C++矩阵处理库

Wesley13
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项目要进行比较多的矩阵操作,特别是二维矩阵。刚开始做实验时,使用了动态二维数组,于是写了一堆Matrix函数,作矩阵的乘除加减求逆求行列式。实验做完了,开始做代码优化,发现Matrix.h文件里适用性太低,而且动态二维数组的空间分配与释放也影响效率,于是寻找其他解决方案。

首先考虑的是与Matlab混合编程,折腾了半天把Matlab环境与VS2010环境之后,发现Matlab编译出来的函数使用起来也比较麻烦,要把数组转化成该函数适用的类型后才能使用这些函数。我的二维数组也不是上千万维的,估计这个转化的功夫就牺牲了一部分效率了。(如果谁有混合编程的心得,求帮忙,囧。。。)

接着想到使用一维数组的方法,或者把一维数组封装在一个类里边。想着又要写一堆矩阵操作函数头就大,索性谷歌了一下矩阵处理库,除了自己之前知道的OpenCV库(之前由于转化cvarr麻烦,于是放弃),还有Eigen, Armadillo。

http://blog.csdn.net/houston11235/article/details/8501135该博客对这三个库的效率做了一个简单的评测,OpenCV库的矩阵操作效率是最低的,还好我没使用。Eigen速度最快,与自己定义数组的操作效率相当(- -,才相当吗?我本来还想找个更快的呢)。于是选择使用Eigen。

进入正题。

安装:

http://eigen.tuxfamily.org/index.php?title=Main_Page这里是官网,直接把包下载下来,不大,也就几M,我是直接放在自己项目文件夹(考虑项目封装时,这样比较方便),放在VS2010 文件夹。

简单使用:

看了一下官方文档,Eigen库除了能实现各种矩阵操作外,貌似还提供《数学分析》中的各种矩阵操作(包括L矩阵U矩阵)。目前我使用到的还是简单的矩阵操作,如加减乘除,求行列式,转置,逆,这些基本操作只要:

#include "Eigen/Eigen"  
using namespace Eigen;

就能实现,别忘了名空间Eigen。

包含的类型:

Matrices

Arrays

Matrix<float,Dynamic,Dynamic> <=>  MatrixXf

Matrix<double,Dynamic,1> <=>  VectorXd

Matrix<int,1,Dynamic> <=>  RowVectorXi

Matrix<float,3,3> <=>  Matrix3f

Matrix<float,4,1> <=>  Vector4f

Array<float,Dynamic,Dynamic> <=> ArrayXXf

Array<double,Dynamic,1> <=> ArrayXd

Array<int,1,Dynamic> <=> RowArrayXi

Array<float,3,3> <=> Array33f

Array<float,4,1> <=> Array4f

  如上表,主要包括两种类型,Matrices与Arryays,接着是这两种类型的派生类型。现在我用到的是Matrices(我不明白这两种类型在效率间有什么差距,囧。。。),其中Matrix代表二维矩阵,Vector代表列向量RowVector代表行向量。如果后面跟着X,则代表是动态的数组,运行时可以根据需求改变,如果是数字,则代表是静态的(根据实验,最多能建立4维的静态矩阵或者数组,- -,为嘛不是6维,实验正好需要)。i代表int类型,f代表float类型,d代表double。

对应关系:

Matrix

二维矩阵

Vector

列向量

RowVector

行向量

X

动态

固定数字n

静态,4>=n>=1

i

int

f

float

d

double

Arrays类型的话也跟Matrices差不多。

基本操作,定义,初始化,矩阵操作:

#include <iostream>  
#include "Eigen/Eigen"  
using namespace std;  
using namespace Eigen;  
  
void foo(MatrixXf& m)  
{  
    Matrix3f m2=Matrix3f::Zero(3,3);  
    m2(0,0)=1;  
    m=m2;  
}  
int main()  
{  
    /* 定义,定义时默认没有初始化,必须自己初始化 */  
    MatrixXf m1(3,4);   //动态矩阵,建立3行4列。  
    MatrixXf m2(4,3);   //4行3列,依此类推。  
    MatrixXf m3(3,3);  
    Vector3f v1;        //若是静态数组,则不用指定行或者列  
    /* 初始化 */  
    m1 = MatrixXf::Zero(3,4);       //用0矩阵初始化,要指定行列数  
    m2 = MatrixXf::Zero(4,3);  
    m3 = MatrixXf::Identity(3,3);   //用单位矩阵初始化  
    v1 = Vector3f::Zero();          //同理,若是静态的,不用指定行列数  
  
    m1 << 1,0,0,1,        //也可以以这种方式初始化  
        1,5,0,1,  
        0,0,9,1;  
    m2 << 1,0,0,  
        0,4,0,  
        0,0,7,  
        1,1,1;  
      
    /* 元素的访问 */  
    v1[1] = 1;  
    m3(2,2) = 7;  
    cout<<"v1:\n"<<v1<<endl;  
    cout<<"m3:\n"<<m3<<endl;  
    /* 复制操作 */  
    VectorXf v2=v1;             //复制后,行数与列数和右边的v1相等,matrix也是一样,  
                                //也可以通过这种方式重置动态数组的行数与列数  
    cout<<"v2:\n"<<v2<<endl;  
  
    /* 矩阵操作,可以实现 + - * / 操作,同样可以实现连续操作(但是维数必须符合情况), 
    如m1,m2,m3维数相同,则可以m1 = m2 + m3 + m1; */  
    m3 = m1 * m2;  
    v2 += v1;  
    cout<<"m3:\n"<<m3<<endl;  
    cout<<"v2:\n"<<v2<<endl;  
    //m3 = m3.transpose();  这句出现错误,估计不能给自己赋值  
    cout<<"m3转置:\n"<<m3.transpose()<<endl;  
    cout<<"m3行列式:\n"<<m3.determinant()<<endl;  
    m3 = m3.inverse();  
    cout<<"m3求逆:\n"<<m3<<endl;  
  
    system("pause");  
  
    return 0;  
}

输出:

v1:  
0  
1  
0  
m3:  
1 0 0  
0 1 0  
0 0 7  
v2:  
0  
1  
0  
m3:  
 2  1  1  
 2 21  1  
 1  1 64  
v2:  
0  
2  
0  
m3转置:  
 2  2  1  
 1 21  1  
 1  1 64  
m3行列式:  
2540  
m3求逆:  
   0.0156401 -0.000733676 -0.000232913  
-0.000733676    0.0476889 -0.000733676  
-0.000232913 -0.000733676    0.0156401

基本的操作就是以上这些!

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