Matlab強大的數(shù)組處理功能如何解決圖像處理解析方案

基于COM組件的Matlab與C++混合編程方式因擁有獨立的運行環(huán)境和兩種語言的互補優(yōu)勢而被眾多科研人員和編程人員所接受，同時也是MathWorks公司推薦使用的混編方式。但在程序設(shè)計過程中，通常會遇到兩個難點問題：(1)二維數(shù)組參數(shù)的傳遞與輸出; (2)Matlab生成圖形嵌入VC工程界面中。對于第一個問題,Bruce McKinney[1]在MSDN上指出;“如果對一維數(shù)組進行操作，則SAFEARRAY函數(shù)變的簡單且易操作。但是對于多維數(shù)組，同樣的操作要復(fù)雜得多”，造成這一問題的根源在于Matlab與C++對多維數(shù)組元素的存儲方式不同。而在本項目開發(fā)過程中回避了這個復(fù)雜的過程，轉(zhuǎn)而利用Matlab強大的數(shù)組處理功能將其解決。Matlab完善的圖形處理功能是其被科研人員所推崇的原因之一，但因其圖形擁有獨立的窗口，嚴重影響了整體界面美觀和用戶交互體驗，所以Matlab圖形嵌入是混合編程中不可回避的問題。對此將通過實例介紹兩種圖形嵌入方法并分析說明其優(yōu)缺點和相關(guān)細節(jié)。

本文示例均在Matlab R2008a和VC 6.0平臺下完成，且通過調(diào)試能夠正常運行。

1 Excel文件讀取方法

VC平臺下的Excel文件讀取方式復(fù)雜難懂，但如果使用Matlab與VC的混合編程方式編寫將更加簡便，而且擁有較強的可擴展性。下面代碼詳細講解了該過程。

(1)在Matlab平臺下建立CExcelRead.m文件，代碼如下：

function [output，row，col] = CExcelRead(filePath)

//filePath包含了指定文件的路徑和文件名，由VC平臺函數(shù)GetPathName()獲取

[typ, desc] = xlsfinfo(filePath);

//xlsfinfo()可獲取指定Excel文件中各個sheet工作區(qū)的名稱，返回值存入名為desc的cell數(shù)組中

sheet1 = cell2mat(desc(1));

//默認打開”sheet1”(名稱任意)，并將其轉(zhuǎn)換為字符串

output = xlsread(filePath,sheet1);

//返回該Excel文件中的數(shù)據(jù),返回值存入output數(shù)組中

[row,col] = size(output);

//獲取錄入數(shù)據(jù)的行列值，返回到VC平臺以供其拷貝指定內(nèi)存大小的數(shù)據(jù)

output = reshape(output,row*col,1);

//將該二維數(shù)組轉(zhuǎn)換為一維。這是第二部分二維數(shù)組處理的第一步

保存文件后，使用deploytool工具將其制作成名為FileOpen的COM(封裝MCR)，注冊該控件并將相應(yīng)的文件拷貝到MFC的工程中，對于基礎(chǔ)操作此處不再贅述。

(2)在VC平臺下創(chuàng)建名為PCA的基于對話框的MFC工程,添加一打開文件的按鈕控件,ID為ID_FILE_OPEN。篇幅所限只給出部分核心代碼，首先在Dlg類中添加3個私有成員變量用以保存Matlab讀取的數(shù)據(jù)及行列值，即:

double *m_originData; long m_row, m_col;

在響應(yīng)函數(shù)中添加如下代碼

CFileDialog fileDlg(TRUE);

fileDlg.m_ofn.lpstrTitle=請選擇你的excel數(shù)據(jù);

fileDlg.m_ofn.lpstrFilter=Text Files(*.xls)*.xlsAll Files(*.*)*.*;

if(IDOK==fileDlg.DoModal() {

CString fileName; IFileOpenclass *pfile;

VARIANT filePath,output,rowOutput,colOutput;

//m文件的輸入?yún)?shù)

fileName = fileDlg.GetPathName();

//獲取文件路徑并存于fileName中

CoInitialize(NULL); //COM初始化

HRESULT hr = CoCreateInstance(CLSID_FileOpenclass,NULL,CLSCTX_ALL,IID_IFileOpenclass,(void**)pfile);

//新建COM實例

VariantInit(filePath); //VARIANT數(shù)據(jù)初始化

filePath.vt = VT_BSTR; //指定filePath變量類型

//將fileName中保存的指定文件路徑名保存至filePath參數(shù)中

filePath.bstrVal = fileName.AllocSysString();

pfile->CExcelRead(3,output,rowOutput, colOutput,filePath);

m_row=(long) rowOutput.dblVal;

//取出行列值及錄入數(shù)據(jù)

m_col = (long) colOutput.dblVal;

m_originData = (double *)malloc(sizeof(double)*m_row*m_

col); memcpy(m_originData,output.parray->pvData,m_row*m_

col*sizeof(double));

//將matlab讀入數(shù)據(jù)保存到m_originData供后面程序使用

}

上述C++代碼中省略了異常處理和相關(guān)的內(nèi)存、COM釋放代碼，由于代碼比較簡單所以不做進一步解析。請注意，下面將省略COM初始化及實例化等相同代碼。

(3) 需要重點說明的是該方法的擴展性。通常Excel文件中保存多個工作區(qū)，有時用戶可能需要打開同一Excel文件中不同工作區(qū)中的數(shù)據(jù)，常規(guī)方法實現(xiàn)過于復(fù)雜，但對于本文介紹的方法可以通過修改添加幾條語句即可實現(xiàn)。首先，新建一個m文件用來處理工作區(qū)的選擇，代碼如下:

function [sheet,col] = CSheetSelected(filePath)

[typ, sheet] = xlsfinfo(filePath);

[row,col] = size(sheet);

由于返回值是一個cell數(shù)組，所以VC平臺要使用CStringArray數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存返回值，并顯示各工作區(qū)名稱供用戶選擇。然后，通過人機交互將用戶選擇的工作區(qū)參數(shù)保存并傳遞至CExcelRead.m，通過在CExcelRead.m增加一個工作區(qū)選擇參數(shù)，并對代碼稍作修改即可。

2 二維數(shù)組參數(shù)的傳遞與輸出[2]

下面以主成分分析為例介紹基于COM的Matlab與VC混合編程中二維數(shù)組參數(shù)處理。

(1) 主成分分析pcamat.m代碼如下:

function [eigenvector,eigenvalue] = pcamat(oriData,row,column)

//在Excel讀入時已經(jīng)完成了二維數(shù)組輸出的關(guān)鍵步驟，即輸出時將二維數(shù)組轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組。但在VC平臺接收還原為二維時要注意，Matlab數(shù)組存儲方式是按列存儲，而VC平臺下數(shù)組是按行存儲，所以轉(zhuǎn)換時0~row-1為第一列，row~2*row-1為第二列，以此類推。本文輸入?yún)?shù)oriData是一維數(shù)組，所以要將其還原為二維數(shù)組使Matlab程序能夠正常運行，即下一行代碼所示。

oriData = reshape(oriData,row,column);

dataSTD=std(oriData,0,1); dataMean = mean(oriData);

dataSR = (oriData-dataMean(ones(row,1),:))./dataSTD(ones(row,1),:);

[eigenvector,newdata,eigenvalue,Exa]=princomp(dataSR);

//第三行至此處均為主成分分析內(nèi)容

eigenvector = reshape(eigenvector,column*column,1);

//與Excel文件讀取時類似，將二維輸出轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組進行輸出

(2) 保存后，封裝打包為COM組件，并完成注冊等相關(guān)操作。在PCA工程對話框上添加一個名為PCATest的按鈕控件，核心代碼如下:

VARIANT oriData,row,column,eigVector,eigValue;

VariantInit(oriData); //參數(shù)初始化

oriData.vt = VT_R8|VT_ARRAY;

//定義SAFEARRAY類型的一維數(shù)組

SAFEARRAYBOUND rgsadound[1];

rgsadound[0].lLbound = 0;

rgsadound[0].cElements = m_row*m_col;

oriData.parray = SafeArrayCreate(VT_R8,1,rgsadound);

oriData.parray->pvData = m_originData;

//完成相關(guān)設(shè)置后，將第一步讀入的數(shù)據(jù)錄入到oriData中，即賦給pcamat的oriData。到此完成了二維數(shù)組的傳遞

row.vt = VT_I4; col.vt = VT_I4;

row.lVal = m_row; col.lVal = m_col;

pca->pcamat(2,eigVector,eigValue,oriData,row,col);

memcpy(result, eigVector.parray->pvData,m_col*m_col*

sizeof(double));

綜上，二維數(shù)組參數(shù)處理就是使用reshape()函數(shù)對輸入輸出數(shù)據(jù)維數(shù)進行變換來完成操作。

3 Matlab圖像嵌入VC界面[3]

3.1 基于CWnd類的圖像嵌入

在Windows操作系統(tǒng)下，所有應(yīng)用程序的窗口都是基于MFC中的CWnd類。所以可以通過調(diào)用該類或其派生類中的方法實現(xiàn)圖像嵌入。基本思想：在Matlab平臺下用COM封裝產(chǎn)生圖形窗口的程序;在VC平臺獲取Figure窗口的句柄，將Figure窗口設(shè)為VC程序的子窗口;(3)將Figure窗口移動到指定顯示位置。

程序?qū)崿F(xiàn)如下:

(1)將原pcamat.m進行修改,添加生成圖像的相關(guān)代碼

function [eigenvector,eigenvalue] = pcamat(oriData,row,column,picName)

//增加picName參數(shù)，VC平臺下hFig將通過該名稱獲取生成圖像的句柄

figure(NumberTitle,Off,MenuBar,None,ToolBar,Figure,Name,picName,Units,Points);

//圖像參數(shù)預(yù)設(shè)，保留工具欄。使用Matlab提供的工具欄的所有功能是使用該方法的最大優(yōu)點

percent = 100*eigenvalue /sum(eigenvalue);

//計算貢獻率

pareto(percent); //畫圖

xlabel(主成分);

ylabel(方差占的比重(%));

(2)封裝打包成名為figure的COM組件，并完成注冊等相關(guān)操作。因為修改后的m文件運行結(jié)果包含輸出結(jié)果和圖像兩部分，所以下面有關(guān)圖像處理的代碼依然在PCATest控件的響應(yīng)函數(shù)中。

CString WNDName = Demo; //自定義窗口名稱

Ifigureclass *pic;

VARIANT oriData, row, col, picName,eigVector, eigValue; VariantInit(picName);

……

picName.vt = VT_BSTR; //將自定義窗口名稱賦予

Matlab生成圖像

picName.bstrVal = WNDName.AllocSysString();

HWND hFig; int timer = 50;

//用死循環(huán)確保可以獲取到圖像句柄，注意此處必須使用sleep(),給予系統(tǒng)足夠的響應(yīng)時間

while(1){

pic->pcamat(2,eigVector,eigValue,oriData,row,col,

picName);

Sleep(timer);

hFig = ::FindWindow(NULL,FigName);

if(hFig != NULL){

break;

}

timer += 10;

pic->Release();

}

long lStyle = ::GetWindowLong(hFig,GWL_STYLE); //設(shè)置Figure窗口樣式。

//注意SetWindowLong()和SetWindowPos()先后順序，詳見MSDN

::SetWindowLong(hFig,GWL_STYLE,lStyle(~WS_CAPTION)(~WS_THICKFRAME))

::SetWindowPos(hFig,NULL,0,0,0,0,SWP_NOMOVE|SWP_

NOSIZE|SWP_NOZORDER|SWP_NOACTIVATE|SWP_

FRAMECHANGED);CRect PlotRec;

CWnd *PlotArea = GetDlgItem(IDC_STATIC_FIGURE); //設(shè)置圖像顯示區(qū)域

PlotArea->GetWindowRect(PlotRec);

long Width = PlotRec.right - PlotRec.left;

long Height = PlotRec.bottom - PlotRec.top;

::SetParent(hFig,PlotArea->GetSafeHwnd());

//設(shè)置圖像的父窗口

::SetWindowPos(hFig,NULL,0,0,Width,Height,SWP_NOZORDER|SWP_NOACTIVATE);

該方法的缺點是，在圖像生成時會有閃爍現(xiàn)象。而優(yōu)點是前面提到的可以繼續(xù)使用Matlab提供的工具欄。鑒于該缺點影響整體美觀，所以引入下面第二種方法。

3.2基于Bitmap類的圖像嵌入

通過Bitmap類將Matlab生成的.bmp文件加載到VC工程中，使用Bitmap類中的成員函數(shù)對圖像進行處理。由于相關(guān)函數(shù)可以通過幫助手冊獲取,所以此處不再給出相應(yīng)代碼，運行結(jié)果如圖2所示。該方法避免了方法一生成圖像時的閃爍現(xiàn)象,但是BMP圖像顯示效果較差而且無法使用Matlab提供的工具菜單,這是其不足之處。

使用COM組件進行混合編程時，往往習慣于在VC平臺下思考所遇到的問題，但是這樣不僅使得問題可能變得復(fù)雜化，或得不到妥善解決，而且也違背了“混合”的初衷。二維數(shù)組參數(shù)處理就是一個很好的例證。其次，充分利用Matlab特性可以使得程序具備良好的擴展性和穩(wěn)定性，對Excel文件讀取方式進行的擴展，明顯使軟件更加人性化。對于圖像嵌入問題，雖然文中提出的兩種嵌入方式可以滿足基本需求，但是仍然存在一些瑕疵，還需要進一步研究。