VC_与Matlab混合编程实现光场光强的三维显示

Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术 Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.8, No.8, March 2012.

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VC++与 Matlab 混合编程实现光场光强的三维显示

杨入超

（铜陵学院 电气工程系，安徽 铜陵 244000）

摘要：基于VC++开发环境和Matlab 引擎函数，实现了激光衍射光场光强的三维动态显示。给出了实现过程和实验结果并进行了讨 论。 关键词：VC++；Matlab；引擎函数库；三维显示；衍射 中图分类号：TP391

文献标识码：B 文章编号：1009-3044(2012)08-1906-03

The Realization of Three Dimension Display of Optical Field by Mixed Programming of VC++ and Matlab YANG Ru-chao

(School of Electrical Engineering, Tongling College, Tongling 244000, China)

Abstract: Three dimension dynamic display of laser diffraction light intensity is realized by the method based on the development environ⁃ ment of VC++ and engine functions of Matlab in the paper. The realization steps and the result are presented and the result is discussed. Key words: VC++; Matlab; engine functions library; three dimension display; diffraction

科研与工程实际中常常需要实时测量光场的光强分布规律，目前市场上尚无这方面的测量设备，本文结合实验室已有的设备 进行了进一步开发，开发中采用了面阵CCD 技术以及VC++与Matlab 混合编程技术。

1 MATLAB 与VC++应用程序接口

1.1 MATLAB 与VC++应用程序接口

MATLAB 与Visual C++之间有4 种常见的接口：

1) 在Visual C++程序中利用MATLAB 引擎来调用MATLAB 函数； 2) 将MATLAB 程序编译成MEX 文件，与VC 程序进行链接； 3) Visual C++程序直接利用MATLAB 数学库调用MAILAB 函数； 4) 将MATLAB 下的.m 文件转换成VC 可调用动态链接库（DLL）。 方法1)、2)生成的程序需要在安装了Matlab 软件的系统中运行，而由方法3)、4)生成的程序可以脱离Matlab 环境。 本文采用的是方法 1），即 Visual C++调用 MATLAB engine。MATLAB engine 是一组函数，通过调用这组函数，用户可以在程序 中实现对MATLAB 的控制，完成计算或者绘制图形的任务，此时MATLAB 软件就相当于一个计算引擎。 1.2 MATLAB 引擎程序建立

下面介绍如何在C/C++中调用Matlab Engine

1) 在工程中加入Matlab Engine 的头文件路径和库文件路径

在菜单中选择 Tools-> Options-> Directories, 添加 engine.h 所在的路径，在笔者的计算机上路径是 D:\\MATLAB6p5\\extern\\in⁃ clude。类似的，在这个对话框的“Show directories for:”下拉菜单中选择 Library Files, 然后添加库文件的路径，路径是 D:\\MAT⁃ LAB6p5\\extern\\lib\\win32\\microsoft\\msvc60。

2) 接下来设定工程属性，在菜单中选择 Project-> Settings-> Link, 在 Object/Library Modules 中加入库文件链接 libmx.lib, libmex. lib, libeng.lib。

程序执行时后台会启动一个 Matlab 进程，这是与 Client 通信的 Server 端，如果希望隐藏这个窗口，需要在代码中加入这样一句：engSetVisible(ep, 0); 1.3 MATLAB 引擎函数

在 Matlab 引擎函数库中,共提供了 13 个 C 语言引擎函数。这些引擎函数在头文件 engine.h 中进行了声明。下面是 6 个常用引擎 函数：

1) engOpen:启动Matlab 引擎； 2) engClose 关闭Matlab 引擎；

收稿日期：2012-02-08 作者简介：杨入超(1981-)，男，安徽和县人，铜陵学院电气系讲师

3) engGetVariable:从Matlab 工作空间中获取一个变量； 4) engEvalString:执行一个用字符串表示的Matlab 表达式； 5) engOutputBuffer:确定存放Matlab 输出结果缓冲区域；

6) engPutVariable:将mxArray 结构体类型变量输送到Matlab 工作空间中，并命名mxArray 结构体类型变量。

2 三维显示程序的创建

该研究的应用背景立足于激光衍射光场光强的三维图像信息的抽取，需要进行三维图像的显示和数字滤波的实现。在 Matlab的运行环境下，三维图象的显示只需要一个函数 mesh()就可以实现。假设图象数据存放在iTemp 二维数组中，VC 与Matlab 间的数据交换是通过 Matlab 引擎进行的。Matlab 提供一种专门的对象类型数组 mxArray 完成数据传递的任务。这里注意的是 Matlab 的数据是按列存储的。部分程序如下：

int i, j ;

double iTemp[300][740]; double array[740*300]; Engine *ep;

mxArray *T = NULL;

// 将二维数组iTemp 的数据存储到一维数组array 中 for(i=0; i<300; i++) for(j=0; j<740; j++)

array[j+i*740] = iTemp[i][j];

// 开始启动matlab 引擎 if (!(ep = engOpen(NULL))) {

MessageBox ((HWND)NULL, (LPSTR)\"Can't start MA TLAB engine\(LPSTR) \"VC_MATLAB\ MB_OK);

exit(-1); }

//矩阵的构造与赋值

T = mxCreateDoubleMatrix(740, 300, mxREAL);

memcpy((char *) mxGetPr(T), (char *) array, 740*300*sizeof(double)); //将变量T 输入到matlab 工作空间 engPutVariable(ep, \"T\

//通过matlab 引擎库的库函数engEvalString()调用内建的绘图函数 engEvalString(ep, \"mesh(T.’);\"); //关闭matlab 引擎 engClose(ep);

//析构结构体变量T mxDestroyArray(T);

3 实验结果与讨论

实验装置见图 1，选用交流电子稳压电源，可以提高激光器的稳定性。用偏振光减光器来调节激光光强，以便于 CCD 器件的采集。为了得到较好质量的三维光强分布曲线，可以在单缝与激光器之间放入一个小孔光阑限制激光束的大小。实验在暗环境中进行。光屏与单缝之间的距离尽可能的满足远场条件，缝宽在0.05~0.1mm 时，Z>1m 即可，这样就可以得到近似的夫琅和费衍射。

图1 测量装置示意图

上述三维显示程序是整个系统软件的一个部分，我们采用 CCD 摄像头对单缝衍射光场进行采集，再通过调用三维显示程序，就可以很形象的显示出三维光强分布，如图 2，Z 轴表示衍射光场光强的灰度值大小，X 轴和 Y 轴表示衍射光场的列数与行数。通过工具栏上的旋转按钮可以进行任何视点角度的观察。调用三维显示程序，能更准确，快速，方便的定量描述光的衍射。

从图 2 可以得知，当 x=0 时，光强为中央主极大值，光强最强，说明绝大部分的光能都落在中央明纹上，暗条纹是以中央明纹为对称轴的左右对称分布的，中央明纹两侧的亮纹强度逐次减弱，除了一级亮纹和二级亮纹之外，其他级次的亮纹都不明显，近似为 0。

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4 小结

图2 激光衍射光强三维图

混合编程是综合使用多种开发工具技术优势的一种常用手段，本文通过对 VC++和 Matlab 的集成开发，实现了对二维衍射光场 光强的三维效果显示。Matlab 具有强大的信号处理函数库能实现信号生成、信号重抽样、各种积分变换等，对衍射光场光强的数据 的进一步处理提供了极大的方便。

参考文献：

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（上接第1905页）

以把各个独立的功能模块实现为一个个插件，并能根据不同地方的用户的不同需求，在主框架中加载不同的功能模块，以实现整个 系统的功能集中，体现出系统的整体性。

6 总结

利用 Qt Embedded 作为测控装置的人机界面的图形开发工具包，通过对各个功能模块的细化，可以让系统设计更合理，模块结 构更独立，容易进行软件维护和代码二次开发，基于 Qt 插件方式应用程序框架设计的各个模块可以进行自由修改和替换，极大提高 了系统的可定制性。界面程序开发与使用以前的一些开发工具包比较起来，界面更美观，开发更快速。由于基于 Qt 应用程序开发 比较简单并且提供了大量的 API 函数库，对开发人员的要求比较低。通过 QVFB(Qt Virtual Framebuffer)，开发人员在研发初期可以 在 PC 机上进行人机界面的开发和模拟调试，然后再移植到真正的装置上进行测试，大大的提高了开发效率。由于 Qt Embedded 优 秀的系统架构设计和理念，笔者相信会有越来越多的装置采用Qt Embedded 进行实现。

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