。     
　　　　2) 工程建立后，通过菜单-工具-选项，打开选项设置页，选择-项目与解决方案/VC++项目设置，在目录下拉列表框中选择包含文件，添加路径："D:\Program Files\MATLAB\extern\include"（假定matlab安装在D:\Program Files\MATLAB目录）。
　　　  3) 在上述目录下拉列表框中选择库文件，添加路径："D:\Program Files\MATLAB\R2008a\extern\lib\win32\microsoft"（假定matlab安装在D:\Program   Files\MATLAB目录）。
　　　　4) 通过菜单-项目-属性，打开项目设置属性页，选择配置属性-链接器-输入，在附加依赖项编辑框中，输入此工程所需的库文件，例如对例子5.1需添加文件名libmx.lib libmat.lib libeng.lib。
　　5）运行工程，若显示无法打开matlab引擎时，可按照第1节提示设置，即开始-运行-cmd-matlab /regserver。
　　　　以上步骤2)、3)只需设置一次，而步骤4)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C/C++程序文件中加入一行：#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C/C++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VS2008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C/C++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为矩阵的行数和列数。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VS2008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VS2008调用Matlab绘图。
　　5.1  实例1
　　此实例是matlab自身的例子。程序代码如下：
　　/* $Revision: 1.1.6.1 $ */
　　/*
　　* engdemo.cpp
　　*
　　* This is a simple program that illustrates how to call the MATLAB
　　* Engine functions from a C++ program.
　　*
　　* Copyright 1984-2007 The MathWorks, Inc.
　　* All rights reserved
　　*/
　　#include
　　#include
　　#include
　　#include "engine.h"
　　#define  BUFSIZE 256
　　int main()
　　{
　　Engine *ep;
　　mxArray *T = NULL, *result = NULL;
　　char buffer[BUFSIZE+1];
　　double time[10] = { 0.0, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0 };
　　/*
　　* Start the MATLAB engine locally by executing the string
　　* "matlab"
　　*
　　* To start the session on a remote host, use the name of
　　* the host as the string rather than \0
　　*
　　* For more complicated cases, use any string with whitespace,
　　* and that string will be executed literally to start MATLAB
　　*/
　　if (!(ep = engOpen("\0"))) {
　　fprintf(stderr, "\nCan't start MATLAB engine\n");
　　return EXIT_FAILURE;
　　}
　　/*
　　* PART I
　　*
　　* For the first half of this demonstration, we will send data
　　* to MATLAB, analyze the data, and plot the result.
　　*/
　　/*
　　* Create a variable for our data
　　*/
　　T = mxCreateDoubleMatrix(1, 10, mxREAL);
　　memcpy((void *)mxGetPr(T), (void *)time, sizeof(time));
　　/*
　　* Place the variable T into the MATLAB workspace
　　*/
　　engPutVariable(ep, "T", T);
　　/*
　　* Evaluate a function of time, distance = (1/2)g.*t.^2
　　* (g is the acceleration due to gravity)
　　*/
　　engEvalString(ep, "D = .5.*(-9.8).*T.^2;");
　　/*
　　* Plot the result
　　*/
　　engEvalString(ep, "plot(T,D);");
　　engEvalString(ep, "title('Position vs. Time for a falling object');");
　　engEvalString(ep, "xlabel('Time (seconds)');");
　　engEvalString(ep, "ylabel('Position (meters)');");
　　/*
　　* use fgetc() to make sure that we pause long enough to be
　　* able to see the plot
　　*/
　　printf("Hit return to continue\n\n");
　　fgetc(stdin);
　　/*
　　* We're done for Part I! Free memory, close MATLAB engine.
　　*/
　　printf("Done for Part I.\n");
　　mxDestroyArray(T);
　　engEvalString(ep, "close;");
　　/*
　　* PART II
　　*
　　* For the second half of this demonstration, we will request
　　* a MATLAB string, which should define a variable X.  MATLAB
　　* will evaluate the string and create the variable.  We
　　* will then recover the variable, and determine its type.
　　*/
　　/*
　　* Use engOutputBuffer to capture MATLAB output, so we can
　　* echo it back.  Ensure first that the buffer is always NULL
　　* terminated.
　　*/
　　buffer[BUFSIZE] = '\0';
　　engOutputBuffer(ep, buffer, BUFSIZE);
　　while (result == NULL) {
　　char str[BUFSIZE+1];
　　/*
　　* Get a string input from the user
　　*/
　　printf("Enter a MATLAB command to evaluate.  This command should\n");
　　printf("create a variable X.  This program will then determine\n");
　　printf("what kind of variable you created.\n");
　　printf("For example: X = 1:5\n");
　　printf(">> ");
　　fgets(str, BUFSIZE, stdin);
　　/*
　　* Evaluate input with engEvalString
　　*/
　　engEvalString(ep, str);
　　/*
　　* Echo the output from the command.  First two characters are
　　* always the double prompt (>>).
　　*/
　　printf("%s", buffer+2);
　　/*
　　* Get result of computation
　　*/
　　printf("\nRetrieving X...\n");
　　if ((result = engGetVariable(ep,"X")) == NULL)
　　printf("Oops! You didn't create a variable X.\n\n");
　　else {
　　printf("X is class %s\t\n", mxGetClassName(result));
　　}
　　}
　　/*
　　* We're done! Free memory, close MATLAB engine and exit.
　　*/
　　printf("Done!\n");
　　mxDestroyArray(result);
　　engClose(ep);
　　return EXIT_SUCCESS;
　　}
　　编译并运行程序得结果入下图：
　　5.2 实例2
　　程序的主要功能是在c/C++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VS2008中新建工程，编写代码如下：
　　#include
　　#include
　　#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+1);
　　　　y = sin(x) + j * log(x); //产生－之间的随机数赋给xx;
　　　　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. Matlab engine函数和MxArray函数
　　请参考以下帮助：
　　http://www.kxcad.net/cae_MATLAB/techdoc/apiref/
　　http://www.mathworks.cn/access/helpdesk/help/pdf_doc/matlab/apiref.pdf
　　7. 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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