C/C++與Matlab混合程式設計

由于實驗室項目遺留問題，可能為了圖matlab繪圖友善，前面的開發人員在C++核心代碼外加了一層matlab外殼，在matlab裡調用C++方法，并使用matlab繪圖顯示。當我接手這份代碼之後，在Windows上調試發現了幾個難以忍受的問題，

1. matlab調用之前必須将c++代碼編譯成二進制檔案，如此一來在matlab裡就沒法調試，不得不使用Visual Studio的附加程序調試，需要頻繁來回切換VS和maltab；

2. 使用附加程序調試時如果C++程式崩潰，導緻matlab必須重新開機，而matlab重新開機速度之慢無法忍；

3. 全速運作起來速度之慢無法忍。

綜上所述，決定将代碼全部移植到C++下。綜合考慮，移植到C++下，可能存在以下兩個問題：圖像讀取與轉換和計算結果可視化。

圖像加載與轉換

項目是有關圖像處理的，matlab提供非常便捷的圖像轉換和處理庫，在C++下沒有這些API，也不可能自己從頭實作這些基礎功能，自然而然選擇了OpenCV這樣的第三方庫。

1. 下載下傳OpenCV2.4.9 for Windows，解壓到OPENCV_ROOT(自定義路徑)；
2. 在VS2012裡指定頭檔案路徑為：

   OPENCV_ROOT/build/include

   ；庫檔案路徑：

   OPENCV_ROOT/build/x64/vc11/lib

   ；
3. 從

   OPENCV_ROOT/build/x64/vc11/bin

   拷貝

   opencv_core249d.dll

   ,

   opencv_core249.dll

   ,

   opencv_highgui249d.dll

   和

   opencv_highgui249.dll

   到VS工程目錄(工程為x64，x86工程)；
4. 在代碼中添加如下代碼表明用到的庫檔案

   #ifdef _DUBUG
       #pragma comment(lib, "opencv_core249d.lib")
       #pragma comment(lib, "opencv_highgui249d.lib")
    #else
       #pragma comment(lib, "opencv_core249.lib")
       #pragma comment(lib, "opencv_highgui249.lib")
    #endif
              

5. 加載和顯示圖像

   #include <opencv2\highgui\highgui.hpp>
   
   int main(void){
       cv::Mat img = cv::imread("test_image.jpg", CV_LOAD_IMAGE_GRAYSCALE);
       cv::namedWindow("imageWindow");
       cv::imshow("imageWindow", img);
       cv::destroyWindow("imageWindow");
       return ;
   }
              

可視化

項目最終有可視化的需求，而用C++做可視化成本太高，MATLAB在這方面獨特的優勢。在調試階段應該使用盡可能友善的方法驗證算法，于是決定在C++中調用MATLAB引擎繪圖。MATLAB引擎函數庫是MATLAB提供引擎方式接口的一系列程式的集合，它允許使用者用自己的C/C++語言或FORTRAN語言應用程式中對MATLAB進行調用。

engine.h

頭檔案中定義了9個引擎函數。在VS2012裡調用MATLAB引擎操作方式如下：

1. 建立和MATLAB版本一緻的C++工程，如，我的MATLAB是x64的，就建立x64的C++工程，這樣才能保證調用的動态庫版本正确；
2. 在VS2012中添加MATLAB的頭檔案路徑，如：

   C:\Program Files\MATLAB\R2014a\extern\include

   ；添加庫檔案路徑，如：

   C:\Program Files\MATLAB\R2014a\extern\lib\win64\microsoft

   ，添加可執行檔案路徑，如：

   C:\Program Files\MATLAB\R2014a\bin\win64

   ;
3. 在代碼中調用MATLAB引擎函數，為了使用友善，我對部分引擎函數做了一些封裝，如下：

   /*
    * MatlabEngine.h
    * this file is a C++ wrap of some MATLAB engine methods.
    * it depends on the MATLAB installed on you machine.
    * DATE: 2016.05.15
    * AUTHOR: Lai Shaofa
    * EMAIL: [email protected]
    */
    # ifndef _MATLAB_ENGINE_H_
    # define _MATLAB_ENGINE_H_
   
    #include <stdio.h>
    #include "engine.h"
   
    #pragma comment(lib, "libeng.lib")
    #pragma comment(lib, "libmx.lib")
    #define     MAX_BUFFFER_SIZE (1024)
   
   class MatlabEngine {
   
   private:
       Engine *ep;
       char buffer[MAX_BUFFFER_SIZE];
   
   public:
       /*
        * constructor: open matlab engine and set engine input/output buffer
        */
       MatlabEngine(){
           if ((ep = engOpen("")) == NULL)
           {
               fprintf(stderr, "\nCan't start MATLAB engine\n");
               exit();
           }
           engOutputBuffer(ep, buffer, MAX_BUFFFER_SIZE);
       }
   
       /*
        * destructor: close matlab engine
        */
       ~MatlabEngine()    {
           engClose(ep);
       }
   
       /*
        * matCreate: create a matrix
        * @row: row of matrix
        * @col: column of matrix
        * NOTE: remember to call @matDestory to avoid memory leak
        */
       mxArray* matCreate(const int32_t row, const int32_t col) {
           assert(row> && col>);
           return mxCreateDoubleMatrix(row, col, mxREAL); 
       }
   
       /*
        * @matDestroy: destroy a matrix to release memory
        * @mat: matrix to be destroyed.
        */
       void matDestroy(mxArray* mat) {
           assert(mat!=NULL);
           mxDestroyArray(mat);
           mat = NULL;
       }
   
       /*
        * matPutVariable: put a variable to matlab engine with the name @matName
        * @matName: name of variable,it used by matlab engine to identify the @mat
        * @mat: matrix to be put
        * @src: c/c++ source data pointer
        * @size: size of source data
        */
       void matPutVariable(const char* matName, const mxArray* mat, const void* src, const size_t size) {
           assert(matName!=NULL);
           assert(mat!=NULL);
           assert(src!=NULL && size>);
           memcpy((void*)mxGetPr(mat), src, size);
           engPutVariable(ep, matName, mat);
       }
   
       /*
        * @matExecute: execute a matlab command in string format.
        * @cmd: command string.
        */
       void matExecute(const char * cmd) {
           assert(cmd != NULL);
           engEvalString(ep, cmd);
       }
   
       char* matGetOutput() {
           return buffer;
       }
   };
              

   4.在main函數中執行個體化引擎類并調用引擎方法：

   #include <iostream>
    #include "MatlabEngine.h"
    using namespace std;
   
   int main(void){
       MatlabEngine engine;
       double _x[] = { , , , ,  };
       double _y[] = {, , , , };
       mxArray* x = engine.matCreate(, );
       mxArray* y = engine.matCreate(, );
       engine.matPutVariable("x", x, _x, sizeof(_x));
       engine.matPutVariable("y", y, _y, sizeof(_y));
       engine.matExecute("plot(x, y, '-*b', 'linewidth', 1)");
       engine.matExecute("grid on, axis equal");
       engine.matDestroy(x);
       engine.matDestroy(y);
       return ;
   }