简单的gnuplot封装接口

有时候需要反复验证一点点数字信号处理的程序，因为简单，通常都是单个文件进行编译。如果只执行一次，将数据保存到文件里，然后使用电子表格打开，可以绘制曲线。但是如果需要反复的验证调整编写函数，那么能简单的绘制曲线就很有必要了。
因为是出于验证目的，速度就不是很必要，能验证结果就好。
据说gnuplot是能媲美Matlab的绘图软件。能不能媲美不重要，重要的是它小巧，但功能完备，简单易用。

  • 先提供一个简易的gnuplot绘制曲线的封装接口。
// File Name: MySimplePlot.hpp
#ifndef _MY_SIMPLE_PLOT_H_
#define _MY_SIMPLE_PLOT_H_

#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#define popen _popen
#define pclose _pclose
#else
#include <unistd.h>
#endif
#include <vector>
#include <string>
#include <stdexcept>
#include <stdio.h>

// gnuplot的GUI有wxWidgets和Qt两种
#define USE_WX
//#define USE_QT

class XYChart
{
public:
    XYChart();
    ~XYChart();
    // 清除所有数据
    void clear();
    // 设置画图窗口的标题和XY坐标的标签
    void title(const char* title, const char* xlabel=NULL, const char* ylabel=NULL );
    // 添加数据
    void add(const char* title,int length, double* y, double* x = NULL);
    // 绘制直线
    void plot();

private:
    XYChart(const XYChart&);
    XYChart& operator=(const XYChart& src);
    void * operator new(size_t size);

    FILE *gnu_pipe;
    bool init_ok;
    std::vector<std::vector<double>> Xs;
    std::vector<std::vector<double>> Ys;
    std::vector<std::string> Ts;
    std::vector<std::string> Fs;
};

XYChart::XYChart()
{
    gnu_pipe = popen("gnuplot", "w");
    //gnu_pipe = popen("\"C:\\Program Files\\gnuplot\\bin\\gnuplot.exe\"", "w");
    if(gnu_pipe)
    {
        init_ok = true;
#ifdef USE_QT
        fprintf(gnu_pipe, "set term qt 0 title \"XYPlot\"\n");
#endif
#ifdef USE_WX
        fprintf(gnu_pipe, "set term wx 0 title \"XYPlot\"\n");
#endif
    }
    else throw std::runtime_error("XYChart() cannot open gnuplot");
}

XYChart::~XYChart()
{
    if(init_ok)
    {
        fprintf(gnu_pipe, "exit\n");
        pclose(gnu_pipe);
        clear();
    }
}

void XYChart::title( const char* title, const char* xlabel, const char* ylabel )
{
    if(init_ok)
    {
        fprintf(gnu_pipe, "set title \"%s\"\n", title);
        if(xlabel) fprintf(gnu_pipe, "set xlabel \"%s\"\n", xlabel);
        if(ylabel) fprintf(gnu_pipe, "set ylabel \"%s\"\n", ylabel);
    }
}

void XYChart::add(const char* title,int N, double* y, double* x )
{
    // 添加数据，就是简单的将数据写入文件
    if(!title)
        throw std::invalid_argument("XYChart::add() the title is NULL");
    if(N <= 0)
        throw std::invalid_argument("XYChart::add() the data length N <= 0");

    std::vector<double> X(N), Y(N);
    for(int i = 0; i < N; i++) Y[i] = y[i];
    if(x != NULL)
    {
        for(int i = 0; i < N; i++) X[i] = x[i];
    }
    else
    {
        for(int i = 0; i < N; i++) X[i] = i;
    }

    std::string T(title);
#ifdef _WIN32
    std::string filename = "D:\\\\";
#else
    std::string filename = "./";
#endif
    filename += T;
    filename += ".lqbz";

    Fs.push_back(filename);
    Xs.push_back(X);
    Ys.push_back(Y);
    Ts.push_back(T);

    FILE* pf = fopen(filename.c_str(), "w");
    if(pf)
    {
        for(int n = 0; n < N; n++)
        fprintf(pf, "%lf %lf \n", X[n], Y[n]);
        fclose(pf);
    }
    else throw std::runtime_error("XYChart::add() cannot open file for writing data");
}

void XYChart::clear()
{
    Xs.clear();Ys.clear();Ts.clear();
    int count = Fs.size();
    for(int i = 0; i < count; i++) remove(Fs[i].c_str());
    Fs.clear();
}

void XYChart::plot()
{
    // 直接通过管道调用gnuplot的指令画图
    // 可以很方便的修改成其他需要的命令
    int array_count  = Xs.size();
    if(array_count == 0) return;
    if(init_ok)
    {
        fprintf(gnu_pipe, "clear\n");
        fprintf(gnu_pipe, "unset label\n");
        fprintf(gnu_pipe, "set autoscale xy\n");
        fprintf(gnu_pipe, "plot \"%s\" using 1:2 title \"%s\" with lp lw 2 pt 0\n", Fs[0].c_str(), Ts[0].c_str());
        for(int i = 1; i < array_count; i++)
        {
            fprintf(gnu_pipe, "replot \"%s\" using 1:2 title \"%s\" with lp lw 2 pt 0\n", Fs[i].c_str(), Ts[i].c_str());
        }
        fprintf(gnu_pipe, "\n\n");
        fflush(gnu_pipe);
    }

#if defined (_WIN32) && (_MSC_VER)
    HWND hFrame = FindWindowEx(NULL,NULL,NULL,"XYPlot");
    SwitchToThisWindow(hFrame, TRUE);
#endif
}

#endif//_MY_SIMPLE_PLOT_H_
  • 来一个简单的hanning窗低通滤波器测试一下。
#include <fstream>
#include <math.h>
#include <vector>
#include "MySimplePlot.hpp"

typedef std::vector<double> DoubleVector;

const double PI = 3.141592653589793238462643383;

DoubleVector hanning_window(int N)
{
    DoubleVector window(N);
    int M = N - 1;
    for(int i = 0; i < N; i++)
    {
        window[i] = 0.5 - 0.5*cos(2.0*PI*i/M);
    }
    return window;
}


DoubleVector lowpass_sinc(int N, double fc)
{
    DoubleVector data(N);
    int M = N - 1;
    for(int i = 0; i < N; i++)
    {
        int n = i-M/2;
        if(n==0) data[i] = 2.0*fc;
        else data[i] = sin(n*2.0*PI*fc)/(n*PI);
    }
    return data;
}

DoubleVector convolution(const DoubleVector& x, const DoubleVector& h)
{
    int x_length = x.size();
    int h_length = h.size();
    int length = x_length + h_length - 1;
    DoubleVector result(length, 0.0);
    for(int i = 0; i < length; i++)
    {
        for(int j = 0; j < h_length; j++)
        {
            if((i-j >= 0) && (i-j<x_length))
            {
                result[i] += h[j]*x[i-j];
            }
        }
    }
    return result;
}

DoubleVector inner_product(const DoubleVector& x, const DoubleVector& y)
{
    int x_length = x.size();
    int y_length = y.size();
    if(x_length != y_length)
        throw std::invalid_argument("inner_product() x.size() != y.size() ");
    DoubleVector result(x_length);
    for(int i = 0; i < x_length; i++)
    {
        result[i] = x[i]*y[i];
    }
    return result;
}

int main()
{
    int data_length = 1000;
    int filter_length = 155; 

    DoubleVector sine_before(data_length);
    for(int i = 0; i <data_length; i++)
    {
        // 1V/1kHz + 0.1V/5kHz + 0.2V/10Hz
        sine_before[i]=sin(2*PI*i*0.01) + 0.1*sin(2*PI*i*0.05) + 0.2*sin(2.0*PI*i*0.1);
    }

    DoubleVector win = hanning_window(filter_length);
    DoubleVector sinc = lowpass_sinc(filter_length, 0.02); 
    DoubleVector h = inner_product(win, sinc);
    DoubleVector sine_after = convolution(sine_before, h);

    XYChart chart1;
    chart1.title("FIR Filter");
    chart1.add("before", data_length-filter_length+1, sine_before.data());
    chart1.add("after", data_length-filter_length+1, sine_after.data());
    chart1.plot();

    XYChart chart2;
    chart2.title("Filter Data Plot");
    chart2.add("sinc", filter_length, sinc.data());
    chart2.add("h", filter_length, h.data());
    chart2.plot();
    getchar();

    return 0;
}

来两张生成的效果图：


After Filter.png

Filter data plot.png
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