【原創】開源Math.NET基礎數學類庫使用(03)C#解析Matlab的mat格式

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前言

　　本人在09年使用該元件的時候，主要原因也是為了替代Matlab，進行相關數學計算，現在依然有很多人關注Matlab計算，特別是學生，而很多也在使用C#，所以這些人通常由於個人能力有限(無法精通某一個門語言來解決綜合問題)，無法單純的通過C#或者Matlab來解決問題，就想通過混合程式設計來呼叫完成，其實本人也做過大量的Matlab.NET混合程式設計研究，而且也個人製作了一套視訊教程，編寫過很多文章，可以參考如下文章：

1.國內第一部Matlab和C#.Net混合程式設計入門級視訊教程【完全免費】

2.Matlab.NET混合程式設計呼叫Figure窗體

3.Matlab.NET混合程式設計技巧之——直接呼叫Matlab內建函式(附原始碼) 

4.Matlab.NET混合程式設計技巧之——找出Matlab內建函式 

5.Matlab與.NET基於型別安全的介面混合程式設計入門

6.Matlab與.NET混合程式設計解決人臉識別問題 

　　鑑於此，我也提醒過很多人，在.NET中可以使用Math.NET元件來替代Matlab的相關工作，可能效果不太好。今天就來介紹一個比較適用的功能，利用Math.NET提供的功能，使用C#來讀寫Matlab的mat資料格式，這個功能的使用場景也很廣泛，當然可能是研究偏多，大家思想可以放得更遠。

　　如果本文資源或者顯示有問題，請參考 本文原文地址：http://www.cnblogs.com/asxinyu/p/4265972.html

1.Mat資料格式

　　用過一段matlab的人都知道，在matlab的工作空間中，可以將變數儲存為mat資料格式，下次在程式中直接讀取和進行計算，非常方便。以前也沒有具體研究過這個格式，也趁這個寫部落格的機會，一起來看看這個東西的作用和組成。雖然使用Math.NET提供的程式讀取和寫入Mat檔案都很簡單，但簡單之餘，瞭解一點其他知識也是不錯的。

　　Mat檔案格式，實際上使用的是一種通用的數值資料儲存格式Hierarchical Data Format(HDF)，該格式最先是由美國國家超級計算應用中心開發的，後來由HDF非盈利組織資助，進行不但完善和推廣。這個格式的使用是非常廣泛的(使用BSD許可證)，例如一些大名鼎鼎的商業和非商業軟體LabVIEW,MATLAB,Scilab,Octave,Mathematica等都支援該格式，該格式目前主要有HDF4和HDF5。 Mat檔案格式最新的7.3版是基於HDF5的。

有關HDF檔案格式和Mat格式的資料如下：

wikipedia：http://en.wikipedia.org/wiki/Hierarchical_Data_Format

Matlab官方：http://cn.mathworks.com/help/matlab/import_export/mat-file-versions.html

HDF官方：http://www.hdfgroup.org/ 

　　Mat檔案格式分為2個等級(目前我知道的) Level 4和 Level 5。Level 4 Mat檔案格式支援只支援2維矩陣和字串；而Level 5支援更多，如多維陣列，字串陣列，Cell陣列，稀疏矩陣，物件，結構等都支援。本文介紹的MathNet.Numerics.Data.Matlab是直接支援Level-5型別的，所有更強大。

2.Mat格式在Matlab中的使用

 　　Matlab中mat資料的儲存和讀取非常簡單，只需要使用Save和load命令即可。對Matlab熟悉的朋友可以隨便開啟matlab敲幾個命令就可以了，由於電腦太慢，前段時間把Matlab解除安裝了，這裡就只介紹mat格式讀取和儲存的語法，實際的使用也是比較簡單的。

http://www.ilovematlab.cn/thread-78257-1-1.html

●save：將工作區中的所有變數儲存在當前工作區中的檔案中，檔名為 matlab.mat，MAT檔案可以通過load函式再次匯入工作區，MAT函式可以被不同的機器匯入，甚至可以通過其他的程式呼叫。
●save('filename')：將工作區中的所有變數儲存為檔案，檔名由filename指定。如果filename中包含路徑，則將檔案儲存在相應目錄下，否則預設路徑為當前路徑。
●save('filename', 'var1', 'var2', ...)：儲存指定的變數在 filename 指定的檔案中。
●save('filename', '-struct', 's')：儲存結構體s中全部域作為單獨的變數。
●save('filename', '-struct', 's', 'f1', 'f2', ...)：儲存結構體s中的指定變數。
● save('-regexp', expr1, expr2, ...)：通過正規表示式指定待儲存的變數需滿足的條件。
● save('..., 'format')，指定儲存檔案的格式，格式可以為MAT檔案、ASCII檔案等。

MATLAB中匯入資料通常由函式load實現，該函式的用法如下：
●load：如果matlab.mat檔案存在，匯入matlab.mat中的所有變數，如果不存在，則返回error。
●load filename：將filename中的全部變數匯入到工作區中。
●load filename X Y Z ...：將filename中的變數X、Y、Z等匯入到工作區中，如果是MAT檔案，在指定變數時可以使用萬用字元“*”。
●load filename -regexp expr1 expr2 ...：通過正規表示式指定需要匯入的變數。
●load -ascii filename：無論輸入檔名是否包含有副檔名，將其以ASCII格式匯入；如果指定的檔案不是數字文字，則返回error。
●load -mat filename：無論輸入檔名是否包含有副檔名，將其以mat格式匯入；如果指定的檔案不是MAT檔案，則返回error。

3.C#讀取Mat資料格式

　　Math.NET中有關Mat資料格式讀寫的元件是MathNet.Numerics.Data.Matlab,Mat資料格式的讀取主要用MatlabReader類，解析的功能函式就是下面這段程式碼：

/// <summary>Extracts all matrix blocks in a format we support from a stream.</summary>
internal static List<MatlabMatrix> ParseFile(Stream stream)
{
    var matrices = new List<MatlabMatrix>();

    using (var reader = new BinaryReader(stream))
    {
        // skip header (116 bytes)
        // skip subsystem data offset (8 bytes)
        // skip version (2 bytes)
        reader.BaseStream.Position = 126;

        // endian indicator (2 bytes)
        if (reader.ReadByte() != LittleEndianIndicator)
        {
            throw new NotSupportedException(Resources.BigEndianNotSupported);
        }

        // set position to first data element, right after full file header (128 bytes)
        reader.BaseStream.Position = 128;
        var length = stream.Length;

        // for each data element add a MATLAB object to the file.
        while (reader.BaseStream.Position < length)
        {
            // small format: size (2 bytes), type (2 bytes), data (4 bytes)
            // long format: type (4 bytes), size (4 bytes), data (size, aligned to 8 bytes)

            DataType type;
            int size;
            bool smallBlock;
            ReadElementTag(reader, out type, out size, out smallBlock);

            // read element data of the size provided in the element header
            // uncompress if compressed
            byte[] data;
            if (type == DataType.Compressed)
            {
                data = UnpackCompressedBlock(reader.ReadBytes(size), out type);
            }
            else
            {
                data = new byte[size];
                reader.Read(data, 0, size);
                SkipElementPadding(reader, size, smallBlock);
            }

            if (type == DataType.Matrix)
            {
                using (var matrixStream = new MemoryStream(data))
                using (var matrixReader = new BinaryReader(matrixStream))
                {
                    matrixReader.BaseStream.Seek(20, SeekOrigin.Current);
                    var matrixDim = matrixReader.ReadInt32()/8;
                    if (matrixDim > 2)
                    {
                        continue;
                    }

                    matrixReader.BaseStream.Seek(10, SeekOrigin.Current);
                    int matrixSize = matrixReader.ReadInt16();
                    if (matrixSize == 0)
                    {
                        matrixSize = matrixReader.ReadInt32();
                    }

                    var matrixName = Encoding.ASCII.GetString(matrixReader.ReadBytes(matrixSize));

                    matrices.Add(new MatlabMatrix(matrixName, data));
                }
            }
        }
    }

    return matrices;
}

　　C#呼叫就更簡單了，上面那些實現只是一個幫助，大家以後可以瞭解解析其他類似的資料格式。看看呼叫的程式碼：

using MathNet.Numerics.LinearAlgebra;
using MathNet.Numerics.Data.Matlab;

//從collection.mat檔案中，讀取第一個double矩陣
Matrix<double> m = MatlabReader.Read<double>("collection.mat");

//從collection.mat中讀取一個名稱為 vd 的特定矩陣
Matrix<double> m = MatlabReader.Read<double>("collection.mat", "vd");

//直接選擇轉換為其他格式
Matrix<Complex> m = MatlabReader.Read<Complex>("collection.mat");

//將一個檔案的所有矩陣及其名稱存入字典中
Dictionary<string,Matrix<double>> ms = MatlabReader.ReadAll<double>("collection.mat");

//讀取名為 Ad和vd 的矩陣到字典
var ms = MatlabReader.ReadAll<double>("collection.mat", "vd", "Ad");

　　這樣就可以直接在C#中進行相關計算了，也不用混合程式設計那麼麻煩了。

4.C#儲存Mat資料格式

　　Mat資料格式的寫入主要用MatlabWriter類，核心功能函式就是下面程式碼：

/// <summary>Writes all matrix blocks to a stream.</summary>
internal static void FormatFile(Stream stream, IEnumerable<MatlabMatrix> matrices)
{
    using (var buffer = new BufferedStream(stream))
    using (var writer = new BinaryWriter(buffer))
    {
        // write header and subsystem data offset (116+8 bytes)
        var header = Encoding.ASCII.GetBytes(HeaderText + DateTime.Now.ToString(Resources.MatlabDateHeaderFormat));
        writer.Write(header);
        Pad(writer, 116 - header.Length + 8, 32);

        // write version (2 bytes)
        writer.Write((short)0x100);

        // write little endian indicator (2 bytes)
        writer.Write((byte)0x49);
        writer.Write((byte)0x4D);

        foreach (var matrix in matrices)
        {
            // write data type
            writer.Write((int)DataType.Compressed);

            // compress data
            var compressedData = PackCompressedBlock(matrix.Data, DataType.Matrix);

            // write compressed data to file
            writer.Write(compressedData.Length);
            writer.Write(compressedData);
        }

        writer.Flush();
        writer.Close();
    }
}

　　C#呼叫也很簡單,呼叫的程式碼如下：　　

var matrices = new List<MatlabMatrix>();
m.Add(MatlabWriter.Pack(myFirstMatrix, "m1");
m.Add(MatlabWriter.Pack(mySecondMatrix, "m2");
MatlabWrier.Store("file.mat", matrices);

//寫入單個的"myMatrix"矩陣，並命名為"m1".
MatlabWriter.Write("file.mat", myMatrix, "m1");

//寫入多個矩陣，注意 矩陣列表 和 名稱列表
MatlabWriter.Write("file.mat", new[] { m1, m2 }, new[] { "m1", "m2" });

//寫入字典矩陣，和讀取的原理類似
var dict = new Dictionary<string, Matrix<double>>();
dict.Add("m1", m1);
dict.Add("m2", m2);
MatlabWriter.Write("file.mat", dict);

5.資源

　　接下來的文章將繼續介紹Math.NET的其他功能。　

　　如果本文資源或者文章顯示有問題，請參考 本文原文地址：http://www.cnblogs.com/asxinyu/p/4265972.html