SEGY IO (IBM&PC)
SEGY是地震勘探存儲數據的標准格式，最早在1975年發布revision 0。由於那時候地震數據的處理一般是在服務器上進行的，當時SEGY文件采用大字節序，數據點是IBM 32位浮點數。2002年發布的版本revision 1增加了IEEE 32位浮點數，但還是采用大字節序。IBM 32位與IEEE 32位的差異主要在於浮點的組成不同：
大字節序(Big Endian)是指其最高有效字節落在低地址的存儲方式，而小字節序正好相反：
PC的處理器都是小字節序的，因此在PC上讀取SEGY格式的文件時，必須進行浮點數的轉換與字節序交換，才能正確地表示為PC上的數。
本文檔將介紹SEGY的讀取與寫入過程，其中包括IBM與PC兩種數據格式的轉換。
程序將調用IEEE2IBM.cpp文件完成IBM與PC格式的互相轉換。
新建頭文件ReadSeismic.h與C++文件ReadSeismic.cpp，以及主程序main.cpp。
1 頭文件ReadSeismic.h的編寫及其規范
1.1 程序描述、調用、聲明、定義
/**********************************************************************
* Copyright(C) 2018,Company All Rights Reserved (1)版權說明
*
* @file : ReadSeismic.cpp (2) 文件名
*
* @brief : 實現地震數據的讀、寫操作 (3) 該文件主要功能簡介
*
* @version : 1.0 (4) 版本信息
*
* @author : Fan XinRan (5) 創建作者
*
* @date : 2022/2/8 星期二 (6) 創建時間
*
* Others : (7) 備注、改動信息等
**********************************************************************/
//調用需要的C頭文件
#include<stdio.h> //C Language header file
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<math.h>
//調用需要的C++頭文件
#include<iostream> // C++ header file
#include<vector>
#include<algorithm>
//調用非標准庫
#include"alloc.h" // 用於創建多維數組
#include"segy.h" // 包含segy與bhed結構體，用於提取卷頭和道頭中采集、存儲的信息
// 定義全局變量及命名空間
#define PI 3.141592654 //Constant Number Definition
#define EPS 0.0000001
using namespace std;
1.2 聲明函數
unsigned short exchangeLowHigh16(unsigned short Data_temp);//16位高低位轉換函數 short占2字節，2*8
unsigned int exchangeLowHigh32(unsigned int Data_temp); //32位高低位轉換函數 4*8
float ibm2pc(unsigned int Data_temp); //IBM轉PC數據
unsigned int pc2ibm(float input); //PC轉IBM數據
float ieee2pc(unsigned int Data_temp); //IEEE轉為PC
void trace_ibm2pc(float *data_output, int *data_input, int nt); //地震道數據由IBM轉換為PC格式
void trace_pc2ibm(float *data_input, int *data_output, int nt); //地震道數據由PC轉換為IBM格式
bool copySeismicDataIBM(const char *filenameInput, const char *filenameOutput); //Copy seismic data from Inputfile to Outputfile
2 C++文件ReadSeismic.cpp的編寫及其規范
2.1 必要的說明
/*************************************************************************************************************
Function: copySeismicDataIBM (1)函數名
Description: copy segy file from input data to output data (2)簡要描述其功能
Input:
const char *filenameInput [in] input filename (.segy) (3)輸入變量及輸入文件類型
Output:
const char *filenameOutput[out] output filename (.segy) (4)輸出變量及輸出文件類型
Return:
bool true program success
bool false program failed (5)返回值及其說明
Author: Fan XinRan (6)創建作者
Date : 2022/2/8 (7)創建時間
Others: (8)備注、改動信息等
*************************************************************************************************************/
2.2 定義讀、寫函數
#include "ReadSeismic.h"
bool copySeismicDataIBM(const char *filenameInput, const char *filenameOutput){
//實現代碼
...
}
（1）定義待使用的結構體變量、數值型變量
bhed 與 segy均為定義在segy.h中的結構體(structure)，分別包含了二進制卷頭信息與道頭信息，使用成員訪問運算符(.)獲取其內容；
使用unsigned int 聲明整型變量，使用long long 或__int64聲明SEGY文件字節數、地震道字節數，防止數據量超出范圍，並且盡可能初始化變量。
bhed fileheader; // file header 卷頭
segy traceheader; // trace header 道頭
unsigned int nt=0; // number of sample 采樣點數
unsigned int sizefileheader=sizeof(fileheader); // size of fileheader;
unsigned int sizetraceheader=sizeof(traceheader); // size of traceheader;
unsigned int ncdp = 0; // number of cdp 道數
long long size_file = 0; //size of input file
long long size_trace = 0; //size of per-trace
（2）新建指針變量
在讀、寫地震道數據這一任務中，需要用到輸入指針、輸出指針、地震道數據指針、道頭指針以及一個臨時指針變量，共五個指針變量。
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
之前的任務中fread(dataInput[itrace],nt * sizeof(float),1,fpinput)，
整個讀、寫流程為：fpinput-->讀取nt個數據-->dataInput[itrace]-->寫入nt個數據-->fpoutput
本次任務中需要對數據進行變換，流程變為：fpinput-->讀取nt個數據-->temp-->IBM/PC轉換-->dataInput[itrace]-->寫入nt個數據-->fpoutput。
（3）打開輸入、輸出文件指針
fpinput = fopen(filenameInput, "rb"); //open input file pointer
fpoutput = fopen(filenameOutput,"wb"); //open output file pointer
//讀寫操作
...
//fopen()與fclose()成對出現，在對文件的操作完成后切記關閉文件
fclose(fpinput); //close input file pointer
fclose(fpoutput); //close output file pointer
（4）判斷文件打開情況
if(fpinput==NULL){ //如果文件指針為NULL
printf("Cannot open %s file\n", filenameInput); //打印“文件打開失敗”
return false; //結束程序
}
if(fpoutput==NULL){
printf("Cannot open %s file\n", filenameOutput);
return false;
}
（5）讀取/計算卷、道信息
fread(&fileheader,sizefileheader,1,fpinput); // 從輸入流(fpinput)中讀取卷頭信息到指定地址---->fileheader
nt = exchangeLowHigh16(fileheader.hns) // 高低位轉換
_fseeki64(fpinput,0,SEEK_END); // 從文件末尾偏移這個結構體0個長度給文件指針fpinput，即fpinput此時指向文件尾
size_file = _ftelli64(fpinput); // 返回當前文件位置，即文件總字節數
size_trace = nt*sizeof(float)+sizetraceheader; // 每一道的字節數 = 采樣點字節數+道頭字節數
ncdp = (size_file - (long long)sizefileheader)/size_trace; // 道數 = （文件總字節數 - 卷頭字節數）/每一道的字節數
_fseeki64(fpinput,sizefileheader,SEEK_SET); // 從文件開頭偏移sizefileheader（卷頭字節數）個長度給指針fpinput，即fpinput此時指向第一道的開始
fwrite(&fileheader, sizefileheader, 1, fpoutput); // 先寫入卷頭
fread()從給定流讀取數據到指針所指向的數組中；fwrite(*ptr, size, nmemb,*stream)參數與fread()相同，把ptr所指向的數組中的數據寫入到給定流stream中；_fseeki64的用法與fseek相同，表示從文件指定位置偏移一定字節數；前者具有更高的兼容性；_ftelli64與ftell同理，返回給定流的當前文件位置；exchangeLowHigh16()完成short型的高低位轉換，int型的高低位轉換使用exchangeLowHigh64()。
（6）遍歷每一條地震道，讀、寫數據
dataInput=alloc2float(nt,ncdp); // 分配nt*ncdp（采樣點數×道數）所需的內存空間，用來存放二維地震道數據
//其中，alloc2float是卸載alloc.h中的函數，創建一個float型的二維數組
//dataInput為二級指針，可簡記為dataInput指向每一行的開頭
memset(dataInput[0], 0, nt*ncdp * sizeof(float)); // 從第一行的開頭開始，將內存塊中nt*ncdp個字符賦值為0
// dataInput指向每行開頭，而dataInput[0]則為整個二維數組的起始位置
// 在內存的動態存儲區中分配ncdp個長度為sizetraceheader的連續空間
traceheaderArray = (segy*)calloc(ncdp,sizetraceheader);
temp = (int*)calloc(nt,sizeof(int));
//逐道讀取道頭與地震道數據
for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++){
fread(&traceheaderArray[itrace],sizetraceheader,1,fpinput); // &traceheaderArray[itrace]為第itrace道的地址，讀取該道頭信息
fread(temp,nt * sizeof(float),1,fpinput); // 讀取nt個采樣點的信息並將結果指向temp
// 使用trace_ibm2pc將temp位置后nt個采樣點的數據，進行IBM-->PC的轉換，結果指向每一道開頭(dataInput[itrace])
trace_ibm2pc(dataInput[itrace], temp, nt);
}//end for(int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++)
//逐道寫入道頭與地震道數據
for (int itrace = 0; itrace < ncdp; itrace++) {
fwrite(&traceheaderArray[itrace], sizetraceheader, 1, fpoutput); // 寫入該道頭信息
// 使用trace_pc2ibm將temp位置后nt個采樣點的數據，進行PC-->IBM的轉換，結果指向每一道開頭(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++)
// 在每個循環末尾的"}"添加備注，便於尋找和區分
//在寫操作完成后釋放內存
free(temp); // free temp pointer
free(traceheaderArray); // free traceheader pointer
free2float(dataInput); // free data input pointer
calloc(num,size)：在內存的動態存儲區中分配num個長度為size的連續空間，函數返回一個指向分配起始地址的指針；如果分配不成功，返回NULL；malloc(size)：功能與calloc()相似，不同之處是malloc()不會將內存值初始化為0，而calloc()會將新申請的內存填充0。
3 主函數main.cpp及運行結果
#include"ReadSeismic.h"
void main(){
copySeismicDataIBM("Azi6-Ang35-BZ19-6-1.segy","Outputibm.segy");
}
運行主函數后，程序會讀入Azi6-Ang35-BZ19-6-1.segy，這是一個IBM格式的數據。再寫入到Outputibm.segy，從而完成對SEGY文件的復制。
完整代碼
I ReadSeismic.h
/**********************************************************************
* Copyright(C) 2018,Company All Rights Reserved
*
* @file : ReadSeismic.h
*
* @brief : 實現地震數據的讀、寫操作
*
* @version : 1.0
*
* @author : Fan XinRan
*
* @date : 2022/2/8 星期二
*
* Others :
**********************************************************************/
//(1)調用需要的C頭文件
#include<stdio.h> // C Language header file
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<math.h>
//(2)調用需要的C++頭文件
#include<iostream> // C++ header file
#include<vector>
#include<algorithm>
//(3)調用需要的非標准庫頭文件
#include"alloc.h" // project header file
#include"segy.h"
#include
//(4)定義全局常量
#define PI 3.141592654 // Constant Number Definition
#define EPS 0.0000001
//(5)聲明命名空間
using namespace std;
//(6)聲明函數名、輸入、輸出及其類型
unsigned short exchangeLowHigh16(unsigned short Data_temp);//16位高低位轉換函數 short占2字節，2*8
unsigned int exchangeLowHigh32(unsigned int Data_temp); //32位高低位轉換函數 4*8
float ibm2pc(unsigned int Data_temp); //IBM轉PC數據
unsigned int pc2ibm(float input); //PC轉IBM數據
float ieee2pc(unsigned int Data_temp); //IEEE轉為PC
void trace_ibm2pc(float *data_output, int *data_input, int nt); //地震道數據由IBM轉換為PC格式
void trace_pc2ibm(float *data_input, int *data_output, int nt); //地震道數據由PC轉換為IBM格式
bool copySeismicDataIBM(const char *filenameInput, const char *filenameOutput); //Copy seismic data from Inputfile to Outputfile
II ReadSeismic.cpp
/*****************************************************************************
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;
}
III IEEE2IBM.cpp
#include"ReadSeismic.h"
unsigned short exchangeLowHigh16(unsigned short Data_temp)//16位高低位轉換函數 short占2字節，2*8
{
unsigned short result;
unsigned short temp1=Data_temp>>8;//右移位
unsigned short temp2=Data_temp<<8;
result=temp1^temp2;
return result;//返回高低位轉換結果
}
unsigned int exchangeLowHigh32(unsigned int Data_temp)//32位高低位轉換函數 4*8
{
signed int *pp=(signed int *)&Data_temp;//讀取Data_temp地址
char *b;
b=(char *)pp;
unsigned char temp = b[0]; //8位為單位
b[0] = b[3]; b[3] = temp;
temp = b[1]; b[1] = b[2]; b[2] = temp;
unsigned int result=*pp;
return result;//返回高低位轉換結果
}
float ibm2pc(unsigned int Data_temp)//IBM轉PC數據
{
signed int *pp=(signed int *)&Data_temp;//無符號整型方式讀取Data_temp地址
char *b;
b=(char *)pp;
unsigned char temp = b[0]; //8位為單位
b[0] = b[3]; b[3] = temp;
temp = b[1]; b[1] = b[2]; b[2] = temp;
double sign = (double)( Data_temp >>31) ; //取符號位
double exp =(double )( ( Data_temp &0x7f000000) >>24) ;
exp = exp - 64 ;
double frac1 = (double )( Data_temp &0x00ffffff ) ;
double frac = frac1/ (pow(2.0,24) );
float result;
result = (float)(( 1-2*sign)*( pow( 16 ,exp) ) *frac);
return result; //返回PC格式數據
}
unsigned int pc2ibm(float input)//PC轉IBM數據
{
if(input==0)
{
unsigned int result;
result=0;
return result;
}
else
{
int sign;//符號位
sign = ( input<0?1:0 ) ;
int exp;//
float input1 ; // attention : cannot use long input1;
input = input * pow(-1.0, sign);//
exp=0;
input1 = input;
if (input >0 ) //
{
if( (int)input>0)// sgyReadWrite();
{
exp++;
while ((int) input1/16 > 0)
{
exp++;
input1= input1/16;
}
}
else
{
while ( (int)input1*16 ==0)
{
exp--;
input1=input1*16;
}
exp++;//
}
}
int e;
e = ( exp + 64 ) ;
double fm = input * pow(16.0,-exp);////////////////
int fmant=(int) ( fm * pow(2.0,24) ) ;//
unsigned int result ;
result = ( sign<<31) | ( e <<24 ) | fmant ;
char *b;
//unsigned int *b;
b=(char*)&result;
unsigned char temp = b[0];//8位為單位
b[0] = b[3]; b[3] = temp;
temp = b[1]; b[1] = b[2]; b[2] = temp;
return result;//返回IBM格式數據
}
}
float ieee2pc(unsigned int Data_temp) //IEEE轉為PC
{
signed int *pp=(signed int *)&Data_temp;//無符號整型方式讀取Data_temp地址
char *b;
b=(char *)pp;
unsigned char temp = b[0]; //8位為單位
b[0] = b[3]; b[3] = temp;
temp = b[1]; b[1] = b[2]; b[2] = temp;
double sign = (double)( Data_temp >>31) ; //取符號位
int e;//
e=(int)((Data_temp & 0x7f800000 )>>23)-127;
unsigned int x ; //
x = (unsigned int)((Data_temp & 0x007fffff) -sign); //- sign : for value < 0
float x0 ;
x0 = x* pow(2.0,-23);
float result;
if ( x0 ==0 && e + 127 ==0 ) //
result = 0;
else
result = pow(-1.0,sign)*(1+x0)*pow(2.0,e);
return result;//返回PC格式數據
}
void trace_ibm2pc(float *data_output, int *data_input, int nt) {
for (unsigned int it = 0; it < nt; it++) {
data_output[it] = ibm2pc(data_input[it]);
}
}
void trace_pc2ibm(float *data_input, int *data_output, int nt) {
for (unsigned int it = 0; it < nt; it++) {
data_output[it] = pc2ibm(data_input[it]);
}
}
IV main.cpp
#include"ReadSeismic.h"
void main(){
copySeismicDataIBM("Azi6-Ang35-BZ19-6-1.segy","Outputibm.segy");
}
參考：
符茂松.32位IEEE和IBM浮點數結構及其轉換方法[J].工程地球物理學報,2011,8(06):759-766.