11_Matlab高级编程技术 (1).pdf

1MATLAB高级编程技术北京邮电大学 信息与通信工程学院北京邮电大学 信息与通信工程学院2教学目标l掌握MATLAB文件处理方法l理解MATLAB应用程序接口的原理l了解结构和元胞这两种复杂数据类型l了解面向对象编程的基本概念3主要内容l8.1文件文件l8.2 应用程序接口应用程序接口48.1文件l文件可分为两类：文件可分为两类：l文本文件l由字符和与字符的显示格式有关的控制符构成l常见扩展名：“TXT”、“BAT”、“HTM”l二进制文件l二进制文件为非文本文件l常见扩展名：“COM”、“EXE”、“BMP”、“WAV”5MATLAB中基本的低级文件I/O指令：l1打开和关闭文件打开和关闭文件lfopen、fclosel2格式读写格式读写lfprintf、fscanf、fgetl、fgetsl3非格式读写非格式读写lfread、fwritel4文件定位和状态文件定位和状态lfeof、fseek、ftell、ferror、frewind68.1.1文件的打开与关闭文件的打开与关闭l1fopen函数函数lfidfopen(filename，permission)lfid,message=fopen(filename,permssion)lfilename,permission,machineformat=fopen(fid)lfid=fopen(all)l2fclose函数函数lstatus=fclose(fid)lstatus=fclose(all)例：打开一个名为std.dat的数据文件并进行读操作，命令为：fidfopen(my.txt,r)78.1.2格式化数据的读写格式化数据的读写lfprintf函数函数lcount=fprintf(fid,format,A.)lfscanf函数函数lA,count=fscanf(fid,format,size)8例8-1l计算当计算当x=0 1时时f(x)=ex的值，并将结果写入的值，并将结果写入到文件到文件my.txt中。中。l程序程序x=0:0.1:1;y=x;exp(x);%y有两行数据有两行数据fid=fopen(my.txt,w);fprintf(fid,%6.2f%12.8fn,y);fclose(fid);9例8-2l从上例中生成的文件从上例中生成的文件my.txt中读取数据，并将结中读取数据，并将结果输出到屏幕。果输出到屏幕。l程序程序fid=fopen(my.txt,r);a,count=fscanf(fid,%f%f,2 inf);fprintf(1,%f%fn,a);fclose(fid);l输出输出 同例同例8-1文件中的数据格式。文件中的数据格式。108.1.3 文件定位和文件状态文件定位和文件状态l1feof函数：检测文件是否已经结束函数：检测文件是否已经结束lstatus=feof(fid)l2ferror函数：用于查询文件的输入、输出错误信息函数：用于查询文件的输入、输出错误信息lmsg=ferror(fid)l3frewind函数：使位置指针重新返回文件的开头函数：使位置指针重新返回文件的开头lfrewind(fid)l4fseek函数：设置文件的位置指针函数：设置文件的位置指针lstatus=fseek(fid,offset,origin)l5ftell函数：用于查询当前文件指针的位置函数：用于查询当前文件指针的位置lposition=ftell(fid);11例8-3 输出文件的大小。程序程序fid=fopen(my.txt,r);fseek(fid,0,eof);x=ftell(fid);fprintf(1,File Size=%dn,x);frewind(fid);x=ftell(fid);fprintf(1,File Position=%dn,x);fclose(fid);输出输出File Size=231File Position=0128.1.4按行读取数据l1fgetl函数：按行从文件中读取数据，但不读函数：按行从文件中读取数据，但不读取换行符。取换行符。lline=fgetl(fid)l2fgets函数：用于从文件中读取行、保留换行函数：用于从文件中读取行、保留换行符并把行作为字符串返回。符并把行作为字符串返回。l（1）line=fgets(fid)l（2）line=fgets(fid,nchar)13例8-4编写一个程序，用于读取例编写一个程序，用于读取例8-1生成的数据。生成的数据。程序程序fid=fopen(my.txt,r);while feof(fid)%在文件没有结束时按行读取数据在文件没有结束时按行读取数据s=fgets(fid);fprintf(1,%s,s);endfclose(fid);输出输出 同例同例8-1文件中的数据格式。文件中的数据格式。148.1.5二进制数据文件的读写二进制数据文件的读写lfwrite函数：用于向一个文件写入二进制数据函数：用于向一个文件写入二进制数据lcount=fwrite(fid,A,precision)。lfread函数：用于从文件中读二进制数据函数：用于从文件中读二进制数据lA,count=fread(fid,size,precision)l注意：使用函数注意：使用函数fread()和和fwrite()读写文件时读写文件时,必须以二必须以二进制方式打开文件进制方式打开文件15例8-5将将5行行5列“魔方阵”存入二进制文件中。列“魔方阵”存入二进制文件中。程序程序fid=fopen(my.dat,w);a=magic(5);fwrite(fid,a,long);fclose(fid);16例8-6从二进制文件中读取“魔方阵”。从二进制文件中读取“魔方阵”。程序程序fid=fopen(my.dat,r);A,count=fread(fid,5,inf,long);fclose(fid);A178.1.6 图像、声音文件的读写图像、声音文件的读写l1imread函数：从文件中读入图像函数：从文件中读入图像lA=imread(filename,fmt)lA,map=imread(filename,fmt)l2image函数：显示图像函数：显示图像limage(A)l3imwrite函数：将图像写入文件函数：将图像写入文件limwrite(A,filename,fmt)limwrite(A,map,filename,fmt)18例例8-7显示一幅真彩显示一幅真彩(RGB)图像。图像。程序程序x,map=imread(C:MATLAB7toolboxmatlabdemosstreet1.jpg);image(x);19例例8-8 将图像写入文件程序程序x,map=imread(C:MATLAB7toolboxmatlabdemosstreet1.jpg);imwrite(x,my.bmp);%将图像保存为真彩色将图像保存为真彩色的的bmpx,map=imread(my.bmp);image(x);208.1.6图像、声音文件的读写图像、声音文件的读写l4imfinfo函数：查询图像文件信息函数：查询图像文件信息linnfo imflnfo(filename)l5wavread函数：用于读取扩展名为“函数：用于读取扩展名为“.wav”的声音文件的声音文件ly=wavread(file)ly,fs,nbits=wavread(file)l6wavwrite函数：用于将数据写入到扩展名为“函数：用于将数据写入到扩展名为“wav”的的声音文件中声音文件中lwavwrite(y,fs,nbits,wavefile)l7wavplay函数：利用函数：利用windows音频输出设备播放声音音频输出设备播放声音lwavplay(y,fs)21例8-9读取一个音频数据文件，以不同频率播放，并显读取一个音频数据文件，以不同频率播放，并显示声音波形。示声音波形。程序：程序：y=wavread(C:MATLAB7toolboxsimulinksimdemossimgeneraltoilet.wav)plot(y);wavplay(y);wavplay(y,11025);wavplay(y,44100);228.2 应用程序接口lMATLAB的外部接口应用包括如下内容：的外部接口应用包括如下内容：l（1）在MATLAB中调用已有的C/C+语言代码；l（2）在C/C+语言中调用MATLAB的算法；l（3）利用COM标准进行客户/服务器模式开发；l例如在Visual Basic程序或者Microsoft Excel中调用MATLAB的算法l（4）在C/C+语言中读写MAT数据文件。MATLAB调用C语言lMATLAB是矩阵语言，是为向量和矩阵操作设是矩阵语言，是为向量和矩阵操作设计。计。l运算可以用向量或矩阵实现，运算速度非常快运算可以用向量或矩阵实现，运算速度非常快l涉及大量循环处理，速度较慢涉及大量循环处理，速度较慢l解决方法：必须使用解决方法：必须使用for循环时，写成循环时，写成MEX文件文件，不必在每次运行循环中语句时，不必在每次运行循环中语句时MATLAB都对都对它们进行解释。它们进行解释。23lC语言功能丰富，使用灵活方便，目标程序效语言功能丰富，使用灵活方便，目标程序效率高。既有高级语言的优点，又有低级语言的率高。既有高级语言的优点，又有低级语言的特点。特点。lMATLAB不能直接调用不能直接调用C语言程序。语言程序。l可以通过可以通过MATLAB提供的提供的API实现与外部接口实现与外部接口，在，在MATLAB环境中实现调用环境中实现调用C语言或语言或Fortan程序、输入或输出数据以及和其他软件程序间程序、输入或输出数据以及和其他软件程序间建立客户建立客户/服务器关系等功能。服务器关系等功能。lMATLAB调用调用C 语言程序，必须通过语言程序，必须通过MEX文件文件来实现。来实现。24C语言的MEX文件结构lC语言的语言的MEX文件是一种动态连接子程序，可文件是一种动态连接子程序，可以象调用以象调用M文件一样调用它。文件一样调用它。l要求大量循环迭代的部分用C语言编写为MEX文件，提高计算速度l已经开发的C 语言程序，则不必将其转化为M文件而重复劳动，通过添加入口程序mexFunction，可以由MATLAB调用l直接控制硬件，如A/D采集卡，D/A输出卡等，以用于数据采集或控制应用25lC语言的语言的MEX文件的源程序有两个非常明显部文件的源程序有两个非常明显部分组成：分组成：l（1）计算程序，即）计算程序，即MEX文件中完成计算功能文件中完成计算功能的程序代码，的程序代码，C语言编写。语言编写。l（2）入口程序，将计算程序与）入口程序，将计算程序与MATLAB连接连接的入口函数的入口函数mexFunction。函数中四个参数。函数中四个参数nlhs、plhs、nrhs和和prhs。nlhs是输出数据的个数，是输出数据的个数，plhs是指向是指向mxArray的输出数据的指针，的输出数据的指针，nrhs是是输入数据的个数，输入数据的个数，prhs是指向是指向mxArray的输入的输入数据的指针。数据的指针。26使用MEX文件l两个主要部分在使用中是可以独立的，也是组两个主要部分在使用中是可以独立的，也是组合在一起。合在一起。lMEX文件必须包含头文件文件必须包含头文件mex.h，以便正常申，以便正常申明入口程序明入口程序void mexFunction(int nlhs,maArray*plhs,int nrhs,const mxArray*prhs)lC语言的语言的MEX文件中，参数文件中，参数nlhs和和nrhs包括输包括输出和输入变量的数目。借助这两个参数，出和输入变量的数目。借助这两个参数，MEX文件被调用。文件被调用。27l例如：例如：a,b,c=Matlab_1(d,e,f,g)则则nlhs为为3，nrhs为为4lMATLAB调用调用MEX文件时，输入和输出参数保文件时，输入和输出参数保存在两个存在两个mxArray*类型的指针数组中，分别为类型的指针数组中，分别为prhs和和plhs。prhs0表示第一个输入参数，表示第一个输入参数，prhs1表示第二个输入参数表示第二个输入参数,l上例中，上例中，d-prhs0,e-prhs1,f-prhs2,f-prhs328lMATLAB函数的调用方式一般为：函数的调用方式一般为：a,b,c,=被调用函数名称被调用函数名称(d,e,f,)lnlhs保存了等号左端输出参数的个数，指针数保存了等号左端输出参数的个数，指针数组组plhs具体保存了等号左端各参数的地址具体保存了等号左端各参数的地址lnrhs保存了等号右端输入参数的个数，指针数保存了等号右端输入参数的个数，指针数组组prhs具体保存了等号右端各参数的地址具体保存了等号右端各参数的地址29编译器的安装与配置l安装与安装与MATLAB适配的以下任何一种适配的以下任何一种ANSI C/C+编译器：编译器：l5.0、6.0版的Microsoft Visual C+（MSVC）l5.0、5.2、5.3、5.4、5.5版的Borland C+lLCC（由MATLAB自带，只能用来产生MEX文件）30编译器安装与配置l运行运行mex setupPlease choose your compiler for building external interface(MEX)files:Would you like mex to locate installed compilers y/n?l选择选择y，MATLAB自动搜索已安装的外部编译自动搜索已安装的外部编译器的类型、版本及路径，并列出来供选择器的类型、版本及路径，并列出来供选择l选择其中一种，选择其中一种，MATLAB让用户进行确认让用户进行确认l选择选择y，结束，结束MATLAB编译器的配置编译器的配置31l例子：例子：32ticm=1000;n=1000;a=zeros(m,n);for i=1:1000for j=1:1000a(i,j)=1/(i+j);endendtocElapsed time is 0.092038 seconds.33在记事本中输入：#include mex.hvoid hilb(double*y,int n)int i,j;for(i=0;in;i+)for(j=0;jn;j+)*(y+j+i*n)=1/(double)i+(double)j+1);34void mexFunction(int nlhs,mxArray*plhs,int nrhs,const mxArray*prhs)double x,*y;int n;if(nrhs!=1)mexErrMsgTxt(One inputs required.);if(nlhs!=1)mexErrMsgTxt(One outputs required);if(!mxIsDouble(prhs0)|mxGetN(prhs0)*mxGetM(prhs0)!=1)mexErrMsgTxt(Input must be scalars.);x=mxGetScalar(prhs0);plhs0=mxCreateDoubleMatrix(x,x,mxREAL);n=mxGetM(plhs0);y=mxGetPr(plhs0);hilb(y,n);l运行文件：运行文件：tica=Matlab_1(1000);toclElapsed time is 0.063685 seconds.l由上面可以看出，运行同样功能的由上面可以看出，运行同样功能的MEX文件比文件比M文件快得多。文件快得多。35368.2.2 MATLAB计算引擎计算引擎l MATLAB的计算引擎应用就是利用的计算引擎应用就是利用MATLAB提供的一组接口函数，在用户开发的提供的一组接口函数，在用户开发的C/C+语语言应用程序中，通过某种通信机制后台调用言应用程序中，通过某种通信机制后台调用MATLAB应用程序以完成复杂的系统任务。应用程序以完成复杂的系统任务。37例例8-11设计一程序，在设计一程序，在C/C+语言中调用语言中调用mesh函数来函数来绘制高斯矩阵的曲面。绘制高斯矩阵的曲面。解题步骤：解题步骤：38例8-11 程序：#include#include engine.hvoid main()Engine*ep;int status=0;/打开计算引擎打开计算引擎ep=engOpen(NULL);if(ep=(Engine*)NULL)printf(错误：无法打开错误：无法打开MATLAB计算引擎计算引擎n);exit(-1);/执行执行MATLAB指令指令engEvalString(ep,mesh(peaks););getchar();/关闭关闭MATLAB计算引擎计算引擎status=engClose(ep);if(status!=0)printf(无法正常关闭无法正常关闭MATLAB计算引擎计算引擎n);exit(-1);398.2.3基于基于COM组件的接口编程组件的接口编程该方法的主要特点有：该方法的主要特点有：（1）应用程序完全脱离）应用程序完全脱离MATLAB工作环境；工作环境；（2）MATLAB数学库和工具箱中包括的各种各数学库和工具箱中包括的各种各样的函数，所以降低了编写算法难度；样的函数，所以降低了编写算法难度；（3）由于将算法程序做成了）由于将算法程序做成了COM组件的形式，组件的形式，所以实现了算法的保密。所以实现了算法的保密。408.2.4在在C/C+语言中读写语言中读写MAT数据文件数据文件支持支持C/C+语言读写语言读写MAT文件的函数库有下面几个：文件的函数库有下面几个：l1打开数据文件打开数据文件matOpenlMATFile*matOpen(const char*filename,const char*mode)l2关闭数据文件关闭数据文件matCloselint matClose(MATFile*mfp)l3获取变量获取变量matGetVariablelmxArray*matGetVariable(MATFile*mfp,const char*name)l4写入数据写入数据matPutVariablelint matPutVariable(MATFile*mfp,const char*name,const mxArray*mp)41扩展阅读l8.3 结构数组结构数组l8.4 元胞数组元胞数组l8.5 面向对象程序设计面向对象程序设计Matlab5+6i42应用举例应用举例例例8-12 在在C/C+语言中调用语言中调用MATLAB计算魔方阵，计算魔方阵，并将结果显示到屏幕。并将结果显示到屏幕。43程序代码程序代码1#include engine.h#include void main()Engine*ep;double*p;mxArray*equation;int i=0,j=0;int status=0;/打开计算引擎打开计算引擎ep=engOpen(NULL);if(ep=(Engine*)NULL)printf(错误：无法打开错误：无法打开MATLAB计算引擎计算引擎n);exit(-1);44程序代码程序代码2/执行执行MATLAB指令指令engEvalString(ep,A=magic(5););equation=engGetVariable(ep,A);p=mxGetPr(equation);printf(nMATLAB 中计算中计算magic(5)n);for(i=0;i5;i+)for(j=0;j5;j+)printf(%8.0lf,*(p+i+j*5);printf(n);/关闭关闭MATLAB计算引擎计算引擎status=engClose(ep);if(status!=0)printf(无法正常关闭无法正常关闭MATLAB计算引擎计算引擎n);exit(-1);45例例8-1346程序代码程序代码1#include#include#include engine.hvoid main()Engine*ep;int status=0;ep=engOpen(NULL);/执行执行MATLAB指令指令double A=2,3,4,-1,1,-1,3,-5,1,B=5,5,9;double*pa,*pb,*pc;mxArray*x,*y,*z;47程序代码程序代码2x=mxCreateDoubleMatrix(3,3,mxREAL);y=mxCreateDoubleMatrix(3,1,mxREAL);pa=mxGetPr(x);pb=mxGetPr(y);memcpy(pa,A,9*sizeof(double);memcpy(pb,B,3*sizeof(double);engPutVariable(ep,A,x);engPutVariable(ep,B,y);engEvalString(ep,C=AB;);z=engGetVariable(ep,C);pc=mxGetPr(z);printf(nAX=B的结果为：的结果为：n);for(int i=0;i3;i+)printf(%8.0lfn,*(pc+i);status=engClose(ep);48l学好计算机的唯一途径是学好计算机的唯一途径是l你的编程能力与你在计算机上投入的时间成你的编程能力与你在计算机上投入的时间成结 束 语