VC 与Matlab混合编程之引擎操作详解

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。