數(shù)字圖像處理第一章MATLAB混合編程資料

1、第一章 MATLAB混合編程 第一節(jié) 概述 Matlab是當(dāng)今世界上使用最為廣泛的數(shù)學(xué)軟件，它具有相當(dāng)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)分析、圖形顯示，甚至符號(hào)運(yùn)算功能，是一個(gè)完整的數(shù)學(xué)平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，只需寥寥數(shù)語(yǔ)就可以完成十分復(fù)雜的功能，大大提高了工程分析計(jì)算的效率。另外由于Matlab的廣泛使用，于是出現(xiàn)了為各個(gè)領(lǐng)域?qū)ｉT(mén)使用的工具箱(即在某一研究領(lǐng)域常用數(shù)學(xué)工具的函數(shù)包)，這些工具箱的出現(xiàn)更加促進(jìn)了Matlab的流行。 Matlab強(qiáng)大的功能只能在它所提供的平臺(tái)上才能使用，必需在安裝有matlab系統(tǒng)的機(jī)器上使用.m文件，這樣就給工程計(jì)算帶來(lái)了很大不便；特別是在matlab中，使用的行解釋

2、方式執(zhí)行代碼，這樣大大地限制了代碼執(zhí)行速度。 能否開(kāi)發(fā)一個(gè)matlab與其他高級(jí)語(yǔ)言的接口，這樣就可以把matlab的強(qiáng)大功能融入各種應(yīng)用程序中，并且通過(guò)高級(jí)語(yǔ)言編譯器編譯為二制代碼，提高了執(zhí)行速度。matlab的5.1版本提供了自帶的C+ Complier，同時(shí)MathTools公司也為Matlab開(kāi)發(fā)了m文件高效解釋和調(diào)試IDE：MIDEVA。經(jīng)過(guò)近兩年的發(fā)展，matlab 5.3 中的C complier-mcc版本已經(jīng)為2.0,而MIDEVA最新版本為4.5。 將matlab與C混合編程大概有如下三種方法 。1.用Matlab的mcc將.m文件翻譯為cpp源文件，然后在C編譯器中調(diào)用

3、也可以用mcc編譯編譯為stand-alone程序。 2.用Matcom（MIDEVA）將.m文件翻譯為cpp代碼，并編譯為exe或dll 文件。 3.按照matcom的語(yǔ)法，在VC或BC中直接書(shū)寫(xiě)matlab語(yǔ)句(與matlab 很相似)，這也是推薦用的方法。 方法1、2和3各有利弊。1不支持圖形(支持圖形的庫(kù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)在還沒(méi)有D)，對(duì)類支持也不夠。2支持絕大多數(shù)的matlab語(yǔ)句(包括圖形)，但對(duì)于struct等的支持也有缺陷。 VC+中使用MATLAB的C+數(shù)學(xué)庫(kù)和MCC生成的程序。MATLAB5.3的提供了C/C+數(shù)學(xué)庫(kù)，其中的C+數(shù)學(xué)庫(kù)功能很強(qiáng)，使用它可以用類似MATLAB的語(yǔ)法編寫(xiě)C+

4、程序，十分方便。雖然速度上仍然比手工C/C+程序慢，但是由此換來(lái)的高效的開(kāi)發(fā)效率和可靠性往往是值得的。另外mcc命令可以將M文件轉(zhuǎn)化為C或CPP文件，編譯后可以脫離MATLAB運(yùn)行，它們也是使用的C/C+數(shù)學(xué)庫(kù)。 MATLAB的數(shù)學(xué)庫(kù)在開(kāi)發(fā)時(shí)似乎傾向于編譯獨(dú)立的可執(zhí)行程序，把VC、BC只是作為一個(gè)編譯和連接的工具，而沒(méi)有過(guò)多地考慮在VC、BC的集成環(huán)境下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如何將MCC生成的C+程序嵌入到VC?這里只介紹VC的情況。1、設(shè)置項(xiàng)目編譯選項(xiàng) 首先建立一個(gè)新的項(xiàng)目，或者打開(kāi)一個(gè)已有的項(xiàng)目，然后選擇菜單： Project-Settings-C/C+ Category:Preprocessor P

5、reprocessor definitions: 添加: MSVC,IBMPC,MSWIND Category: Precompiled Headers 選擇: Automatic use of precompiled headers Through header: stdafx.h 2、調(diào)設(shè)置項(xiàng)目連接選項(xiàng) 首先要從下面幾個(gè)函數(shù)定義文件(*.def)生成相應(yīng)的導(dǎo)入庫(kù)文件(*.lib) libmmfile.def libmcc.def libmatlb.def libmx.def libmat.def 它們位于目錄c:matlabexterninclude 用下面命令導(dǎo)出庫(kù)文件: lib/def

6、:libmmfile.def/out:libmmfile.lib /machine:ix86 lib /def:libmcc.def /out:libmcc.lib /machine:ix86 lib/def:libmatlb.def/out:libmatlb.lib /machine:ix86 lib /def:libmx.def /out:libmx.lib /machine:ix86 lib /def:libmat.def /out:libmat.lib /machine:ix86 將它們放入的項(xiàng)目連接選項(xiàng) Project-Settings-Link Category:Input Obj

7、ect/library modules: 添加:libmatpm.lib libmmfile.lib libmcc.lib libmatlb.lib libmx.lib libmat.lib 注: 中間是空格，不要加逗號(hào). libmatpm.lib是C+ MathLib的庫(kù)，如果是只用C，就不用連接它了。 添加: msvcrt.lib 以上的這些lib文件，打了個(gè)包放在這里下載：matlablibs.zip (64K) 3、設(shè)置編譯環(huán)境Tools-Options-Directories Include fiels添加: c:matlabexterninclude c:matlabexterni

8、ncludecpp Library fiels添加: c:matlabexternlib c:matlabexterninclude 注：下面這個(gè)目錄是那些lib所在的地方。 如果都挪到上面的目錄，這個(gè)自然就不要了。 4、編寫(xiě)程序用MCC命令生成的CPP文件和自己手工編寫(xiě)的CPP文件, 其項(xiàng)目設(shè)置是完全相同的, MCC生成的CPP文件有大量沒(méi)用的代碼. (1)添加自己編寫(xiě)的程序模塊 用下面文件頭: #include stdafx.h, #include matlab.hpp 然后, 按照C+ MathLib文檔要求的格式書(shū)寫(xiě)程序. 最后，按F7編譯就可以了。 (2)嵌入mcc生成的文件 在MA

9、TLAB下用下面格式的命令生成cpp文件 mcc -t -L Cpp test 得到test.hpp, test.cpp 將test.cpp加入項(xiàng)目, 不做任何改動(dòng). 5、實(shí)例MATLAB程序test.m: function sum, prod=test(x,y) sum = x+y; prod = x*y; 用來(lái)計(jì)算兩個(gè)數(shù)的和與積。注意這是兩個(gè)返回變量的情況。 x,y可以是數(shù)組。 用mcc命令生成了test.hpp和test.cpp。文件demo.cpp: #include stdafx.h #include matlab.hpp #include test.hpp void mccDemo

10、() CString str; mwArray x, y, sum, prod; double dx,dy,dsum,dprod; x = 5.0; y = 10.0; sum = test(&prod, x, y); dx=x(1,1); dy=y(1,1); dsum=sum(1,1); dprod=prod(1,1); str.Format(%f+%f=%fn%f*%f=%f, dx,dy,dsum,dx,dy,dprod); AfxMessageBox(str); 由于采用了C+數(shù)學(xué)庫(kù)，語(yǔ)法很簡(jiǎn)單。注意數(shù)組的賦值、其中數(shù)據(jù)的存取，這些都要仔細(xì)地看手冊(cè)。 最后是跳出一個(gè)消息框，顯示計(jì)算結(jié)

11、果。 改程序啟動(dòng)之后，選擇菜單mcc-demo即可。 第二節(jié) 用C編寫(xiě)mex程序 Matlab是一種解釋型的編程環(huán)境，跟basic一樣，是讀句執(zhí)行的?？梢詫?shí)現(xiàn)編程過(guò)程中的交互，免去了麻煩又耗時(shí)的編譯過(guò)程。但matlab在執(zhí)行時(shí)速度慢也就根源于此。在matlab里 tic for i=1:10000 b(i)=a(10001-i); end 怎么樣，是不是很慢？ 上面程序的功能是將向量a里的數(shù)據(jù)逆序賦給向量b。下面的程序可以實(shí)現(xiàn)相同的功能 tic b=a(10000:-1:1); 為什么這個(gè)程序運(yùn)行速度這么快呢？ 這是因?yàn)閙atlab里的基礎(chǔ)矩陣運(yùn)算函數(shù)，像轉(zhuǎn)置，復(fù)制等等，都是以二進(jìn)制程序的形式

12、存在的，運(yùn)行起來(lái)速度當(dāng)然比解釋執(zhí)行10000次 所以編matlab程序時(shí)，應(yīng)該盡量避免用循環(huán)語(yǔ)句，而使用等效的矩陣運(yùn)算。雖然這樣 但總是有的時(shí)候沒(méi)法找到對(duì)應(yīng)的矩陣運(yùn)算來(lái)等效，或編出來(lái)的程序復(fù)雜得讓人無(wú)法優(yōu)化。 簡(jiǎn)單地說(shuō)，mex程序就是根據(jù)一定的接口規(guī)范（mtlab提出的）編寫(xiě)的一個(gè)dll的matlab程序。比如編了一個(gè)mex函數(shù)，名字叫max2.dll，那么只要把這個(gè)dll所在的目錄加到matlab的搜索路徑里（用addpath），就可以像調(diào)用普通matlab函數(shù)一樣來(lái)調(diào)用它了。因?yàn)榘蜒h(huán)體放到了二進(jìn)制程序中，執(zhí)行速度快得多。 Mex文件既可以用c，也可以用fortran來(lái)編。因?yàn)楸竟?jié)用的是c

13、語(yǔ)言，所以下面的介紹都是用c語(yǔ)言編寫(xiě)mex文件的方法。如果用的是fortran，請(qǐng)參閱Apiguide.pdf里面有關(guān)詳細(xì)說(shuō)明。 2.1 用C編寫(xiě)mex程序 的性能分析 Matlab5.1沒(méi)有c語(yǔ)言的編譯器的，機(jī)器要安裝有VC,BC或Watcom C中的一種。如果在安裝Matlab時(shí)已經(jīng)設(shè)置過(guò)編譯器，就可以使用mex命令來(lái)編譯c語(yǔ)言的程序了。如果當(dāng)時(shí)沒(méi)有選，只要在Matlab里鍵入：mex -setup，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)DOS方式窗口，下面只要根據(jù)提示一步步設(shè)置就可以了。測(cè)試設(shè)置路徑hello.c。 #include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray

14、 *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) mexPrintf(hello,world!n); 假設(shè)把hello.c放在了C:TEST下，在Matlab里用CD C:TEST 將當(dāng)前目錄改為C: TEST（注意，僅將C:TEST加入搜索路徑是沒(méi)有用的）。輸入： mex hello.c 編譯應(yīng)該在出現(xiàn)編譯器提示信息后正常退出。如果已將C:TEST加入了搜索路徑，現(xiàn)在鍵入hello，程序會(huì)在屏幕上打出一行：hello,world! 看看CTEST目錄下，會(huì)發(fā)現(xiàn)多了一個(gè)文件：HELLO.DLL。 這樣，第一個(gè)mex函數(shù)就算完成了。怎么樣，很簡(jiǎn)單吧。下一次，會(huì)對(duì)這個(gè)最

15、簡(jiǎn)單的程 進(jìn)行分析，并給它增加一些功能。 Matlab的mex函數(shù)有一定的接口規(guī)范nlhs：輸出參數(shù)數(shù)目 plhs：指向輸出參數(shù)的指針 nrhs：輸入?yún)?shù)數(shù)目 例如，使用 a,b=test(c,d,e) 調(diào)用mex函數(shù)test時(shí)，傳給test的這四個(gè)參數(shù)分別是2，plhs，3，prhs。其中： prhs0=c , prhs1=d , prhs2=e ,prhs2=e 直觀地了解參數(shù)傳遞的過(guò)程 /hello.c 2.0 #include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) i

16、nt i; i=mxGetScalar(prhs0); if(i=1) mexPrintf(hello,world!n); else mexPrintf(大家好！n); 將這個(gè)程序編譯通過(guò)后，執(zhí)行hello(1),屏幕上會(huì)打出： hello,world! 而hello(0)將會(huì)得到： 大家好！程序hello已經(jīng)可以根據(jù)輸入?yún)?shù)來(lái)給出相應(yīng)的屏幕輸出。用到了屏幕輸出函數(shù)mexPrintf（用法跟c里的printf函數(shù)幾乎完全一樣）。用到了函數(shù)：mxGetScalar，調(diào)用方式如下： i=mxGetScalar(prhs0); 第三節(jié) 內(nèi)存分配與地址空間分配 輸入數(shù)據(jù)是在函數(shù)調(diào)用之前, 在Matla

17、b里申請(qǐng)了內(nèi)存。由于mex函數(shù)與Matlab共用同一個(gè)地址空間，因而在prhs里傳遞指針就可以達(dá)到參數(shù)傳遞的目的。但是，輸出參數(shù)卻需要在mex函數(shù)內(nèi)申請(qǐng)到內(nèi)存空間，才能將指針?lè)旁趐lhs中傳遞出去。由于返回指針類型必須是mxArray，所以Matlab專門(mén)提供了一個(gè)函數(shù)：mxCreateDoubleMatrix來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的申請(qǐng) mxArray *mxCreateDoubleMatrix(int m, int n, mxComplexity ComplexFlag) m：待申請(qǐng)矩陣的行數(shù) n：待申請(qǐng)矩陣的列數(shù) 為矩陣申請(qǐng)內(nèi)存后，得到的是mxArray類型的指針，就可以放在plhs里傳遞回去了。對(duì)

18、這個(gè)新矩陣的處理，要在函數(shù)內(nèi)完成，這時(shí)就需要用到前面介紹的mxGetPr。使用mxGetPr獲得指向這個(gè)矩陣中數(shù)據(jù)區(qū)的指針（double類型）后，就可以對(duì)這個(gè)矩陣進(jìn)行各種操作和運(yùn)算了。 一個(gè)例子/reverse.c 1.0 #include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) double *inData; double *outData; int M,N; int i,j; inData=mxGetPr(prhs0); M=mxGetM(prhs0); N=mxGetN(

19、prhs0); plhs0=mxCreateDoubleMatrix(M,N,mxREAL); outData=mxGetPr(plhs0); for(i=0;iM;i+) for(j=0;jN;j+) xREAL; outData=mxGetPr(plhs0); for(i=0;iM;i+) for(j=0;jN;j+) outDataj*M+i=inData(N-1-j)*M+i; 綜合例程#include mex.h void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs, int nrhs, const mxArray *prhs) double *inDat

20、a; mxArray *IN1; mxArray *OUT1; double *outData; int M,N; int i,j; /異常處理 if(nrhs!=1) mexErrMsgTxt(USAGE: b=rot(a)n); if(!mxIsDouble(prhs0) mexErrMsgTxt(the Input Matrix must be double!n); /計(jì)算轉(zhuǎn)置 if(mexCallMATLAB(1,OUT,1,prhs,) mexErrMsgTxt(Error when compute!n); /根據(jù)輸入?yún)?shù)數(shù)目決定是否顯示 if(nlhs=0) mexCallMATL

21、AB(0,IN,1,OUT,disp); else plhs0=OUT0; 第四節(jié) Matcom的使用 Matcom能作什么? 1)它提供了matlab中.m文件與其他高級(jí)語(yǔ)言的接口，使.m文件可以編譯為脫離matlab環(huán)境獨(dú)立執(zhí)行的可執(zhí)行性程序， 具有以下特點(diǎn)： 。提高了代碼的復(fù)用率 。提高了代碼的執(zhí)行速度 。使純文本的.m文件變?yōu)槎M(jìn)制的可執(zhí)行程 序，增加了知識(shí)保護(hù)的安全性。 2) 它提供了近千個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)，提供了一個(gè)豐富的數(shù)學(xué)庫(kù)，基本上在matlab上能用的常用函數(shù)都可以在高級(jí)語(yǔ)言中直接調(diào)用。 。矩陣屬性函數(shù) ,矩陣生成函數(shù), 矩陣生成函數(shù), 矩陣操作函數(shù), 矩陣變換函數(shù), 數(shù)學(xué)函數(shù), 特殊函數(shù) ,數(shù)值函數(shù) ,串函數(shù) ,繪圖函數(shù) ,顏色函數(shù) , 。函數(shù), 存盤(pán)及讀文件, 系統(tǒng)資源函數(shù), 系統(tǒng)操作函數(shù),