Matlab和Visual C++的混合编程

Matlab和Visual C++的混合编程

Matlab和Visual C++的混合编程

（信息工程学院，计算机系，计算机科学与技术专业 陈健）

(学号：2000131001)

内容提要：在对如今领导潮流的两个强大的可视化开发工具Microsoft Visual C++和Matlab间的混合编程作了大量的尝试的基础上，本文总结出5种行之有效的应用于数字图像处理软件开发的集成途径；对它们各自的优点和不足作了详细的阐述；并对未来两个软件的进一步联合提出了一些粗浅的意见和希望。

关 键 词：编程，混合编程，Matlab Visual C++

教师点评：Matlab是功能强大的高性能数值计算和可视化软件系统，具有较好的数值分析、信号处理、图形和图像处理等方面的功能。本论文将VC++与Matlab结合起来，实现混合编程，既发挥VC++在图像的各种处理中编程灵活、执行快捷的特点，又发挥Matlab在数值分析、信号处理及图形和图像等方面简单易用的优势，使整个系统既简洁又高效。该论文概念清楚，观点合理，编程工作量较大，是一篇优秀的本科论文。(点评教师：蔡茂国，教授）

一、混合编程的原因与优势

Matlab（Matrix Laboratory，矩阵实验室）是一种高性能的数值计算和可视化软件的开发软件，在数值分析、信号处理、系统辨识、特殊函数和图形等方面具有广泛的应用。由于Matlab用的是一种脚本语言，其执行是逐行解释的，而且为了加强通用性，程序中所有的变量都用矩阵数组MxArray来实现，所以，在实现一些复杂的算法时，程序执行效率低。虽然Mathworks公司已经在竭力提高m脚本文件(script files)的运算速度，但仍然不能和实现同样功能的可执行程序相比，而且m脚本文件不能脱离Matlab环境运行的，也制约了Matlab程序的可移植性和通用性。

C++是新一代面向对象（OOP）高级程序设计语言，由于它建立在C的基础之上，使之成为最流行的OOP语言。Visual C++在功能和优化等方面，是同类产品的佼佼者，并且绝大多数的软件开发包都提供了对它的接口。

虽然Visual C++是目前综合性能最高，功能最强大的可视化开发工具，但其在图像处理方面并没有专门的功能函数库，我们在利用Visual C++编写图像处理的程序时，实现一些基本的图像处理功能如平移、缩放、腐蚀等都要重新架构自己的图像处理函数库，编写大量的代码，开发效率不高；而Matlab虽然有完整的图像处理工具箱，编程效率高，极少的代码即可实现复杂的运行，但由于它是解释型脚本语言，执行效率低，实现相同功能的代码跟其他编程平台相比运行时间相对较长，而且不适合作为通用的编程平台。因此，如果能实现两个开发工具的混合编程，各取所长，充分发挥两个开发工具的优势，将给我们的开发工作带来极大的便利。

二、Visual C++和Matlab混合编程的有效途径

根据Matlab是否运行，一般将Matlab与Visual C++混合编程分为两大类：Matlab在后台运行和可以脱离Matlab环境运行。

2.1 Matlab引擎(Engine)

Matlab引擎(Engine)采用客户机/服务器(Client/Server)的计算方式，通过Windows的ActivcX通道和Matlab接口。在具体的应用中，Visual C++的程序作为前端客户机，通过调用Matlab Engine在后台与Matlab服务器建立连接，实现动态通信。这种方法实现较为简单，不要求连接整个Matlab，只需要嵌入必要的Matlab Engine库，可大大地节省系统资源，但这种混合方法需要Matlab在后台运行，运行效率低。

Matlab engine提供了一组 Matlab API 函数，通过这些 API 函数实现应用程序进程之间的传递数据，Matlab engine 库中的API函数如下：

1） engOpen，开启Matlab engine

2） engClose，关闭Matlab engine

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3） engGetArray，从Matlab engine中获得一个Matlab矩阵，用于数据交换

4） engEvalString，执行一个Matlab命令

5） engPutArray，从应用程序向Matlab engine发送一个Matlab矩阵，用于数据交换

6） engOutputBuffer，作用是创建字符缓冲区以获取Matlab文本输出

运用Matlab engine和Visual C++集成开发步骤如下：

1） 导入相应的库。Visual C++要调用Malab engine，就需要相应的库文件，在Matlab安装目录下\extern\include\下有如下文件：libeng.def、libmx.def、libmat.def和matlab.def等，在DOS命令提示符下执行命令生成相应的库文件。生成lib的命令如下：

lib /def:libeng.def /out:libeng.lib /machine:ix86

生成了libeng.lib、libmx.lib、libmat.lib和matlab.lib之后，把它们加入到Visual C++工程的Project->Setting->link->Object/Library Modules文本框中。

2） 编写m文件。根据我们需要的图像处理功能编写m函数或者脚本。

3） Visual C++界面设计。

4） 把m文件加入到Visual C++工程中，在调用engine的文件中加入 #include “engine.h”，在CMainFrame的构造函数中加入如下代码：

Engine *ep;

if( !( ep = engOpen( NULL) ) )

{

fprint( stderr, “\nCan’t start Matlab engine\n”);

return EXIT_FAILURE;

}

在析构函数中加入engClose( ep );，在相应的菜单相应函数中加入类似 engEvalString( ep, “surf( peaks )” );等执行Matlab语句的代码。

以上就运用Matlab engine在Visual C++工程里面执行matlab的语句或者m文件，这一方法不能脱离Matlab的后台运行，要求运行这种程序的用户的计算机都装上一个庞大的Matlab，所以这样的结合方式不能用于商业用途和推广。

2.2 Matlab Add-in

Matlab 6.0以后版本对其Compiler作了较大的改进，改进之一是其Matlab Add-in提供了一个Matlab和Visual C++直接集成的途径。它可以快速集成m文件到C++工程中，创建独立的 C/C++应用程序或C MEX DLL；可以通过m文件创建共享库或MEX文件；可以内含Visual Matrix Viewer，调试过程中可以查看矩阵变量的值；直接修改m源文件而不是修改生成的C/C++文件；可以方便快捷地打包应用程序。

Matlab Add-in的安装:

1） 启动Matlab，运行“mex -setup”，按照菜单提示选取Microsoft Visual C++。它将其配置MEX使用Microsoft Visual C++为默认的编译器(创建C-MEX文件必需)，并安装Matlab Add-in所需文件到Microsoft Visual C++目录。

2） 在Matlab环境下运行“mbuild -setup”, 按提示选取Microsoft Visual C++。它将配置使用Microsoft Visual C++为默认的编译器(创建独立应用程序必需)，并安装Matlab Add-in所需的Matlab Compiler和C/C++数学库文件到Microsoft Visual C++目录。

3） 在Matlab环境下运行“cd(prefdir)”和“mccsavepath”。它将保存当前Matlab路径到mccpath文件中，这是因为Matlab Add-in脱离Matlab运行，否则它无从知道Matlab路径。

4） 在Microsoft Visual C++环境中配置Matlab Add-in，方法如下：从菜单“Tools-> Customize”选择“Add-ins and Macro Files”选项卡，选中“Matlab Add-in”, 点击“Close”。 Microsoft Visual C++工具栏出现Matlab Add-in图标，以后每次启动VC，将自动加载Matlab Add-in。

5） 配置Windows系统。在Windows 95/98系统下，找到config.sys，添加一行：shell= c:\ /e:32768 /p(Windows ME有所不同，需设置Conagent.exe的属性Memory选项卡的Initial Environment值为4096)。

通过Matlab Add-in创建一个Stand-alone程序步骤：

1） 启动Visual C++，创建一个“Matlab Project Wizard”Project。

2） 点击Next，你可以选择所生成的应用程序的类型：Windows Console EXE、C-MEX

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DLL、M-MEX DLL、Shared M-DLL等；选择是C程序还是C++程序；选取Debug、Release模式；选择是否生成Main函数；是否需要支持图形。

3） 点击“Finish”，出现对话框要求选择添加到工程中的m源文件，选择所要添加的m文件，这时可看到Visual C++调用MCC生成一个混合m文件和C++文件的工程。在“File View”选项卡中可以看到添加的m文件和自动生成的C++文件。编译之后就可以实现m文件代码的功能。

注意事项：

1） 加到Microsoft Visual C++工程的文件应当为一个m函数文件，而不能是一个Script文件，否则会出现错误提示；

2） 如果需要改动，可以通过在Visual C++工作区中直接修改m文件，重新编译即可。 通过Add-in实现Matlab与Visual C++的混合编程虽然简便快捷，但仍然有一定的不足：如目前并不支持所有的Matlab的函数；生成的程序代码繁杂等。“mbuild -setup”只是将C/C++数学库文件复制到Microsoft Visual C++目录，通过查看一下C/C++数学库，C/C++图形库的帮助说明，可以发现很多图像处理的函数，如imhist函数，edge函数都不在库里，所以很多图像处理的函数并不能通过Add-in的方式，实现Matlab的各种图像处理到Visual C++的移植。

2.3 Matcom

MathTools 公司推出的 Matcom4.5，可以把 Matlab 的m文件转成相同功能的C++代码，将其放置到Visual C++工程的适当位置即可。Matcom编译m文件，先将m文件按照与Matcom的cpp库的对应关系翻译为cpp源代码，然后用对应版本的c编译器将cpp文件编译成相应的exe或dll文件，所以第一次运行要指定c编译器的路径，这一工作在安装Matcom时自动完成，指定好的编译信息写在Matcom\bin\matcom.ini文件中。Matcom4.5版中使用TeeChart3.0 OCX控件，因而它支持图形操作。

运用Matcom集成Matlab和Visual C++的步骤：

1） 运行Mideva在主界面上直接打开m文件，在菜单中选择compile to dll，输入要编译的m文件名，然后在Matcom的debug目录下（这个目录可以自定义）可以找到这样的编译好的.c、.h、.cpp、.lib、.dll、.exp等文件。

2） 将上述的.h和.cpp文件加入工程中，并在相应的文件中加入#include “stdafx.h”。

3） 添加连接库，在Visual C++的Tools\option\directory\下的include选项中加入matcom目录的lib（包含matcom.h）。

4） 添加matcom目录的lib路径中的v4501.lib（根据matcom版本的不同，这个lib的名字也不一样，但是matcom的lib路径中只有一个lib）到Visual C++所建立的工程中。

5） 修改C++源代码：

1、 在头文件处包含matlib.h，即加入#define MLIB 0和#include “matlib.h”；

2、 在类成员函数的InitInstance中调用InitM启动对Matlab函数的调用，可加入如下代码TRACE0( “initM\n” );initM( stin, stout, sterr );；

3、 在类析构函数中调用exitM()结束对Matlab函数的调用；

4、 在程序中合适的位置插入经Matcom翻译过后的C++源码，但要注意在类构造函数中不要调用任何Matlab函数；

5、 编译运行程序。

利用Matcom可方便地对m文件转换，生成的代码可读性很好，而且转换同时可生成可供Visual C++调用的动态连接库，其使用和一般的动态库一样。再者Matcom不仅可转换独立的不依赖于其它m文件的m文件，亦可转换调用其它m文件的m文件嵌套，条件是所调用的m文件在同一个目录下面。

利用Matcom存在的问题跟利用Matlab Add-in存在的问题一样，这种转换方法只支持C/C++数学库，C/C++图形库中所提供的函数，超出此范围的Matlab图像处理函数目前还没有办法成功编译。

2.4 Matlab自身的编译器

Matlab自身的编译器可将Matlab的m文件转换为为C或C++的源代码以产生完全脱离

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Matlab运行环境的独立的运用程序，在编译的过程中，如果调用Matlab工具箱中的函数，Matlab会自动联编所需要用到的其它m文件，并生成相应的C或者C++源代码。

此种方法的步骤比较繁琐，对Matlab编译器的命令参数和Visual C++的设置都需要详细的了解，作者将此种方法混合编程的过程介绍如下：

1） 用Matlab编译器编译m文件，根据m文件是否使用了图形相关的函数，命令参数分别如下：

没有使用图形相关函数：mcc–t –L C m文件、或者mcc –t –L CPP m文件分别得到C源代码和C++源代码。

使用了图形相关函数：mcc –B sgl –t –L C m文件、或者mcc –p –B sglcpp m文件分别得到C源代码和C++源代码。

2） Visual C++设置：在Tools/Options/Directories的Include Files中加入： MATLAB路径\EXTERN\INCLUDE\CPP

MATLAB路径\EXTERN\INCLUDE

Library Files中加入:

MATLAB路径\EXTERN\LIB\WIN32

MATLAB路径\EXTERN\LIB\WIN32\MICROSOFT\MSVC60

在Project/Setting/link的Input中，Object/Library modules文本框中加入libmmfile.lib libmatlb.lib libmx.lib libmat.lib libmatpm.lib sgl.lib libmwsglm.lib libmwservices.lib，这些lib是Visual C++运行Matlab编译的C/C++源代码所需要的库，在Ignore Libraries中有时候要加入msvcrt.lib,libcd.lib，这主要是看Matlab的库函数是否与Visual C++提高的函数产生冲突而定，在Win32 Application的Visual C++工程中一般需要在Ignore Libraries中加入msvcrt.lib,libcd.lib以解决警告信息。

在Project/Setting/C/C++中，Preprocessor definitions中加入MSVC,IBMPC,MSWIND；再在下拉框中选择Precomplied Headers，选中Automatic use of precompiled headers，在其中填入stdafx.h。

3） 添加Matlab编译后与m文件对应的.h或.hpp、.c或.cpp和bin目录（用到图形相关函数才有）复制到所建的工程中。

修改源代码，以MFC Appwizard(exe)工程为例：首先要添加相应的头文件，其次在InitInstance函数中加入：

libmmfileInitialize();

libmwsglmInitialize();

mlfHGInitialize(NULL,NULL);

在析构函数中加入：

mlfHGTerminate();

libmmfileTerminate();

libmwsglmTerminate();

然后在适当的位置添加需要Matlab类型代码或者调用的Matlab编译后的功能函数。

4） 编译调试，由于此方法设置比较复杂和灵活性比较大，所以调试必不可少的，要根据不同的错误提示做不同的改动。

2.5 调用外部程序

这种方法是先利用Mideva或者Matlab自身编译器直接生成EXE文件，然后在Visual C++的工程中通过CreateProcess()或Shell调用，常见的外部函数有shellexec()或winexec（）。这种方法简单方便，但运行时出现一个控制台窗口，而且由于Visual C++和Matlab之间不能交互，通用性差，仅适用于Visual C++工程中调用Matlab实现图形显示的场合。

三、Visual C++和Matlab混合编程的问题总结

Matlab的运算功能强大、工具箱函数丰富，本设计只是对Matlab和Visual C++的集成作了一些简单的试验，应用于图像处理方面，并作了一些对比；但是目前两个开发工具的集成只能是比较简单、比较浅层的集成，要想进一步集成，Matlab或者Windows的内部调用机制要进一步完善，我们也要更进一步了解它们的内部机制。

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参考文献：

1、Microsoft MSDN 在线帮助文档

2、Matlab帮助文档

3、孙兆林 《Matlab 6.X图像处理》 清华大学出版社 2002

4、何斌 马天子 王运坚 朱红莲 《Visual C++ 数字图像处理》 人民邮电出版社 2000

（指导教师 张小健 讲师）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o3p1.html