MATLAB程式设计入门篇应用程式介面.ppt

MATLAB 程式設計進階篇應用程式介面,張智星http:/www.cs.nthu.edu.tw/jang清大資工系 多媒體檢索實驗室,3-1 MATLAB應用程式介面,應用程式介面Application Program Interface簡稱API和外部程式或其它程式語言溝通,API 的功能,只要遵循 API 規範，可做到下列事項：從 MATLAB 呼叫 C 語言或 Fortran 語言撰寫的函數將 MATLAB 當成計算引擎(Computing Engine)，並從獨立的 C 或 Fortran 程式呼叫此 MATLAB 引擎，進行各種運算或圖形顯示以獨立的C或Fortran程式讀寫MATLAB專用的MAT檔在視窗環境，進行ActiveX Automation，即將 MATLAB視為ActiveX Automation Server，讓其它應用程式(Excel 或 Access等)呼叫，或將MATLAB視為 ActiveX Automation Controller，呼叫視窗下其它應用程式 在微軟視窗環境下，經由 DDE(Dynamic Data Exchange)來和其它應用程式溝通並傳送資料,3-2 撰寫能讓MATLAB呼叫的C 函數：前置測試,撰寫C函數讓 MATLAB 呼叫的原因MATLAB 程式碼執行效率不佳，希望以 C 程式碼改進。常發生在MATLAB的 JIT 加速器無法加速您的程式碼，或是您的演算法無法改成向量化的程式碼。隱藏程式碼，保護智慧財產權。C 的原始碼編譯後，變成二進位碼，MATLAB 能夠呼叫，而使用者無法看到原始程式碼不想將已寫好的 C 程式碼改寫成 MATLAB 程式碼，而希望在 MATLAB 的環境下呼叫這些 C 程式碼進行其它只有在 C 程式能做到的事,只能在 C 程式下完成的工作,更改呼叫端之工作空間的變數產生常駐記憶體(Persistent Memory)，即產生在函數結束後，仍能讓其它函數或 MATLAB 存取的資料結構或變數串接埠(Serial Port)資料的傳送和接收Device Drivers 等,提示,使用 pcode 指令 優點:可將一般 M 檔案轉換成二進制檔案達到隱藏原始程式碼的功能缺點:無法大幅提高程式碼的執行效率,開始前置測試(I),選擇 C 編譯器編譯完成的 C 函數在 MATLAB 指令視窗內輸入 mex-setup,開始前置測試(II),選擇已安裝在電腦上的 C 編譯器,開始前置測試(III),按下 Enter 鍵，會出現畫面,提示,lcc 是Public-domain 的 C 程式編譯器MATLAB 5.x，是隨 Stateflow Toolbox 而來，MATLAB 6.x，是隨 MATLAB 而來。執行mex-setupMATLAB 5.x 會跳出 DOS 視窗，MATLAB 6.x 不會跳出 DOS 視窗，都在 MATLAB 命令視窗完成其內容則與 DOS 視窗的內容大同小異,開始前置測試(IV),選用 微軟公司的 Visual C/C+，輸入1後，再按Enter鍵最後，再按Enter鍵確認即可,無安裝C編譯器,若 DOS 視窗無顯示可供選擇的 C 編譯器電腦尚未安裝 C 編譯器先安裝 C 編譯器才能進行下一步的測試例如：Microsoft Visual C/C+、Watcom C/C+、Borland C 等,開始前置測試(V),完成選擇 C 編譯器的程序，可以測試 C 程式編譯MATLAB 有一現成的 C 程式碼 yprime.c，其位置在MATLAB rootexternexamplesmexyprime.c測試之前，須將此檔案拷貝至目前目錄，才可進行測試 cd D:matlabBookMATLAB程式設計：進階篇03-應用程式介面 copyfile(matlabroot,externexamplesmexyprime.c)若執行 copyfile 指令時產生錯誤訊息，通常表示目前目錄下已經有 yprime.c 檔案,開始前置測試(VI),在 MATLAB 指令視窗，輸入下列敘述來編譯此 C 程式 mex yprime.c MATLAB 即呼叫 Visual C/C+(先前選的 C 編譯器)編譯 yprime.c，並產生編譯的訊息若無錯誤訊息，編譯完成後，C 編譯器會產生 yprime.dll 或 yprime.mexw32 可執行檔此即為 MATLAB 可呼叫的 C 函數，所在的位置可顯示如下 which yprimeD:matlabBookMATLAB程式設計：進階篇03-應用程式介面yprime.mexw32,提示,在 MATLAB 7.1 之前，所產生的檔案是 yprime.dll，但從 MATLAB 7.1（含）之後，所產生的檔案是 yprime.mexw32。,開始前置測試(VII),測試yprime執行 yprime(1,1:4)ans=2.0000 8.9685 4.0000-1.0947MEX 檔案MATLAB 可呼叫的可執行檔通稱在其它電腦平台上，大部份以 mex 為此可執行檔副檔名的一部份,整理：MEX檔案的副檔名,3-3 MATLAB的資料結構及對應API,MATLAB 變數的資料結構MATLAB 內部只有一種資料型態宣告成 mxArray是一個 C 語言下的結構(Structure),mxArray的Structure,MATLAB 對應的變數名稱維度資料型態實數或複數是否為稀疏矩陣(Sparse Matrix),變數的實部和虛部,變數的實部和虛部在每個 mxArray 結構，包含兩個指標(Pointers)pr 及 pi分別指到這個變數的實部和虛部兩者都是資料型態為 double 的一維陣列欲取得這兩個指標用 MATLAB 提供的 API 函數 mxGetPr 及 mxGetPi 取得可存取某個 MATLAB 變數內的所有數值,MATLAB 提供的API函數-mx,mx 為字頭的 API 函數MATLAB 變數資料(型態為 mxArray)的存取mxGetPr(傳回實部指標)mxGetPi(傳回虛部指標)mxGetM(取得矩陣的橫列維度)mxGetN(取得矩陣的直行維度)mxCreateDoubleMatrix（產生變數型態為 double 的矩陣）,MATLAB 提供的API函數-mex,mex 為字頭的 API 函數 MATLAB 環境下執行的動作 mexErrMsgTxt（在 MATLAB 印出錯誤訊息，並跳出 MEX 檔案）mexCallMATLAB（呼叫 MATLAB 引擎以執行 MATLAB 之數值運算）mexPrintf（在 MATLAB 印出訊息）,MATLAB 提供的API函數-mat,mat 為字頭的 API 函數對 MAT 檔案的讀寫或處理matGetArray（從 MAT 檔案讀取 mxArray 陣列）matDeleteArray（從 MAT 檔案移除 mxArray 陣列）,3-4一個最簡單的 MEX 檔案,將一個輸入純量（資料型態為 double）乘以 2此程式碼已內建在 MATLAB 光碟中MATLAB rootexternexamplesrefbooktimestwo.c範例3-1：scalarx2.c 有timestwo.c詳細的中文註解，並改名為 scalarx2.c,簡單MEX檔案範例(I),在 MATLAB 中，呼叫 C 編譯器對 scalarx2.c 進行編譯 mex scalarx2.c編譯完後，確認可執行檔是否存在 which scalarx2D:matlabBookMATLAB程式設計：進階篇03-應用程式介面scalarx2.dll,簡單MEX檔案範例(II),進行各項測試 scalarx2(8.5)ans=17 scalarx2(String input)?Input must be a scalar.scalarx2(1 2 3)?Input must be a scalar.,MEX檔案的說明(I),同時有 scalarx2.m 及scalarx2.mexw32 存在於同一目錄下MATLAB 選用 scalarx2.mexw32 檔來執行若輸入help scalarx2MATLAB會列出 scalarx2.m 的線上輔助說明有關 scalarx2.mexw32 的線上輔助說明，就必須置於 scalarx2.m 之內,MEX檔案的說明(II),type scalarx2.m function out=scalarx2(in)%SCALARX2 A scalar version of times two.%This serves as an example of putting on-line help in an%M-file,but the actual program body is in another MEX-file%with the same major file name.help scalarx2 SCALARX2 A scalar version of times two.This serves as an example of putting on-line help in an M-file,but the actual program body is in another MEX-file with the same major file name.which scalarx2 D:matlabBookMATLAB程式設計：進階篇03-應用程式介面scalarx2.mexw32,3-5 處理二維矩陣的 MEX 檔案範例,將輸入二維矩陣（可能包含實部和虛部）乘以2範例3-2：arrayx2.c編譯程式 mex arrayx2.c確認可執行檔的存在 which arrayx2 D:matlabBookMATLAB程式設計：進階篇03-應用程式介面yprime.mexw32,二維矩陣範例-1,進行測試 arrayx2(1 2 3)ans=2 4 6 arrayx2(1+i 2+2i 3+3i;4 5 6)ans=2.0000+2.0000i 4.0000+4.0000i 6.0000+6.0000i 8.0000 10.0000 12.0000 arrayx2(Test string)?Input must be a double.,二維矩陣範例-2(I),兩個輸入矩陣 A 和 B矩陣旳大小分別是 pm 及 pn分別代表由 m 個直行向量及 n 個直行向量所形成的集合每一個向量的長度都是 p傳回一個距離矩陣 CC(i,j)為向量 A(:,i)和向量 B(:,j)的矩離,提示,大量資料的處理一般的慣例都是將各個向量以直行向量的方式堆成一個矩陣，再進行各種處理,二維矩陣範例-2(II),範例3-3：pairdist.c編譯程式 mex pairdist.c,二維矩陣範例-2(III),測試程式 which pairdist D:matlabBookMATLAB程式設計：進階篇03-應用程式介面pairdist.dll pairdist(2 3,2 3 4)ans=0 1 2 1 0 1,二維矩陣範例-2(IV),A=rand(2,3);B=rand(2,4);C=pairdist(A,B)C=0.5104 0.9806 0.4544 0.5649 0.3562 0.2347 0.5911 0.2628 0.2101 0.5891 0.2675 0.1639 pairdist(string1,string2)?Input 1 is not a full numerical array!,3-6 產生基本工作空間變數的 MEX 檔案範例,將輸入矩陣乘以 2 之後，存放成 MATLAB 基本工作空間中的一個變數範例3-4：putarray.c測試程式 clear all mex putarray.c putarray(1 2 5)putarray_output is created in the base workspace.whos Name Size Bytes Class putarray_output 1x3 24 double arrayGrand total is 3 elements using 24 bytes,檢視變數,putarray_output由putarray所置放在 MATLAB基本工作空間的變數，可以檢視 putarray_output putarray_output=2 4 10這個範例可能的應用從 RS232 埠讀取 GPS 傳回的資料，將資料進行處理後送入MATLAB 的基本工作空間，MATLAB 再根據此工作空間的變數進行即時的圖形繪製或成像從影像擷取卡抓取影像資像，送入 MATLAB 的基本工作空間，MATLAB 再根據此資料進行即時計算，例如人臉辨識或指紋辨識等,3-7 對於結構陣列的處理,MATLAB 也提供比較複雜的資料結構，例如結構陣列、異質陣列等 可以撰寫C程式碼，來和MATLAB內部的結構陣列進行資料的交換和計算。範例3-5：matlabStruct2c.c,結構陣列範例1(I),測試程式範例3-5：matlabStruct2c01.m,mex matlabStruct2c.cx(1).name=林政源;x(1).phone=2796;x(2).name=陳江村;x(2).phone=3425;x(3).name=張永森;x(3).phone=3213;matlabStruct2c(x),結構陣列範例1(II),結果 friend0.name=林政源 friend0.phone=2796.000000 friend1.name=陳江村 friend1.phone=3425.000000 friend2.name=張永森 friend2.phone=3213.000000由 MATLAB 印出來的訊息，事實上已經是 C 程式碼的結構陣列的欄位值。,結構陣列範例2,將 C 的結構陣列，送到 MATLAB 工作空間的結構陣列 範例3-7：cStruct2matlab.c測試程式範例3-8：cStruct2matlab01.m 1x3 struct array with fields:name phone MATLAB 在工作空間的結構陣列 x 即是由 C 的結構陣列轉換出來的結果。,mex cStruct2matlab.cx=cStruct2matlab,3-8從獨立的 C 程式來呼叫MATLAB 引擎,可由獨立的 C 程式呼叫 MATLAB 引擎已有一C 程式碼，但想要使用 MATLAB 的特殊功能完成某些特定的工作Ex:使用 MATLAB 的數學功能，例如計算反矩陣、行列式、最小平方解、奇異值分解（Singlar Value Decomposition）等使用 MATLAB 的圖形顯示功能，例如二維及三維圖形、動畫等,提示,欲將獨立的 MATLAB 視窗應用程式轉換成單獨的可執行檔Standalone Executable不需安裝MATLAB就可運作的.exe 檔案需MATLAB 5.x 和 6.x 的Runtime Server工具箱將 MATLAB 視窗應用程式轉成.exe 檔案，包含所有的圖形顯示功能讓沒有安裝 MATLAB 的人使用MATLAB 7.x，Runtime Server工具箱已不存在，功能已搬到MATLAB Compiler工具箱,C 呼叫 MATLAB 範例(I),C 程式碼裡面啟動 MATLAB 並執行一個 M 檔案 plotSine.m，同時秀出執行 whos 指令後的訊息，C 的範例程式碼是 plotViaMatlab01.c。在 MATLAB 輸入命令編譯此 C 程式碼範例3-9：matlabEngine01.m,optsFile=matlabroot binwin32mexoptsmsvc60engmatopts.bat;mex(-f,optsFile,plotViaMatlab01.c);%進行編譯!plotViaMatlab01%測試程式,C 呼叫 MATLAB 範例(II),若一切無誤，將產生plotViaMatlab01.exe執行此程式碼後啟動另一個 MATLAB執行 plotSine.m畫出右列圖形,C 呼叫 MATLAB 範例(III),同時跳出一個訊息視窗，以顯示 MATLAB 在執行 whos 指令後 的輸出訊息 同時工作列也會顯示一個 MATLAB 的圖示，代表 MATLAB engine 正在執行中。當你按下訊息視窗的確定後，MATLAB engine 也就跟著結束。,C 呼叫 MATLAB 的重點(I),首先產生一 MATLAB Engine的物件，經由這個物件啟動 MATLAB 及和 MATLAB 溝通，經由下列程式碼完成Engine*ep=engOpen(NULL);,C 呼叫 MATLAB 的重點(II),再來假設欲呼叫的MATLAB程式plotSine.m 與呼叫的C程式在同一目錄，將 MATLAB 切換到此目錄將此程式所在目錄存入字串buffer：_getcwd(buffer,BUFSIZE);產生 MATLAB 內部字串變數app：app=mxCreateString(buffer);將字串變數 app 置入工作空間變數appDir：engPutVariable(ep,appDir,app);將 MATLAB 的工作目錄切換至字串 appDir 所指定的目錄engEvalString(ep,cd(appDir);,C 呼叫 MATLAB 的重點(III),最後就將我們想要呼叫的 MATLAB 程式 plotSine.m 傳入執行，即可大功告成：engEvalString(ep,plotSine);,C 呼叫 MATLAB 的重點(IV),接著我們要顯示 MATLAB 在執行 whos 之後所得到的輸出訊息 設定 buffer 可以接收 MATLAB 的輸出訊息：engOutputBuffer(ep,buffer,BUFSIZE);在 MATLAB engine 執行 whos 指令：engEvalString(ep,whos);顯示 buffer 的內容：MessageBox(HWND)NULL,(LPSTR)buffer,(LPSTR)MATLAB-whos,MB_OK);最後關閉 MATLAB engine：engClose(ep);,如果發生編譯錯誤,可能是你所使用的編譯器不是 MSVC6.0，此時要將編譯參數檔 optsFile 改成適合你所用的編譯器，常用的編譯參數檔案可以顯示如下：範例3-11：showOptsFile.m bcc53engmatopts.bat df50engmatopts.bat msvc70engmatopts.bat bcc54engmatopts.bat df60engmatopts.bat msvc71engmatopts.bat bcc55engmatopts.bat intelc71engmatopts.bat openwatc13engmatopts.bat bcc55freeengmatopts.bat lccengmatopts.bat wat11engmatopts.bat bcc56engmatopts.bat msvc50engmatopts.bat watengmatopts.bat bccengmatopts.bat msvc60engmatopts.bat編譯參數檔案名稱都符合*engmatopts.bat 的格式，根據你使用的編譯器，就可以找到相關的編譯參數檔。,dir(matlabroot binwin32mexopts*engmatopts.bat),C 呼叫 MATLAB 的重點(IV),在 C 程式碼內反覆將 MATLAB 命令送到 MATLAB 執行，而不用呼叫一個外部的 M 檔案。範例3-12：matlabEngine02.m,optsFile=matlabroot binwin32mexoptsmsvc60engmatopts.bat;mex(-f,optsFile,plotViaMatlab02.c);%進行編譯!plotViaMatlab02%測試程式,C 呼叫 MATLAB 的重點(V),執行 plotViaMatlab02.exe 之後，可以畫出自由落體的距離與時間關係圖，如右。在 plotViaMatlab02.c 程式碼中，因為我們沒有使用engClose(ep);來關閉 MATLAB engine，所以最後必須手動來關閉 MATLAB engine。,最後,有關更進一步如何使用 C 呼叫 MATLAB 引擎，可查閱 MATLAB Help中的 External Interfaces/API 章節Calling MATLAB from C and Fortran Programs，有更詳細的介紹。,