python與matlab混編

xinet發表於2018-06-11
PythonMatlab

用於 Python 的 MATLAB 引擎 API 快速入門

安裝用於 Python 的 MATLAB 引擎 API

Matlab的官方文件中介紹了 Matlab 與其餘程式語言之間的引擎介面，其中包括對於 Python 開放的引擎 API，可參考官方教程，其中包括引擎安裝，基本使用，以及Python與Matlab之間的資料型別轉換及互動。

  • 在 Windows 系統中：(可能需要管理員許可權執行)

    cd "matlabrootexternenginespython"
python setup.py install

  • 在 Mac 或 Linux 系統中：

    cd "matlabroot/extern/engines/python"
python setup.py install

基礎用法

下面介紹陣列的基本使用，其基本使用方法與 numpy 類似，但是 reshape() 函式略有不同，

import matlab
int_8 = matlab.int8([1, 2, 3, 4, 5, 6])
print(int_8)    # [[1, 2, 3, 4, 5, 6]]
print(int_8.size)   # (1, 6)
int_8.reshape((2, 3))   # reshape function is different from numpy
print(int_8)    # [[1, 3, 5], [2, 4, 6]]

double = matlab.double([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
print(double)   # [[1.0, 2.0, 3.0], [4.0, 5.0, 6.0]]
print(double[0])    # [1.0, 2.0, 3.0]
print(double[1][2]) # 6.0

對於陣列的切片，Matlab 的 array 與 Python 的 list 也有所不同，官網給出的解釋在於，Matlab 陣列切片返回的是一個檢視，而不是像 Python 中返回一個淺拷貝。

# Slice array
py = [[1, 2, 3], [4, 5, 6]]
mt = matlab.int32([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
py[0] = py[0][::-1]
mt[0] = mt[0][::-1]
# Slicing a Matlab array returns a view instead of a shallow copy
print(py)   # [[3, 2, 1], [4, 5, 6]]
print(mt)   # [[3, 2, 3], [4, 5, 6]]

Python的擴充套件介面 中介紹：
Python 還可以通過引擎完成對 Matlab 的一些基本操作與控制。以下程式碼需要在終端執行：

import matlab.engine

eng = matlab.engine.start_matlab()

print(eng.sqrt(4.))     # 2.0
eng.plot(matlab.int32([1, 2, 3, 4]), matlab.int32([1, 2, 3, 4]))

eng.eval("hold on", nargout=0)
eng.eval("plot([4, 3, 2, 1], [1, 2, 3, 4])", nargout=0)

eng.eval("x = 3", nargout=0)
eng.eval("y = 41", nargout=0)
eng.eval("z = [213, 123]", nargout=0)
print(eng.workspace)
print(eng.workspace[`x`], eng.workspace[`z`])
"""
  Name      Size            Bytes  Class     Attributes

  x         1x1                 8  double
  y         1x1                 8  double
  z         1x2                16  double

3.0 [[213.0,123.0]]
"""

input("Press Enter to exit.")
eng.quit()

Python-Matlab呼叫（call） m 檔案

定義入口函式 callentry，接收兩個引數，隨後對兩個引數分別在內部進行加和乘操作，再呼叫外部另一個 m 檔案的 callsub 函式進行相減操作，將返回的結果儲存在陣列r中返回。

  • callentry.m 程式碼：

function [x, y, z] = callentry(a, b);
x = add(a, b)
y = mul(a, b)
z = callsub(a, b)
end

function l = mul(m, n);
l=m*n;
end

function l = add(m, n);
l=m+n;
end
  • callsub.m 程式碼

function r = callsub(a, b);
r = a-b;
end

在 Python 中，執行如下程式碼

import matlab.engine
eng = matlab.engine.start_matlab()
print(eng.callentry(7.7, 2.1, nargout=3))
eng.quit()

Note: 值得注意的是，此處需要設定 nargout 引數，當未設定時預設為 1，即預設只返回 1 個引數，當知道 Matlab 返回引數的數量時，通過nargout 進行設定來獲取所有需要的引數。無引數返回時請設為 0。
在第一次執行生成例項時會較慢，因為需要啟動 Matlab 引擎，最終得到輸出如下，可以看到，Matlab 的 console 介面顯示的結果在 Python 中也會輸出，最後得到的結果是列表形式的 Python 資料。

x =  
    9.8000  
  
y =  
   16.1700  
  
z =  
    5.6000  
  
r =  
    9.8000   16.1700    5.6000  
  
(9.8, 16.17, 5.6)

資料：Python與Matlab混合程式設計

MATLAB 中 呼叫 Python

只要正確安裝對應的 matlab 和 python，一般就可以使用了（不需要手動設定路徑）。
matlab 官方教程：從 MATLAB 呼叫 Python

相關資料：NumPy for MATLAB users

matlab 把所有引數輸出到一個檔案裡，然後用 system 命令調 python 指令碼。python 指令碼讀檔案做計算結果再寫檔案。最後 matlab 再讀檔案得到結果。假設 python 指令碼的用法是：

python xxx.py in.txt out.txt

則 matlab 呼叫的命令：

[status, cmdout] = system(`python xxx.py in.txt out.txt`)

Matlab 的 system 函式用來向作業系統傳送一條指令，並得到控制檯的輸出，可以直接將控制檯的輸出在 Command Window 列印出來，或者儲存在變數中。 與 system 類似的還有 dos 函式和 unix 函式，我覺得它們都是對 system 函式的一種包裝，而 Matlab 的 system 函式也許是對 C 的庫函式system 的包裝。

先編寫一個呼叫 Python 指令碼的 matlab 程式即 python.m


function [result status] = python(varargin)  
% call python  
%命令字串  
cmdString=`python`;  
for i = 1:nargin  
    thisArg = varargin{i};  
    if isempty(thisArg) | ~ischar(thisArg)  
        error([`All input arguments must be valid strings.`]);  
    elseif exist(thisArg)==2  
        %這是一個在Matlab路徑中的可用的檔案  
        if isempty(dir(thisArg))  
            %得到完整路徑  
            thisArg = which(thisArg);  
        end  
    elseif i==1  
        % 第一個引數是Python檔案 - 必須是一個可用的檔案  
        error([`Unable to find Python file: `, thisArg]);  
    end  
    % 如果thisArg中有空格，就用雙引號把它括起來  
    if any(thisArg == ` `)  
          thisArg = [`"``"`, thisArg, `"`];  
    end  
    % 將thisArg加在cmdString後面  
    cmdString = [cmdString, ` `, thisArg]  
end  
%傳送命令  
[status,result]=system(cmdString);  
end

就可以用這個函式呼叫 python 指令碼了。 下面就來個呼叫 python 指令碼 matlab_readlines.py (儲存在 matlab 當前目錄)的例子：

import sys  
def readLines(fname):  
    try:  
        f=open(fname,`r`)  
        li=f.read().splitlines()  
        cell=`{`+repr(li)[1:-1]+`}`  
        f.close()  
        print cell  
    except IOError:  
        print "Can`t open file "+fname  
if `__main__`==__name__:  
    if len(sys.argv)<2:  
        print `No file specified.`  
        sys.exit()  
    else:  
        readLines(sys.argv[1])

這個指令碼用來讀取一個文字檔案，並生成 Matlab 風格的 cell 陣列的定義字串，每個單元為文字的一行。 放了一個測試用的文字檔案 test.txt 在Matlab 的 Current Directory 中，內容如下：

This is test.txt 
It can help you test python.m 
and matlab_readlines.py

測試：

在 Matlab 的 Command Window 中輸入：

str = python(`matlab_readlines.py`,`test.txt`); 
eval([`c = ` str]) 
celldisp(c)

探尋有趣之事！


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