HDF

Hierarchical Data Format，可以存儲不同類型的圖像和數碼數據的檔案格式，並且可以在不同類型的機器上傳輸，同時還有統一處理這種檔案格式的函式館。大多數普通計算機都支持這種檔案格式。

基本介紹

• 中文名：HDF
• 外文名：Hierarchical Data File
• 簡介：可以存儲不同類型的圖像
• 靈活性：允許用戶把相關的數據對象組合
• 自述性：檔案里的每一個數據對象

背景及簡介

檔案格式是指計算機存儲和處理數據的方式 。目前常用的圖像檔案格式很多, 如 GIF , JPG , PCX ,TIFF 等 。這些格式共同的缺點是結構太簡單 ,不能存放除影像信息外其他的有用數據 ,像遙感影像的坐標值、參數等都無法在其中保存 ,而且用不同格式存儲影像數據使得讀取 、傳輸、共享變得複雜, 因此，有必要建立一種標準格式以解決上述問題。

HDF(Hierarchical Data File)是美國國家高級計算套用中心(National Center for Supercomputing Application,NCSA)為了滿足各種領域研究需求而研製的一種能高效存儲和分發科學數據的新型數據格式 。HDF可以表示出科學數據存儲和分布的許多必要條件。HDF被設計為：

自述性：對於一個HDF檔案里的每一個數據對象，有關於該數據的綜合信息（元數據）。在沒有任何外部信息的情況下，HDF允許應用程式解釋HDF檔案的結構和內容。

通用性：許多數據類型都可以被嵌入在一個HDF檔案里。例如，通過使用合適的HDF數據結構，符號、數字和圖形數據可以同時存儲在一個HDF檔案里。

靈活性：HDF允許用戶把相關的數據對象組合在一起，放到一個分層結構中，向數據對象添加描述和標籤。它還允許用戶把科學數據放到多個HDF檔案里。

擴展性：HDF極易容納將來新增加的數據模式，容易與其他標準格式兼容。

跨平台性：HDF是一個與平台無關的檔案格式。HDF檔案無需任何轉換就可以在不同平台上使用。

科學家通常在不同的機器上生成和處理數據檔案。各式各樣的軟體包被用來多種處理檔案，同時也與其他使用不同機器和軟體的人共享數據檔案。在一組檔案里，這些檔案也許包含不同類型的信息。這些不同類型的信息混合結構在一個檔案里的意義與在另一個檔案里的意義不同。這些檔案也許概念上有關但在實質上卻不同。例如，一些數據（符號、數字和圖形）也許在不同檔案中被分開，但在程式中卻是在一起。有些數據也許在科學家的概念中是相關的，但實際上並不存在物理聯繫。HDF通過提供一個一般目的的檔案結構來表明這些問題：HDF為程式提供一個從數據檔案本身獲取數據（數據元）信息的機制，而不是其他來源。

使用戶把不同來源的混合數據存放在一個檔案里，同時也可以把數據和與之相關的信息存放在不同的檔案里，即便是用同一個應用程式也可以處理這些檔案。常用的許多類型數據集，如光柵圖像和多維數組，對其格式和描述實行標準化。支持使用標準的數據格式，因為所有的機器和程式都會生成一個有明確含義的數據檔案。HDF實質上能被用於任何類型的數據。

HDF 最初產生於 20 世紀 80 年代 , 到現在已經具有兩個不同的產品。從 HDF1 到 HDF4 的各個版本在本質上是一致的 , 因而 HDF4 可以向後兼容早期的版本 。HDF5 推出於 1998 年, 相較於以前的HDF 檔案, 可以說是一種全新的檔案格式, 它與HDF4 只在概念上一脈相承 ,而在數據結構的組織上卻截然迥異。HDF5 的產生與發展反映了 HDF 在不斷適應現代計算機發展和數據處理日益龐大複雜的要求。HDF5 緊跟時代變化也為其自身注入活力,使它被愈來愈多的領域採納、運用 ,許多遙感影像採取HDF 格式存取, 一些大的圖像處理軟體也開始提供接口讀取 HDF 檔案。 HDF 強大的機制適應了遙感影像的特點 ,能夠有條不紊 、完備地保存遙感影像的屬性和空間信息數據 , 同時使查詢和提取相關數據也很方便容易 。

數據類型

HDF提供6種基本數據類型：光柵圖像（RasterImage），調色板（Palette），科學數據集（ScientificDataSet），註解（Annotation），虛擬數據（Vdata）和虛擬組（Vgroup）。

RasterImage數據模型被設計成能為光柵圖像數據的存儲和描述提供一個靈活的方法，包括8比特和24比特光柵圖像。Palette作為顏色查找表提供圖像的色譜。它是一個表格，其表中每列的數字表示特定顏色的數字。ScientificDataSet模型是用來存儲和描述科學數據的多維數組。Vdata模式是用來存儲和描述數據表格的結構。HDF的Annotations是文本字元串，用來描述HDF檔案，或HDF檔案包含的HDF數據對象。Vgroup結構模型被設計為與相關數據對象有關。一個Vgroup可以包含另一個Vgroup以及數據對象。任何HDF對象都可以包含在一個Vgroup中。

HDF檔案的3層互動

HDF檔案可以在幾個互動層次中可視。在最底層，HDF是一個存儲科學數據的物理檔案格式。在它的最高層，HDF是集工具和套用於一體的數據檔案，可以對HDF檔案中的數據進行修改、顯示和分析。在這兩個層次之間，HDF是一個能提供高層和底層編程接口的軟體庫。

基本接口層，或稱為底層的套用編程接口（API），是為軟體開發者保留的。它是為數據流的直接檔案I/O、錯誤處理、記憶體管理和物理存儲而設計的。它是一個為有經驗的HDF程式設計師提供的軟體工具。比較目前從高層接口得到的功能，通過使用這些基本接口層，HDF程式設計師創建HDF檔案時能夠做更多的事。底層接口例程只提供C語言。

HDFAPIs（HDF套用編程接口）分為兩類：多文檔接口（用於新版本）和單文檔接口（用於舊版本）。多文檔接口是提供從一個套用中同時連線幾個HDF檔案的接口，這點很重要，但單文檔接口並不支持這點。用戶在開發新的接口和界面時，必須提醒他們是在一個改進了的新接口版本下開發的。為了向上兼容，舊版本仍然保留。

HDFAPIs包含幾個獨立的例程集，每個例程集是專門為簡化一種數據類型的存儲處理而設計的。儘管每個接口都要求程式調用，但所有底層細節都可以忽略。大多數情況下，只須在正確的時間調用正確的函式，剩下的事就由接口程式處理。多數HDF接口例程都有FORTRAN-77和C語言。也有用於Java程式設計師訪問HDF檔案的JavaHDF接口程式。

HDF4和HDF5

簡述

新一代的HDF5是由NCSA於1998年發布。NCSA支持HDF4並還將繼續支持幾年（細節如下）。HDF5被設計為改善HDF4的一些局限性。HDF4的某些局限性有：

單個檔案不能存放多於20000個對象，單個檔案大小也不能大於2G位元組。

數據模式的兼容性不夠好，有過多的對象類型，數據類型太嚴格。

庫函式過時和過於複雜，不能有效地支持並行口的I/O，很難用於執行緒套用中。

HDF5包含如下的改進：

被設計為一種新的格式用來改進HDF4.x，特別是每個檔案可以存儲更大的檔案和更多的對象。

數據模式更簡潔、更全面，它包含兩個基本結構：多維數組記錄結構，和分組結構。

更簡潔、更利於工程庫和套用編程接口，支持並行I/O，執行緒和其他一些現代系統和套用要求。

雖然HDF5比HDF4有明顯的優勢，但HDF4仍然是在科學界使用得最為廣泛。許多套用軟體都是基於HDF4庫開發的，許多數據產品是按HDF4格式生成的。把這些套用和數據產品從HDF4轉換為HDF5需要花費時間和費用。因此，NCSA仍然支持HDF4並還將持續幾年。

HDF4 與 HDF5 的檔案組織與比較

1. 分層式數據管理結構
   雖然HDF4 和 HDF5 在數據結構上大相逕庭,但它們具有一個共同的特點是分層式數據管理結構。這種結構的特點可被看成一本帶目錄的多章節書,HDF 檔案作為“數據書” ,每一章節包含不同類型的數據元素 ,HDF 檔案用“數據目錄”列出數據元素。
   
2. HDF4 檔案格式
   HDF4 的檔案格式相對來說比較簡單 ,如圖 1 所示 。HDF4 檔案由檔案頭、數據描述符塊和數據元素組成 ,後兩者組成數據對象。數據描述符塊由若干描述符組成 , 它們由標識符(tag)、參照數(referencenumber)、數據偏移量(data offset)、數據長度等組成。HDF4 有8 類基本數據類型:SDS(科學數據集),RIS8(8 位柵格影像), RIS24(24 位柵格影像),GR(通用柵格影像), Palette(調色板),Vdata(表格),Annotation(注釋)和Group(組), 如圖 2 所示 。對每種類型HDF 都提供了高級API供用戶訪問和處理。
   
4. HDF5 檔案結構
   隨著計算機軟硬體的不斷發展, 要處理的數據量和數據類型都變得十分龐大 , 原有的 HDF4 已經無法適應這種要求了。 HDF5 正是在克服 HDF4 缺點基礎上應運而生的。 HDF4 不能存儲多於 2 萬個複雜對象, 檔案大小不能超過 2G 位元組 ,其數據結構不能完全包含它的內容, 隨著對象的增多,數據類型也受到限制,庫代碼過時 , 過於瑣碎 ,不能有效執行並行 I/O , 難於運用到執行緒程式中 。HDF5 的產生解決了上述問題, 不但能處理更多的對象 ,存儲更大的檔案 ,支持並行 I/O ,執行緒和具備現代作業系統與應用程式所要求的其他特性, 而且數據模型變得更簡單 ,概括性更強。HDF5 的邏輯格式如圖 3 所示 。HDF5 只有兩種基本結構 :組(group)和數據集(dataset)。組包含 0 個或多個數據集。HDF4 的 8 種數據類型除注釋外都統一為 HDF5 的數據集。在HDF5 中用一個小數據集 Attribute 表示注釋信息。HDF5 的物理結構如圖 4 所示 。
   
5. HDF4 與 HDF5 結構的映射關係
   雖然HDF4 與 HDF5 不能兼容 ,在一定程度上還是可以互相轉換 。通過一個例子可以更深刻領會兩者的映射關係, 如圖 5 所示 。
   

圖1 HDF4檔案的結構

圖2 HDF4的數據類型

圖3 HDF5的邏輯格式

圖4 HDF5的物理結構

圖5 HDF4與HDF5結構的映射關係例子

總結

HDF 是一種功能強大 ,廣泛運用於科學領域的檔案格式。研究它的組織結構特別是HDF5 的組織結構對於處理和管理地理信息系統的海量圖形數據和屬性數據具有一定的借鑑作用。掌握和運用NCSA提供的API 提取影像數據 ,可以節省時間, 提高程式編寫效率。

二胺

異硫氰酸螢光素 (fluorescein isothiocyanate, FITC) 的衍生物。FITC純品為黃色或橙黃色結晶粉末，易溶於水和酒精溶劑。有兩種異構體，其中異構體Ⅰ型在效率、穩定性與蛋白質結合力等方面都更優良。FITC分子量為389.4，最大吸收光波長為490～495nm，最大發射光波長為520～530nm，呈現明亮的黃綠色螢光。FITC在冷暗地乾燥處可保存多年，是目前套用最廣泛的螢光素。其主要優點是人眼對黃綠色較為敏感，通常切片標本中的綠色螢光少於紅色。

中文名稱：異硫氰酸螢光素

分子式：H21H11NO5S

分子量：389.390

外觀：黃色粉末

含量:≥98%

纖維板

high-density fiberboard，又稱Hardboard。與刨花板不同的是，雖然通常會添加樹脂，木纖維的粘合不需要添加其它材料。且不像刨花板，它不會斷裂和破碎。

加工方式：有乾法和濕法兩種加工方式：濕法一面光滑，乾法兩面光滑。

血液透析模式：血液透析濾過。

縮寫

化工大學附屬中學　化大附（hua da fu）