В Matlab 3D-интерполяция выполняется с помощью INTERP3 .Для некоторого увеличения скорости передайте аргумент метода, которому предшествует звезда (например, '*cubic' вместо 'cubic').Для еще большего увеличения скорости вы можете просто извлечь код интерполяции из функции и пропустить все проверки ошибок.
Хорошая реализация на C ++, вероятно, будет быстрее, например, представленная здесь Обмен файлами Matlab (никогда не проверял).