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Universität Bielefeld

AngewandteInformatik

MATLAB in Action

Marc HanheideAngewandte Informatik


Februar 2003

MATLAB starten

Dokumentation & Hilfe

The Art of Programming

Effizienz

OCTAVE

Fazit


AngewandteInformatik Anwendungsbereiche

Auszug aus der Werbung• Technical Computing

• Data analysis and exploration

• Visualization and image processing

• Algorithm prototyping and development

• Modeling and simulation

• Programming and application development

"Für die Belange von Ingenieuren und Wissenschaftlern bietet MATLABden größten Funktionsumfang und ist das höchst entwickelte Programmseiner Klasse." IEEE Spectrum magazine

Marc Hanheide ↖ ⇐ ▲ ▼ ⇒ ↗ 1


AngewandteInformatik Was ist MATLAB?

• eigene Programmiersprache (Interpreter)

• Funktionsbibliothek (basierend auf LAPACK)

• Entwicklungsumgebung

• Compiler (MATLAB→ C/C++ )

• mächtiges Visualisierungstool (Plots & Bilder)

• GUI-Entwicklungsumgebung



AngewandteInformatik MATLAB in der TechFak

• Installiert unter /vol/matlab (Workstations: OSF, IRIX, Solaris)

• für Workstations: rcinfo matlab verfügbar

• in .rcrc oder andere Shell-Konfigurationsdatei bei RCINFO_ILIST denEintrag matlab hinzufügen

• Aufruf durch matlab [-nojvm]

• 35 Lizenzen verfügbar

• Toolboxes “image processing” & “statistics”



AngewandteInformatik MATLAB in der TechFak

• Installiert unter /vol/matlab (Workstations: OSF, IRIX, Solaris)

• für Workstations: rcinfo matlab verfügbar

• in .rcrc oder andere Shell-Konfigurationsdatei bei RCINFO_ILIST denEintrag matlab hinzufügen

• Aufruf durch matlab [-nojvm]

• 35 Lizenzen verfügbar

• Toolboxes “image processing” & “statistics”

• Toolbox “image processing” aber natürlich nicht verwenden. . .



AngewandteInformatik MATLAB starten

Usage: matlab [-h|-help] [...] [-nosplash] [-mwvisual visualid] [-debug][-nodesktop | -nojvm] [-runtime] [-check_malloc][-r MATLAB_command] [-logfile log][-Ddebugger [options]]

-nosplash - Do not display the splash screen during startup.-debug - Provide debugging information especially for X

based problems.-nodesktop - Do not start the MATLAB desktop. Use the current

terminal for commands. The Java virtual machinewill be started.

-nojvm - Shut off all Java support by not starting theJava virtual machine. In particular the MATLABdesktop will not be started.

-runtime - Start MATLAB in Runtime Server mode. Required onlyif MATLAB is run from the Runtime Development Kit.

-check_malloc - Turn on MATLAB memory integrity checking.-r MATLAB_command - Start MATLAB and execute the MATLAB_command.-logfile log - Make a copy of any output to the command window

in file log. This includes all crash reports.



AngewandteInformatik MATLAB-Major-Mode für emacs

MATLAB-IDE ist aus Performanzgründen oft ein schlechte Wahl, daher. . .• matlab-mode für emacs statt MATLAB-IDE• matlab-mode unterstützt nahezu alle Features der integrierten IDE• installiert unter /vol/matlab/share/lisp• Konfiguration in ~/.emacs

(siehe auch /vol/matlab/share/lisp/EMACS-MATLAB-HOWTO ):

(setq load-path (append (parse-colon-path "/vol/matlab/share/lisp") load-path))(autoload ’matlab-mode "matlab" "Enter Matlab mode." t)(setq auto-mode-alist (cons ’("\\.m\\’" . matlab-mode) auto-mode-alist))(autoload ’matlab-shell "matlab" "Interactive Matlab mode." t)(setq matlab-shell-command-switches "-nojvm -nosplash")(setq matlab-indent-function t) ; if you want function bodies indented(setq matlab-verify-on-save-flag nil) ; turn off auto-verify on save(defun my-matlab-mode-hook () (setq fill-column 76))(add-hook ’matlab-mode-hook ’my-matlab-mode-hook)(defun my-matlab-shell-mode-hook () ’())(add-hook ’matlab-shell-mode-hook ’my-matlab-shell-mode-hook)

• Bitte MATLAB nur durch matlab -nojvm oder durch den emacsstarten lassen



AngewandteInformatik Hilfe & Unterstützung

• MATLAB-Dokumentation (Kommando helpdesk am MATLAB-Prompt)

• Handbücher

• lokale HOWTOs / FAQs (/vol/matlab/share/HOWTO )

• WWW: http://www.mathworks.com

• command help ... am MATLAB-Prompt



AngewandteInformatik Hilfe & Unterstützung

• MATLAB-Dokumentation (Kommando helpdesk am MATLAB-Prompt)

• Handbücher

• lokale HOWTOs / FAQs (/vol/matlab/share/HOWTO )

• WWW: http://www.mathworks.com

• command help ... am MATLAB-Prompt

• Jemanden fragen, der sich mit sowas auskennt



AngewandteInformatik The Art of programming MATLAB I

Mischung aus imperativ/funktional (und sogar objektorientiert)





In MatLab...

you have to know...

...what a MATRIX is

• Matrizen sind von herausragenderBedeutung (Alles ist eine Matrix)





In MatLab...

you have to know...

...what a MATRIX is


• komfortable Zugriffsmöglichkeiten aufMatrixelemente mit (: ) und ([...] )-Operatoren





In MatLab...

you have to know...

...what a MATRIX is


• komfortable Zugriffsmöglichkeiten aufMatrixelemente mit (: ) und ([...] )-Operatoren

• Das Semikolon (; ) ist kein Trennzeichenwie in C, sondern unterdrückt die Anzeigedes Operationsergebnisses



AngewandteInformatik The Art of programming MATLAB II

Eigenschaften des Speichermanagements:• automatische Allokierung von Speicherbereichen• implizite Expandierung von Arrays• explizites Freigeben von Variablen mittels clear• implizites Typing• Variablen in Funktionen sind standardmäßig lokal→ persistent , global

• Speichern und Laden des Workspaces möglich



AngewandteInformatik The Art of programming MATLAB II

Eigenschaften des Speichermanagements:• automatische Allokierung von Speicherbereichen• implizite Expandierung von Arrays• explizites Freigeben von Variablen mittels clear• implizites Typing• Variablen in Funktionen sind standardmäßig lokal→ persistent , global

• Speichern und Laden des Workspaces möglich

Einige wichtige Typen in MATLAB:• Arrays/Matrizen ([...] ): enthalten Variablen gleichen Typs• Sparse-Matrizen ([...] ): analog zur Mathematik, gespeichert werden

nur Elemente, die ungleich Null sind ⇒ speichereffizient• Struct (A.B ): analog zu C/C++• Cellarrays ({...} ): Mengen von Variablen verschiedenen Typs• Anzeigen des Workspaces mittels whos möglich



AngewandteInformatik The Art of programming MATLAB III

%%%%%%%%%%% IF %%%%%%%%%%%if (strcmp(A,B));

fprintf(’sind gleich!’);else

fprintf(’sind NICHT gleich!’);end;

%%%%%%%%%%% FOR %%%%%%%%%%%j=1;for i=0:0.05:2*pi;

val(j)=sin(i);j=j+1;

end;

%%%%%%%%%%% WHILE %%%%%%%%%%%while (j>0);

fprintf(’Dies ist j: %3d’,j);j=j-1;

end;

Imperative Kontrollstrukturen

• angelehnt an bekannte imperativeProgrammiersprachen (C/C++ ,Java )

• for -Loop mit Bereichsangabe

• Boole’sche Konditionen ww = 0→falsew 6= 0→true

• Kommentare mit %



AngewandteInformatik The Art of programming MATLAB IV

% Funktion mit 2 Eingabe-% und keinem Ausgabeargument

function F1(arg1, arg2);

% Funktion mit 1 Eingabe-% und 1 Ausgabeargument

function res=F2(arg1);res=2*arg1

Funktionsdefintion

• pro Datei (üblicherweise) nur eineFunktion

• Eine Funktion beginnt immer mitdem Schlüsselwort function



AngewandteInformatik The Art of programming MATLAB IV

% Funktion mit 2 Eingabe-% und keinem Ausgabeargument

function F1(arg1, arg2);

% Funktion mit 1 Eingabe-% und 1 Ausgabeargument

function res=F2(arg1);res=2*arg1

% Funktion mit 2 Eingabe-% und 2 Ausgabeargumenten% Das 2. Eingabeargument ist opt.

function [res1,res2]=F3(a1, a2);% Hier steht die Doku% der Funktionif (nargin>2);

res1=a2;else

res1=0;res2=a1;

Funktionsdefintion

• pro Datei (üblicherweise) nur eineFunktion

• Eine Funktion beginnt immer mitdem Schlüsselwort function

• Die Anzahl der übergebenen bzw.erwarteten Argumente steht innargin bzw. nargout

• Der erste Kommentarblock einerDatei wird als Dokumentationverwendet (help ... )



AngewandteInformatik Effizienz

% Eine (naive) Funktion zum Skalieren% eines Bildesfunction res = scale_naive(img, factor)

w = factor*size(img, 1);h = factor*size(img, 2);for row = 1:w

for col = 1:hr = ceil(row / factor);c = ceil(col / factor);res(row,col) = img(r,c);

endend

• Schleifen sind Gift fürdie Geschwindigkeit vonMATLAB

⇒ Schleifen vermeiden!







endend

% Eine (coole) Funktion zum Skalieren% eines Bildesfunction res = scale_cool(img, factor)

w = size(img, 1);h = size(img, 2);step = 1/double(factor);res = img(round(1:step:w),...

round(1:step:h));



• Schleifen sind sehr oft durchelegante Matrixoperationenzu umgehen







endend

% Eine (coole) Funktion zum Skalieren% eines Bildesfunction res = scale_cool(img, factor)

w = size(img, 1);h = size(img, 2);step = 1/double(factor);res = img(round(1:step:w),...

round(1:step:h));



• Schleifen sind sehr oft durchelegante Matrixoperationenzu umgehen

• Eine sehr mächtige Funktionist find : Ermittelt alleElemente, die bestimmterBedingung genügen



AngewandteInformatik Matrix-Operationen

% eine 6x4-NullmatrixA=zeros(6,4);

% eine 4x4-Zufallsmatrix (Werte von 0-1)B=rand(4,4);

% Größe einer Matrix ermitteln[sz_r,sz_c]=size(C);

% (elementweise) Matrix-AdditionR=A(1:4,:)+B;

% mathematische Matrix-MultiplikationR=A*B;

% elementweise Matrix-MultiplikationR=A(1:4,:).*B;

% elementweises PotenzierenR=A.^2;

% elementweises RadizierenR=sqrt(A);

• Die Größe einer Matrix lässtsich mittel size ermitteln.

• Fast alle mathematischenFunktionen sind fürMatrizen definiert undwerden elementweiseangewendet.



AngewandteInformatik Matrix-Operationen

% eine 6x4-NullmatrixA=zeros(6,4);

% eine 4x4-Zufallsmatrix (Werte von 0-1)B=rand(4,4);

% Größe einer Matrix ermitteln[sz_r,sz_c]=size(C);

% (elementweise) Matrix-AdditionR=A(1:4,:)+B;

% mathematische Matrix-MultiplikationR=A*B;

% elementweise Matrix-MultiplikationR=A(1:4,:).*B;

% elementweises PotenzierenR=A.^2;

% elementweises RadizierenR=sqrt(A);

% Ein JPG-Bild als 3-dim. Array einlesen:im_rgb=imread(’Aragorn.jpg’);

% 3-dim. RGB-Bild in 2-dim Matrix% (Grauwerte) wandeln und als double casten:

im_grey=double(rgb2gray(im_rgb));

• Die Größe einer Matrix lässtsich mittel size ermitteln.

• Fast alle mathematischenFunktionen sind fürMatrizen definiert undwerden elementweiseangewendet.

• Bilder sind auch Matrizen(bzw. Arrays)

• Bilder kann man sich mitimshow anschauen



AngewandteInformatik Der MATLAB-Profiler

• Analyse der Laufzeiten von MATLAB-Funktionen

• Starten des profilings mit profile on

• Stoppen mit profile off

• profile report : HTML-Statusbericht mit Laufzeiten aller aufgerufenenFunktionen

• profile plot : grafische Übersicht der Laufzeiten

• für weitere Funktionen des Profilers siehe help profile



AngewandteInformatik OCTAVE

OCTAVE ist eine Implementierung der MATLAB-Programmiersprache unter GPL(für “zu Hause”)



AngewandteInformatik OCTAVE

OCTAVE ist eine Implementierung der MATLAB-Programmiersprache unter GPL(für “zu Hause”)

Merkmale von OCTAVE:• etwa 50% der Funktionen von MATLAB fehlen• keine Entwicklungsoberfläche / keine GUI-Entwicklung• Visualisierung durch GNUPLOT und XV (dadurch eingeschränkt)• bei vielen Distributionen mitgeliefert



AngewandteInformatik Fazit

Wann will ich MATLAB benutzen?• Visualisierung/Präsentation komplexer Daten• Rapid-Prototyping• Lösung mathematischer Probleme• Bildverarbeitung





Wann lasse ich es lieber sein?• Ich brauche höchste Geschwindigkeit• Ich bin auf tief verschachtelte Rekursionen angewiesen• Ich mag keine neue Programmiersprache lernen• Das zu lösende Problem lässt sich nicht gut auf MATLAB-Strukturen

abbilden





Wann lasse ich es lieber sein?• Ich brauche höchste Geschwindigkeit• Ich bin auf tief verschachtelte Rekursionen angewiesen• Ich mag keine neue Programmiersprache lernen• Das zu lösende Problem lässt sich nicht gut auf MATLAB-Strukturen

abbilden

• Ich habe keine Ahnung, was eine Matrix ist!


matlab in action - techfak.uni-bielefeld.demhanheid/lehre/matlab/matlab... · universität...

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