基于Qt與MATLAB的混合編程技術(shù)

摘要：在Qt雷達(dá)仿真系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理及圖形顯示尤為重要。本文為此提出了一種Qt與MATLAB混合編程的方法。通過VC++和MATLAB混合編程技術(shù)，將MATLAB函數(shù)封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫，Qt調(diào)用這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫實(shí)現(xiàn)圖形處理功能，從而改善Qt界面中雷達(dá)信號(hào)仿真問題。

引言

　　Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它包括跨平臺(tái)類庫、集成開發(fā)工具和跨平臺(tái)IDE^[1]。由于強(qiáng)大的跨平臺(tái)特性，使用Qt只需一次性開發(fā)應(yīng)用程序，無須重新編寫源代碼，便可跨桌面和嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行。在圖形處理方面，Qt提供了用于2D繪圖的QPainter繪圖類和第三方繪圖庫Qwt，可以繪制簡(jiǎn)單的圖形，但其過程復(fù)雜、設(shè)置繁瑣，且操作過程不易實(shí)現(xiàn)。

　　MATLAB作為一種高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體, 構(gòu)成了一個(gè)方便、界面友好的用戶環(huán)境。相比Qt而言，MATLAB有非常強(qiáng)大的圖形化顯示矩陣和數(shù)組的能力，用MATLAB生成的圖形可輕松實(shí)現(xiàn)添加文字說明、標(biāo)注坐標(biāo)軸、曲線注釋等多種功能，而這些若由Qt來實(shí)現(xiàn)則較為復(fù)雜。針對(duì)Qt的繪圖缺點(diǎn)，提出了Qt與MATLAB混合編程技術(shù)，主要包括兩種方法：Qt調(diào)用MATLAB的引擎和Qt調(diào)用MATLAB生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫。Qt調(diào)用MATLAB引擎加入大量MATLAB庫，功能十分強(qiáng)大，但其編程量巨大，運(yùn)行效率較低，不利于開發(fā)使用。而使用MATLAB生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫使程序可以脫離MATLAB環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行，節(jié)省程序所占用的內(nèi)存資源，提高了程序的執(zhí)行效率。當(dāng)然，由于MATLAB7.0前后不同版本編譯器的不同特點(diǎn)，混合編程方法也會(huì)有所不同。下面本文將詳細(xì)介紹如何將MATLAB函數(shù)轉(zhuǎn)換為Qt可用的DLL的方法，并應(yīng)用到Qt雷達(dá)仿真系統(tǒng)工程中。

1 Qt圖像顯示窗口

1.1 顯示窗口

　　Qt可以使系統(tǒng)獲得高效的工作性能，是因?yàn)樗鼡碛幸粋€(gè)重要機(jī)制——信號(hào)和槽機(jī)制^[2]。信號(hào)和槽用于兩個(gè)對(duì)象之間的通信，信號(hào)和槽機(jī)制是Qt的核心特征，也是Qt不同于其他開發(fā)框架最突出的特征。QWidget類是所有用戶界面對(duì)象的基類，是Qt中建立用戶界面的主要元素。在雷達(dá)仿真系統(tǒng)中，將圖形顯示模塊作為一個(gè)封裝的窗口組件嵌入到系統(tǒng)中，窗口組件主要以窗口部件QWidget為基類，嵌入MATLAB的Figure窗口[3]，使用信號(hào)和槽等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。

1.2 繪圖需求

　　隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜度與日俱增，雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越多地借助仿真來提高工作效率。一套完整的Qt雷達(dá)仿真系統(tǒng)必不可少的就是圖形顯示，用于直觀地觀測(cè)雷達(dá)各個(gè)模塊的波形及運(yùn)動(dòng)軌跡。Qt提供了2D繪圖系統(tǒng)^[2]，可以使用API在屏幕和繪圖設(shè)備上進(jìn)行繪制，主要基于QPainter、QPaintDevice和QPaintEngine這3個(gè)類，其中QPainter用來執(zhí)行繪圖操作，QPaintDevice提供繪圖設(shè)備，QPaintEngine提供了一些接口。同時(shí)，Qt的第三方繪圖庫QWT可生成各種統(tǒng)計(jì)圖，它的目標(biāo)是以基于2D方式的窗體部件來顯示數(shù)據(jù)。然而這兩種繪圖方法的編程過程比較復(fù)雜，尤其在處理大量數(shù)據(jù)和三維圖形顯示時(shí)更是難以實(shí)現(xiàn)。MATLAB有強(qiáng)大的圖形化顯示矩陣和數(shù)組的能力，同時(shí)也能給圖形增加注釋并且打印這些圖形。它既包括一些方便地產(chǎn)生二維、三維技術(shù)專業(yè)圖形的高級(jí)繪圖函數(shù)，也包括一些可以使用戶靈活控制圖形特點(diǎn)的低級(jí)繪圖命令。另外，用戶還可以利用MATLAB的句柄圖形技術(shù)創(chuàng)建圖形用戶界面^[4]。這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，所以采用Qt與MATLAB混合編程的方法，才能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的圖形處理功能。圖1為雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)仿真結(jié)果圖。

2 Qt調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫

2.1 Qt調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫流程

　　Qt調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫主要有兩種選擇方案，一種是利用VC++調(diào)用MATLAB生成的獨(dú)立可執(zhí)行的C++函數(shù)文件創(chuàng)建集成的繪圖動(dòng)態(tài)鏈接庫，Qt窗口組件來調(diào)用它;另一種是Qt直接調(diào)用MATLAB生成的獨(dú)立可執(zhí)行的C++函數(shù)文件創(chuàng)建集成的繪圖動(dòng)態(tài)鏈接庫，然后Qt窗口組件使用這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。由于VC++與MATLAB混合編程技術(shù)相對(duì)比較成熟，并得到廣泛應(yīng)用，所以我們選用第一種方案。圖2展示了在Qt中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫的步驟。

2.2 VC++動(dòng)態(tài)鏈接庫嵌入到Qt中

　　Qt窗口組件調(diào)用VC++動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)繪圖和圖形顯示功能，在工程目錄中添加上述dllMATLAB.h、dllMATLAB.dll和dllMATLAB.lib文件。在工程的管理文件.pro中加載需要連接的動(dòng)態(tài)鏈接庫，添加代碼“LIBS+= -L ./ -ldllMATLAB”。在頭文件中添加動(dòng)態(tài)鏈接庫提供的頭文件的“dllMATLAB.h”。這樣我們就可以調(diào)用MATLAB函數(shù)庫中的繪圖相關(guān)函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形處理了。

　　但是調(diào)用顯示的Figure窗口卻是單獨(dú)顯示的，與Qt中窗口組件不一致，為使界面風(fēng)格統(tǒng)一，用戶界面美觀，我們需要將MATLAB的Figure窗口嵌入到Qt窗口組件中。這種方法的基本思路是去除MATLAB 的Figure窗口的標(biāo)題欄及邊框，然后把它移動(dòng)到Qt窗口組件中，同時(shí)設(shè)定Qt窗口組件為父窗口。具體由以下代碼實(shí)現(xiàn)。獲取MATLAB 的Figure窗口句柄：

　　HWND hfigure =FindWindow(NULL,str.toStdWString().c_str());

　　獲得Qt窗口組件的句柄：

　　HWND centralWidget = (HWND)(this->winId());

　　設(shè)定Qt窗口組件為Figure窗體的父窗體：

　　if(NULL==::SetParent(hfigure, centralWidget))

2.3 創(chuàng)建VC++動(dòng)態(tài)鏈接庫

　　要想在Qt中調(diào)用MATLAB的各種繪圖函數(shù)，滿足工程需要，使用動(dòng)態(tài)鏈接庫無疑是最好的選擇。

　　動(dòng)態(tài)鏈接庫[6]是Windows操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)共享函數(shù)庫概念的一種方式，使進(jìn)程可以調(diào)用不屬于其可執(zhí)行代碼的函數(shù)。DLL可以采用多種編程語言來編寫。例如，可以利用Qt來編寫程序界面，然后調(diào)用VC++編寫的完成繪圖功能的DLL。動(dòng)態(tài)鏈接庫有助于共享數(shù)據(jù)和資源，簡(jiǎn)化項(xiàng)目管理，節(jié)省磁盤空間和內(nèi)存，更易于升級(jí)。

2.4 MATLAB數(shù)據(jù)類型與VC++數(shù)據(jù)類型相互轉(zhuǎn)化

　　我們知道在MATLAB當(dāng)中運(yùn)算都是基于矩陣的，因此，在VC++中調(diào)用MATLAB函數(shù)時(shí)，無論函數(shù)的返回值、參數(shù)必須是矩陣類型(mwArray)[7]，而在C++當(dāng)中的二維數(shù)組可以看成一個(gè)矩陣，在VC++當(dāng)中可以用下面的函數(shù)將數(shù)組轉(zhuǎn)化成MATLAB中的矩陣類型。例如data= new double[m*n]，可以用mwArray mwdata(m,n,data);這樣就可以將二維數(shù)組變量轉(zhuǎn)化成mwArray 類型，進(jìn)而可以作為MATLAB函數(shù)的參數(shù)。反之，把mwArray 類型的變量轉(zhuǎn)化成C++中的二維數(shù)組：例如存在mwArray 變量mwdata，用函數(shù)size獲得矩陣的大小，row=size(&col,mwdata)，其中row,col是函數(shù)的返回值，data=new double[row*col];data.ExtractData(mwdata); 這樣就可以把mwArray類型轉(zhuǎn)化成數(shù)組類型。另外，用GetData()和mxGetPr、mxGetPi組合可以得到指向mwArray對(duì)象的指針。

3 VC++和MATLAB混合編程

3.1 VC++與MATLAB混合編程步驟

　　在工程實(shí)踐中，VC++調(diào)用MATLAB 的方法主要有兩種：調(diào)用MATLAB計(jì)算引擎和調(diào)用MATLAB生成獨(dú)立可執(zhí)行的C++函數(shù)文件。為滿足工程需要，選擇第二種方法。

3.1.1 在MATLAB中進(jìn)行編譯器設(shè)置

　　MATALB編譯器是一個(gè)運(yùn)行于MATLAB環(huán)境的獨(dú)立工具。其主要功能是把M程序轉(zhuǎn)換成C/C++代碼，然后再調(diào)用外部C/C++編譯器，把產(chǎn)生的源代碼編譯、鏈接成用戶指定的格式^[4]。

　　需要在MATLAB環(huán)境中配置外部C/C++編譯器，在MATLAB命令環(huán)境行輸入mbuid-setup設(shè)置要用到的C/C++編譯器。輸入mex-setup對(duì)MEX文件進(jìn)行配置編譯。

3.1.2 新建M文件并編譯

　　(1)建立M文件，將工程中需要用到的數(shù)學(xué)函數(shù)庫和圖形庫中的常見函數(shù)plot、mesh、hist、image、figure、fft、contour、set、get等函數(shù)編寫成M函數(shù)。功能相同的函數(shù)，參數(shù)個(gè)數(shù)不同時(shí)要視為兩個(gè)不同函數(shù)。

　　(2)利用mcc命令編譯M文件，在MATLAB環(huán)境中使用mcc命令將M文件編譯成可獨(dú)立執(zhí)行的C++函數(shù)文件。

3.1.3 在VC++中進(jìn)行編譯環(huán)境設(shè)置

　　首先設(shè)置系統(tǒng)變量，在系統(tǒng)環(huán)境的用戶變量添加MATLAB及VC++軟件的安裝目錄。然后在VC++設(shè)置編譯環(huán)境：

　　(1)添加MATLAB庫的頭文件和庫函數(shù)的路徑;

　　(2)設(shè)置運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫;

　　(3) 導(dǎo)入靜態(tài)鏈接庫文件。

3.1.4 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)鏈接庫

　　動(dòng)態(tài)鏈接庫是將功能封裝在一起的模塊，因此，與代碼直接寫入調(diào)用模塊中相比，它不僅可以提高程序的復(fù)用，減少代碼開發(fā)工作量，同時(shí)也可以節(jié)省內(nèi)存，提高代碼利用率。

　　VC++調(diào)用MATLAB混合編程生成可以獨(dú)立運(yùn)行的C++代碼，創(chuàng)建動(dòng)態(tài)鏈接庫，通過靜態(tài)加載或動(dòng)態(tài)加載的方式來使用DLL。新建一個(gè)空的動(dòng)態(tài)鏈接庫工程，添加一個(gè)頭文件dllMATLAB.h和源文件dllMATLAB.cpp。將mcc編譯后生成的C++文件添加到項(xiàng)目中，對(duì)MATLAB中M文件中的函數(shù)重新定義，滿足MATLAB數(shù)據(jù)類型與VC++數(shù)組類型相互轉(zhuǎn)化。編譯生成dllMATLAB.dll和dllMATLAB.lib文件。這樣其他應(yīng)用程序只需將dllMATLAB.h、dllMATLAB.dll、dllMATLAB.lib添加到工程目錄中就可以使用這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)調(diào)用MATLAB的繪圖功能了。

3.2 MATLAB不同版本的區(qū)別

　　值得注意的是，不同MATLAB軟件版本導(dǎo)致混合編程的方法不同。與之前版本相比，MATLAB7.0之后的版本的編譯器發(fā)生了較大變化。其主要新特點(diǎn)及變化包括以下兩個(gè)方面：一、不再提供C++數(shù)字庫和圖形庫;二、不再編譯所有的M函數(shù)，只是產(chǎn)生必要的C/C++接口函數(shù)。

　　所以VC++調(diào)用不同版本的MATLAB的動(dòng)態(tài)鏈接庫的過程也有很大差別，具體表現(xiàn)在三個(gè)方面。

3.2.1 mcc命令及編譯產(chǎn)生C++文件不同

　　MATLAB7.0之前的版本編譯命令為:mcc - B sglcpp (文件名)，參數(shù)“ - B sglcpp ”含義是將. m文件編譯成為C++代碼，生成.cpp和.hpp文件，提供圖形庫支持, 并編譯為獨(dú)立運(yùn)行的exe程序。

　　MATLAB7.0之后版本使用mcc命令。假設(shè)要把M文件編譯成C語言動(dòng)態(tài)鏈接庫文件“mcc -W lib:(對(duì)應(yīng)鏈接庫名稱) -T link:lib (文件名M)”。假設(shè)要把M文件編譯成C++語言動(dòng)態(tài)鏈接庫文件：“mcc -W cpplib:(對(duì)應(yīng)鏈接庫名稱) -T link:lib (文件名M)”。這里我們采用第二種方法編譯運(yùn)行之后，在目錄下面將會(huì)出現(xiàn)以下以.lib、.dll、.exports、.exp、.h和.cpp為后綴的6個(gè)文件。

3.2.2 在VC++工程中頭文件及初始化設(shè)置等不同

　　在MATLAB7.0以前，在VC++程序中使用MATLAB編譯器產(chǎn)生代碼時(shí)，必須在VC++源程序中分別包含MATLAB.hpp。從MATALB7.0起，MATLAB的編譯器不再提供MATLAB.hpp，代之以mclmcr.h。

　　另外，在調(diào)用MATLAB初始化設(shè)置時(shí)，MATLAB7.0以前采用以下代碼：

　　void initialMATLAB() //初始化設(shè)置

　　{ libmmfileInitialize();//初始化MATLAB數(shù)學(xué)庫

　　libmwsglmInitialize();//初始化MATLAB圖形庫

　　mlfHGInitialize(NULL,NULL);}

　　MATLAB7.0之后版本編譯產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)鏈接庫，對(duì)每個(gè)M文件都有初始化及釋放設(shè)置，也就是說不需要整體的初始化及釋放設(shè)置，只需對(duì)使用的函數(shù)進(jìn)行初始化，具體參考MATLAB幫助。

3.2.3 程序發(fā)布方法有所不同

　　由于程序中調(diào)用了MATLAB 數(shù)學(xué)函數(shù)庫或圖形庫中的函數(shù)，MATLAB7.0之前版本需要附帶MATLAB的這些函數(shù)庫才能在沒有安裝MATLAB 的機(jī)器上運(yùn)行。以MTALAB6.5為例，我們需要收集libmmfile.dll、libmwservices.dll、libut.dll等函數(shù)庫，并將這些文件添加到應(yīng)用程序Debug目錄或者Release目錄下，這樣程序就可以未裝MATLAB軟件的機(jī)器上運(yùn)行，簡(jiǎn)化了MATLAB與C/C++的混合編程，可移植性強(qiáng)。

　　MATLAB7.0之后版本的編譯器不再提供C++數(shù)字庫和圖形庫，而是使用MATLAB組件運(yùn)行環(huán)境MCR(一組標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫)，它提供了運(yùn)行編譯后的程序所需的基本環(huán)境[4]。所以要想程序發(fā)布到別的沒有安裝MATLAB的計(jì)算機(jī)上使用，必須在目標(biāo)計(jì)算機(jī)上安裝MCR，其文件位于MATLAB 安裝目錄的externlibwin32子目錄MCRInstaller.exe，運(yùn)行MCRInstaller.exe程序即可自動(dòng)把需要的庫函數(shù)解壓到當(dāng)前目錄中，這樣程序就可以脫離MATLAB運(yùn)行。

　　通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同版本各有優(yōu)勢(shì)，在我們的工程項(xiàng)目中選用了MATLAB6.5，這樣要想發(fā)布VC++創(chuàng)建的動(dòng)態(tài)鏈接庫只需收集庫文件，雖然收集過程復(fù)雜，但是可移植性強(qiáng)，靈活性高，用戶操作簡(jiǎn)單。

4 總結(jié)

　　本文采用Qt與MATLAB混合編程的方法滿足了Qt工程中對(duì)數(shù)據(jù)處理和圖形顯示的要求，增強(qiáng)了Qt的繪圖功能。經(jīng)過項(xiàng)目的實(shí)踐，調(diào)用MATLAB生成的可獨(dú)立執(zhí)行的動(dòng)態(tài)鏈接庫在項(xiàng)目中得到了較好的應(yīng)用。當(dāng)然，集成的動(dòng)態(tài)鏈接庫還需要進(jìn)一步地完善來滿足不同的項(xiàng)目對(duì)繪圖及復(fù)雜數(shù)值運(yùn)算的要求，為用戶提供功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)。由于Qt優(yōu)良的跨平臺(tái)特性和MATLAB的圖形處理功能，相信未來Qt與MATLAB的混合編程在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第57頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。