C/C++读取SEGY文件（三）

SEGY IO (IBM&PC)

本文档将介绍SEGY的读取与写入过程，其中包括IBM与PC两种数据格式的转换。

程序将调用IEEE2IBM.cpp文件完成IBM与PC格式的互相转换。

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

1 头文件ReadSeismic.h的编写及其规范

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    : ReadSeismic.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    : 2022/2/8 星期二                       (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
// 定义全局变量及命名空间
#define PI 3.141592654   //Constant Number Definition
#define EPS 0.0000001
using namespace std;

1.2 声明函数

unsigned short exchangeLowHigh16(unsigned short Data_temp);//16位高低位转换函数  short占2字节，2*8
unsigned int exchangeLowHigh32(unsigned int Data_temp); //32位高低位转换函数  4*8
float ibm2pc(unsigned int Data_temp);      //IBM转PC数据
unsigned int pc2ibm(float input);          //PC转IBM数据
float ieee2pc(unsigned int Data_temp);   //IEEE转为PC
void trace_ibm2pc(float *data_output, int *data_input, int nt); //地震道数据由IBM转换为PC格式
void trace_pc2ibm(float *data_input, int *data_output, int nt); //地震道数据由PC转换为IBM格式
bool copySeismicDataIBM(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    : ReadSeismic.cpp
   *
 * @brief   :  实现地震数据的读、写操作
   *
 * @version : 1.0
   *
 * @author  : Fan XinRan
   *
 * @date    : 2022/2/8 星期二
   *
 * 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"
#include
//(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
unsigned short exchangeLowHigh16(unsigned short Data_temp);//16位高低位转换函数  short占2字节，2*8
unsigned int exchangeLowHigh32(unsigned int Data_temp); //32位高低位转换函数  4*8
float ibm2pc(unsigned int Data_temp);      //IBM转PC数据
unsigned int pc2ibm(float input);          //PC转IBM数据
float ieee2pc(unsigned int Data_temp);   //IEEE转为PC
void trace_ibm2pc(float *data_output, int *data_input, int nt); //地震道数据由IBM转换为PC格式
void trace_pc2ibm(float *data_input, int *data_output, int nt); //地震道数据由PC转换为IBM格式
bool copySeismicDataIBM(const char *filenameInput, const char *filenameOutput); //Copy seismic data from Inputfile to Outputfile

2 C++文件ReadSeismic.cpp的编写及其规范

2.1 必要的说明

/*************************************************************************************************************
 Function:       copySeismicDataIBM                                                (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  :     2022/2/8                                                              (7)创建时间
 Others:                                                                           (8)备注、改动信息等
*************************************************************************************************************/

2.2 定义读、写函数

#include "ReadSeismic.h"
bool copySeismicDataIBM(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、道头指针以及一个临时指针变量，共五个指针变量。

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

之前的任务中fread(dataInput[itrace],nt * sizeof(float),1,fpinput)，

整个读、写流程为：fpinput-->读取nt个数据-->dataInput[itrace]-->写入nt个数据-->fpoutput

本次任务中需要对数据进行变换，流程变为：fpinput-->读取nt个数据-->temp-->IBM/PC转换-->dataInput[itrace]-->写入nt个数据-->fpoutput。

（3）打开输入、输出文件指针

fpinput = fopen(filenameInput, "rb");  //open input file pointer
fpoutput = fopen(filenameOutput,"wb");  //open output file pointer
//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）判断文件打开情况

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;
}

（5）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 = exchangeLowHigh16(fileheader.hns) // 高低位转换
_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；
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；
5. exchangeLowHigh16()完成short型的高低位转换，int型的高低位转换使用exchangeLowHigh64()。

（6）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);
temp = (int*)calloc(nt,sizeof(int));
//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(temp,nt * sizeof(float),1,fpinput); // 读取nt个采样点的信息并将结果指向temp
    // 使用trace_ibm2pc将temp位置后nt个采样点的数据，进行IBM-->PC的转换，结果指向每一道开头(dataInput[itrace])
    trace_ibm2pc(dataInput[itrace], temp, nt); 
}//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
    // 使用trace_pc2ibm将temp位置后nt个采样点的数据，进行PC-->IBM的转换，结果指向每一道开头(dataInput[itrace])
    trace_pc2ibm(dataInput[itrace],temp,nt); 
    fwrite(temp, nt * sizeof(int), 1, fpoutput); // 以IBM的格式存回fpoutput
}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)
 // 在每个循环末尾的"}"添加备注，便于寻找和区分
//在写操作完成后释放内存
free(temp); // free temp pointer
free(traceheaderArray); // free traceheader pointer
free2float(dataInput);  // free data input pointer

1. calloc(num,size)：在内存的动态存储区中分配num个长度为size的连续空间，函数返回一个指向分配起始地址的指针；如果分配不成功，返回NULL；
2. malloc(size)：功能与calloc() 相似，不同之处是malloc() 不会将内存值初始化为0，而 calloc()会将新申请的内存填充0。

完整代码

/*****************************************************************************
 Function:       CopySeismicData
 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  :     2022/2/8
 Others:
*****************************************************************************/
#include "ReadSeismic.h"
bool copySeismicDataIBM(const char *filenameInput, const char *filenameOutput){
	segy traceheader;       // trace header
	bhed fileheader;        // file 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; //
	int* temp = NULL;
	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;
	nt = exchangeLowHigh16(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);
	dataInput = alloc2float(nt, ncdp);
	memset(dataInput[0], 0, nt*ncdp * sizeof(float));
	traceheaderArray = (segy*)calloc(ncdp, sizetraceheader);
	temp = (int*)calloc(nt,sizeof(int));
	fwrite(&fileheader,sizefileheader,1, fpoutput);
	for (int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++) {
		fread(&traceheaderArray[itrace], sizetraceheader, 1, fpinput);
		fread(temp, nt * sizeof(int), 1, fpinput);
		trace_ibm2pc(dataInput[itrace], temp, nt);
	}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)
	for (int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++) {
		fwrite(&traceheaderArray[itrace], sizetraceheader, 1, fpoutput);
		trace_pc2ibm(dataInput[itrace],temp,nt);
		fwrite(temp, nt * sizeof(int), 1, fpoutput);
	}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)
	free(temp);
	free(traceheaderArray);
	free2float(dataInput);  // free data input pointer
	fclose(fpoutput); //close output file pointer
	fclose(fpinput);  //close input file pointer
	return true;
}

3 主函数main.cpp及运行结果

#include"ReadSeismic.h"
void main(){
	copySeismicDataIBM("Azi6-Ang35-BZ19-6-1.segy","Outputibm.segy");
}

运行主函数后，程序会读入Azi6-Ang35-BZ19-6-1.segy，这是一个IBM格式的数据。再写入到Outputibm.segy，从而完成对SEGY文件的复制。