C/C++语言读取SEGY文件（二）

SEGY IO (2D)

本文档将介绍SEGY的读取与写入过程，即SEGY文件的复制，并且在实现过程采用采样点×道数二维数组的形式读写。

新建头文件SegyDataIO2D.h与C++文件SegyDataIO2D.cpp，以及主程序main.cpp。

1 编写头文件SegyDataIO2D.h

1.1 程序描述、调用、声明、定义

/**********************************************************************

 * Copyright(C) 2018,Company All Rights Reserved   (1)版权说明
   *
 * @file    : SegyDataIO2D.cpp                  (2) 文件名
   *
 * @brief   :  实现地震数据的读、写操作                 (3) 该文件主要功能简介
   *
 * @version : 1.0                                  (4) 版本信息
   *
 * @author  : Fan XinRan                           (5) 创建作者
   *
 * @date    : 2022/2/9 星期三                       (6) 创建时间
   *
 * Others  :                                       (7) 备注、改动信息等
   **********************************************************************/

//调用需要的C头文件
#include<stdio.h>   //C Language header file
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<math.h>

//调用需要的C++头文件
#include<iostream>  // C++ header file
#include<vector>
#include<algorithm>

//调用非标准库
#include"alloc.h"   // 用于创建多维数组
#include"segy.h"   // 包含segy与bhed结构体，用于提取卷头和道头中采集、存储的信息

#define PI 3.141592654   //Constant Number Definition
#define EPS 0.0000001

using namespace std;   // 声明命名空间

1.2 声明函数

输入和输出均为文件指针。

bool copySeismicData2D(const char *filenameInput, const char *filenameOutput); //Copy seismic data from Inputfile to Outputfile

完整代码

/**********************************************************************

 * Copyright(C) 2018,Company All Rights Reserved
   *
 * @file    : SegyDataIO2D.cpp
   *
 * @brief   :  实现地震数据的读、写操作
   *
 * @version : 1.0
   *
 * @author  : Fan XinRan
   *
 * @date    : 2022/2/9 星期三
   *
 * Others  :
   **********************************************************************/

//(1)调用需要的C头文件
#include<stdio.h>   // C Language header file
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<math.h>

//(2)调用需要的C++头文件
#include<iostream>  // C++ header file
#include<vector>
#include<algorithm>

//(3)调用需要的非标准库头文件
#include"alloc.h"   // project header file
#include"segy.h"

//(4)定义全局常量
#define PI 3.141592654   // Constant Number Definition
#define EPS 0.0000001

//(5)声明命名空间
using namespace std;

//(6)声明函数名、输入、输出及其类型
bool copySeismicData2D(const char *filenameInput, const char *filenameOutput); //Copy seismic data from Inputfile to Outputfile

2 编写C++文件SegyDataIO2D.cpp

2.1 必要的说明

/*************************************************************************************************************

 Function:       copySeismicData2D                                                 (1)函数名
 Description:    copy segy file from input data to output data                     (2)简要描述其功能
 Input:
                 const char *filenameInput [in]    input filename (.segy)          (3)输入变量及输入文件类型
 Output:
                 const char  *filenameOutput[out]  output filename (.segy)         (4)输出变量及输出文件类型
 Return:
             bool  true    program success
			 bool  false   program failed                                          (5)返回值及其说明
 Author:     Fan XinRan                                                            (6)创建作者
 Date  :     2022/2/9                                                              (7)创建时间
 Others:                                                                           (8)备注、改动信息等

*************************************************************************************************************/

2.2 定义读、写函数

#include "SegyDataIO2D.h"
bool copySeismicData2D(const char *filenameInput, const char *filenameOutput){

    //实现代码
    ...

}

（1） 定义待使用的结构体变量、数值型变量

bhed 与 segy均为定义在segy.h中的结构体(structure)，分别包含了二进制卷头信息与道头信息，使用成员访问运算符.获取其内容；

使用unsigned int 声明整型变量，使用long long 或__int64声明segy文件字节数、地震道字节数，防止数据量超出范围，并且尽可能初始化变量。

bhed fileheader;        // file header  卷头
segy traceheader;       // trace header  道头
unsigned int nt=0;        // number of sample  采样点数
unsigned int sizefileheader=sizeof(fileheader);   // size of fileheader;
unsigned int sizetraceheader=sizeof(traceheader);  // size of traceheader;

unsigned int ncdp = 0;      // number of cdp  道数
long long  size_file = 0;   //size of input file
long long  size_trace = 0;  //size of per-trace

（2）新建指针变量

在读、写地震道数据这一任务中，需要用到输入指针、输出指针、地震道数据指针以及道头指针，四个指针变量。与1-1 SEGY IO相比多定义了一个关于traceheader的指针变量，用于存放道头信息。

FILE *fpinput = NULL;   // input file pointer
FILE *fpoutput = NULL;   //output file pointer
float **dataInput = NULL;  //input data pointer		注意此处**dataInput前有两个"*"，表示的是二级指针
segy *traceheaderArray = NULL; //traceheader pointer

（3）打开输入、输出文件指针并判空

fpinput = fopen(filenameInput, "rb");  //open input file pointer
fpoutput = fopen(filenameOutput,"wb");  //open output file pointer

if(fpinput==NULL){                                            //如果文件指针为NULL
	printf("Cannot open %s file\n", filenameInput);           //打印“文件打开失败”
	return false;                                             //结束程序
}

if(fpoutput==NULL){
	printf("Cannot open %s file\n", filenameOutput);
	return false;
}
//读写操作
...

//fopen()与fclose()成对出现，在对文件的操作完成后切记关闭文件
fclose(fpinput);  //close input file pointer
fclose(fpoutput); //close output file pointer

（4）读取/计算卷、道信息

fread(&fileheader,sizefileheader,1,fpinput); // 从输入流(fpinput)中读取卷头信息到指定地址---->fileheader

nt = fileheader.hns; //从卷头信息中获取采样点数

_fseeki64(fpinput,0,SEEK_END);   // 从文件末尾偏移这个结构体0个长度给文件指针fpinput，即fpinput此时指向文件尾

size_file = _ftelli64(fpinput);  // 返回当前文件位置，即文件总字节数
size_trace = nt*sizeof(float)+sizetraceheader;  // 每一道的字节数 = 采样点字节数+道头字节数

ncdp = (size_file - (long long)sizefileheader)/size_trace; // 道数 = （文件总字节数 - 卷头字节数）/每一道的字节数

_fseeki64(fpinput,sizefileheader,SEEK_SET); // 从文件开头偏移sizefileheader（卷头字节数）个长度给指针fpinput，即fpinput此时指向第一道的开始
fwrite(&fileheader, sizefileheader, 1, fpoutput); // 先写入卷头

1. fread() 从给定流读取数据到指针所指向的数组中；

   fread(*ptr, size, nmemb,*stream)

   • ptr -- 指向带有最小尺寸 size*nmemb 字节的内存块的指针；
   • size -- 要读取的每个元素的大小，以字节为单位。
   • nmemb -- 元素的个数，每个元素的大小为 size 字节；
   • stream -- 指向 FILE 对象的指针。

2. fwrite(*ptr, size, nmemb,*stream) 参数与fread()相同，把ptr所指向的数组中的数据写入到给定流stream中；

3. _fseeki64的用法与fseek相同，表示从文件指定位置偏移一定字节数；前者具有更高的兼容性；

4. _ftelli64与ftell同理，返回给定流的当前文件位置；

   _fseeki64(*stream, offset, whence)

   • stream -- 指向 FILE 对象的指针；

   • offset -- 相对 whence 的偏移量，以字节为单位；

   • whence -- 表示开始添加偏移 offset 的位置。一般定义为SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（文件指针的当前位置）、SEEK_END（文件末尾）三类常量。

（5）遍历每一条地震道，读、写数据

dataInput=alloc2float(nt,ncdp); // 分配nt*ncdp（采样点数×道数）所需的内存空间，用来存放二维地震道数据
//其中，alloc2float是卸载alloc.h中的函数，创建一个float型的二维数组
//dataInput为二级指针，可简记为dataInput指向每一行的开头

memset(dataInput[0], 0, nt*ncdp * sizeof(float)); // 从第一行的开头开始，将内存块中nt*ncdp个字符赋值为0
// dataInput指向每行开头，而dataInput[0]则为整个二维数组的起始位置

// 在内存的动态存储区中分配ncdp个长度为sizetraceheader的连续空间
traceheaderArray = (segy*)calloc(ncdp,sizetraceheader);

//逐道读取道头与地震道数据
for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++){
    fread(&traceheaderArray[itrace],sizetraceheader,1,fpinput); // &traceheaderArray[itrace]为第itrace道的地址，读取该道头信息
    fread(dataInput[itrace],nt * sizeof(float),1,fpinput); // dataInput[itrace]指向列开头，并读取nt个采样点的信息
}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)

//逐道写入道头与地震道数据
for (int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++) {
    fwrite(&traceheaderArray[itrace], sizetraceheader, 1, fpoutput); // 写入该道头信息
    fwrite(dataInput[itrace], nt * sizeof(float), 1, fpoutput); // 写入nt个采样点的信息
}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)
 // 在每个条件语句末尾的"}"添加备注，便于寻找和区分

//在写操作完成后释放内存
free(traceheaderArray); // free traceheader pointer
free2float(dataInput);  // free data input pointer

1. alloc2float(nt,ncdp)：创建nt*ncdp个元素的二维数组，并分配内存；

2. memset()，将某一块内存中的内容全部设置为指定值， 通常为新申请的内存做初始化工作。

   void memset(void *ptr, int c, size_t n)，复制字符 c（一个无符号字符）到参数ptr所指向的字符串的前 n 个字符；

   • str -- 指向要填充的内存块；
   • c -- 要被设置的值；
   • n -- 要被设置为该值的字符数。

完整代码

/*****************************************************************************
 Function:       copySeismicData2D
 Description:    copy segy file from input data to output data
 Input:
                 const char *filenameInput [in]    input filename (.segy)
 Output:
                 const char  *filenameOutput[out]  output filename (.segy)
 Return:
             bool  true    program success
			 bool  false   program failed
 Author:     Fan XinRan
 Date  :     2022/2/9
 Others:
*****************************************************************************/
#include "SegyDataIO2D.h"

bool copySeismicData2D(const char *filenameInput, const char *filenameOutput){

    bhed fileheader;        // file header
	segy traceheader;       // trace header
	unsigned int nt=0;        // number of sample
	unsigned int sizetraceheader=sizeof(traceheader);  // size of traceheader;
	unsigned int sizefileheader=sizeof(fileheader);   // size of fileheader;
	unsigned int ncdp = 0;     // number of cdp
	long long   size_file = 0;  //size of input file
	long long  size_trace = 0;  //size of per-trace

	FILE *fpinput = NULL;   // input file pointer
	FILE *fpoutput = NULL;   //output file pointer
	float *dataInput = NULL;  //input data pointer
    segy *traceheaderArray = NULL; //traceheader pointer

	fpinput = fopen(filenameInput, "rb");  //open input file pointer
	fpoutput = fopen(filenameOutput,"wb");  //open output file pointer

	if(fpinput==NULL){
		printf("Cannot open %s file\n", filenameInput);
		return false;
	}

	if(fpoutput==NULL){
		printf("Cannot open %s file\n", filenameOutput);
		return false;
	}

	fread(&fileheader,sizefileheader,1,fpinput);

	nt = fileheader.hns;
	_fseeki64(fpinput,0,SEEK_END);
	size_file = _ftelli64(fpinput);
	size_trace = nt*sizeof(float)+sizetraceheader;

	ncdp = (size_file - (long long)sizefileheader)/size_trace;

	_fseeki64(fpinput,sizefileheader,SEEK_SET);
	fwrite(&fileheader, sizefileheader, 1, fpoutput);

	dataInput = alloc2float(nt,ncdp);
	memset(dataInput[0], 0, nt*ncdp * sizeof(float));
	traceheaderArray = (segy*)calloc(ncdp,sizetraceheader);

	for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++){

		fread(&traceheaderArray[itrace],sizetraceheader,1,fpinput);
		fread(dataInput[itrace],nt*sizeof(float),1,fpinput);
	}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)

	for (int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++) {
		fwrite(&traceheaderArray[itrace], sizetraceheader, 1, fpoutput);
		fwrite(dataInput[itrace], nt * sizeof(float), 1, fpoutput);
	}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)    

	free(traceheaderArray);
	free(dataInput);  // free data input pointer
    fclose(fpinput);  //close input file pointer
	fclose(fpoutput); //close output file pointer

	return true;

}

3 主函数main.cpp及运行结果

#include"ReadSeismic.h"

void main(){

	copySeismicData2D("Demo.segy","Output2.segy");

}

运行主函数后，程序会读入Demo.segy，再写入到Output2.segy，从而完成对SEGY文件的复制。

附录

I 二维数组的动态内存分配方法

a.非连续分配

首先arr是一个二级指针，为arr分配xDim空间，每一维都是一个指向数组的指针，且每个数组内部的地址空间是连续的，但是数组之间的地址空间没有连续性。

void malloc2D_1(int **&a)
{
    a = new int*[xDim];  // new的作用与malloc类似，分配一个一维数组的内存块
    for(int i=0;i<xDim;i++)
        a[i] = new int[yDim];  // 对一维数组的每一个元素继续分配内存块
    assert(a!=NULL);
}  

int main()
{
    int **arr = NULL;  // 声明一个二级指针
    malloc2D_1(arr);  // 执行分配内存操作
}

释放

需要逐个数组释放

void free2D_1(int **a)
{
    for(int i=0;i<xDim;i++)
        free(a[i]);
}

b.连续分配

void malloc2D_2(int **&a)
{
    a = (int **)malloc( xDim * sizeof(int *) );     // 分配xDim字符的内存用来存放一级指针
    a[0] = (int *)malloc( xDim * yDim * sizeof(int) );  // 分配xDim * yDim个元素所需的内存空间
    for(int i=1;i<xDim;i++)
    {
        a[i] = a[i-1] + yDim;   // 例如a[0]指向二维数组起始位置，a[1]=a[0]+yDim，则指向下一行(第一行)的开头，以此类推...
    }
    assert(a!=NULL);
}  

int main()
{
    int **arr = NULL;
    malloc2D_2(arr);
}

释放

只需要释放两个分配内存的指针即可

void free2D_2(int **a)
{
    free(a[0]);
    free(a);
}

II 两种索引方法

假设创建一个100×100的二维数组，并且每一行的数值等于其行号：

行号\列号	0	1	2	...	97	98	99
0	0	0	0	0	0	0	0
1	1	1	1	1	1	1	1
...		...		...		...
98	98	98	98	98	98	98	98
99	99	99	99	99	99	99	99

以此为例，分别介绍两种索引方法。

a.以一维数组方式索引

int nrow = 100;
int ncol = 100;   // 声明行号和列号
float *a1 = (float*)calloc(nrow*ncol,sizeof(float));// 分配nrow*ncol个元素所需的内存空间，将起始地址指向a1

for (int irow = 0; irow < nrow; irow++) // 遍历行
{
	for(int icol = 0; icol < ncol; icol++){ // 遍历列
		a1[irow*ncol + icol] = irow; // 在一维数组上依据行、列计算索引，为指定地址赋值
	}
}

b.以二维数组方式索引

float **a2 = alloc2float(ncol, nrow);  // 利用alloc2float函数分配nrow*ncol个元素所需的内存空间，a2指向每行的起始位置
memset(a2[0],0,ncol*nrow*sizeof(float)); // 数组初始化为0

for (int irow = 0; irow < nrow; irow++)
{
	for (int icol = 0; icol < ncol; icol++) {

		a2[irow][icol] = irow;  // 以二维数组的方式定位行、列

		printf("%f\n", a2[irow][icol]);

	}
}