歐建斌

0 引言

FITS最初由美國Wells等人于1979年提出[1]，它以獨立于硬件設備的方式描述了數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)本身編碼的一般方法。FITS不像JPG或GIF等僅僅是圖像文件，它可以同時存儲多維圖像、數(shù)據(jù)矩陣及二維表格[3]。1982年，IAU(國際天文聯(lián)合會)確立FITS為標準的計算機數(shù)據(jù)格式[4]，此后便廣泛應用于天文界數(shù)據(jù)的傳輸、分析和存儲過程之中。1990年，NOST(NASA/Science Office of Standards and Technology)推出NOST 100-0.1,成為首個FITS格式的標準。最近，IAUFWG(IAU FITS Working Group)又通過了FITS最新標準IAUFWG 3.0[2]，進一步確立了FITS的地位。

1 FITS

FITS文件由一系列邏輯記錄組成，每一個邏輯記錄均長2880個字節(jié)（一個字節(jié)8位），可見一個FITS文件的大小必定是2880字節(jié)的整數(shù)倍。通常，F(xiàn)ITS文件包含一個或多個HDU(Header+Data Unit),也就是所謂的文件頭和數(shù)據(jù)單元。第一個HDU稱作“Primary HDU”(主文件頭和數(shù)據(jù)單元)或“Primary Array”(主數(shù)組)。主HDU后面可以有任意多個HDU作為擴展部分，擴展部分是可選的。標準的FITS文件有3種不同類型的擴展：圖像文件、ASCII表文件和二進制表文件。

文件頭用來記錄有關圖像的信息和說明，例如FITS格式的標識符，圖像維數(shù)大小，比特數(shù)等。它是用 ASCII方式編碼的字符串，空閑的地方用空格填充。文件頭由多個長80字符的行記錄組成，一個2880字節(jié)的邏輯記錄則剛好包含36個行記錄。每個行記錄表示圖像的某一信息，這樣的設計能夠靈活地定義描述數(shù)據(jù)的參數(shù)。

行記錄都有相同的格式，其語法為：keyword=value/comment。keyword（關鍵字）是由大寫英文字母、數(shù)字、下劃線“_”或連字符“-”組成的長8個字符的字符串。keyword是左對齊的，長度不滿8字符則在末尾用空格填充，但中間不能有空格。如果對keyword進行了賦值，則第9、10列必定是等號和空格“= ”。value（所賦的值）可以是數(shù)值（整數(shù)、實數(shù)或復數(shù)）、字符或邏輯值（T或F），右對齊存放在第11～30列或第11～80列。comment（注釋）用斜線“/”表示，通常從第 31列開始（value后面），若沒有keyword的也可以從第十列開始。

FITS主文件頭必須按順序含有 SIMPLE，BITPIX，NAXIS，NAXISn，END這幾個關鍵字。每個文件頭都以SIMPLE開頭，以END結束，其它行記錄可以插在最后一個NAXISi和END之間。

SIMPLE：邏輯值，T表示該文件是FITS文件，否則為F。它必須且只能出現(xiàn)在主文件頭中。

BITPIX：整數(shù)值，表示數(shù)據(jù)的格式，其值可為8，16，32，64，-32或-64。8表示字符或無符號二進制整數(shù)；16，32和64分別表示16位，32位和64位補碼二進制整數(shù)；-32，-64分別表示IEEE單精度和雙精度浮點數(shù)。

NAXIS：整數(shù)值，表示數(shù)據(jù)陣列的維數(shù)，取值范圍為0～999。若為0，則表示文件頭后沒有數(shù)據(jù)。

NAXISn：非負整數(shù)值，表示沿n軸變化的像素個數(shù)。若NAXIS為0，則沒有這一關鍵字。

END：文件頭結束標記，其后的第9～80列為空格。

FITS擴展文件頭必須按順序含有XTENSION，BITPIX，NAXIS，NAXISn，PCOUNT，GCOUNT，END這些關鍵字。

XTENSION：字符串，表示擴展類型，必須而且只能出現(xiàn)在擴展文件頭中。其值若為“IMAGE”則表示是圖像擴展文件，若為“TABLE”則表示是 ASCII表擴展文件，若為“BINTABLE”則表示是二進制表擴展文件。

PCOUNT：整數(shù)值，用于定義數(shù)據(jù)結構，根據(jù)不同類型的擴展文件賦予不同的值。

GCOUNT：整數(shù)值，表示一個擴展文件包含的數(shù)據(jù)陣數(shù)目，取值多為1。

其他關鍵字是可選的，較為重要的有：

TFIELDS：非負整數(shù)值，表示 ASCII表擴展文件的列數(shù)。

BSCALE：浮點值，表示比例尺，和BZERO連用。

BZERO：浮點值，表示實際值的 0。實際值=BZERO+BSCALE×文件值。

在天文圖像中常用的關鍵字還有 DATE-OBS（觀測日期）、TELESCOP（望遠鏡）、OBSERVER（觀測者）、OBJECT（觀測對象）、EPOCH（歷元）等。用戶還可以設計自己的關鍵字，只要符合定義的規(guī)則而且不與必須存在及保留的關鍵字沖突即可。

文件頭后面緊跟著的是數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，包含符號位的字節(jié)放在前面（高位在前）。以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型按行存放在，不足2880倍數(shù)的用0補足。

2 CFITSIO

2.1 CFITSIO簡介

FITS是標準數(shù)據(jù)格式，對FITS文件的讀寫是許多天文應用軟件的基本功能之一。

FITSIO（Flexible Image Transport System Input Output）軟件包于20世紀90年代由HEASARC（美國高能天體物理科學研究中心）研發(fā)。它用標準Fortran-77語言編寫，包括350多個子程序，源代碼有30000行左右。FITSIO是一個功能強大、但使用十分簡便的軟件包。它支持所有 NOST定義的FITS格式文件及其擴展文件，提供了一個簡單的途徑來讀寫FITS格式文件，而不必擔心復雜的FITS格式標準[5]。在C或FORTRAN語言編寫的程序中直接調用FITSIO的子程序就可以對FITS格式的數(shù)據(jù)文件進行讀寫操作。

自從1995年作最后一次更新后，HEASARC不再支持FITSIO而是推薦另一個FITS讀寫程序CFITSIO。CFITSIO完全使用ANSI C語言編寫，繼承了FITSIO許多強大的功能和優(yōu)秀的特點。CFITSIO是免費軟件，目前最新的版本是3.10。

CFITSIO的新特點[6]：

（一）支持IRAF格式圖像（*.imh）和原始二進制數(shù)據(jù)陣,通過轉化為虛擬FITS格式文件來對文件進行讀寫操作。

（二）能直接讀取FTP或HTTP URL上的FITS文件。

（三）能在內存或共享內存內讀寫FITS文件。

（四）能夠通過標準輸入輸出流在作業(yè)之間傳輸 FITS文件從而減少寫硬盤臨時文件的需要。

（五）能直接讀取壓縮包中的FITS文件，包括GZIP、PKZIP和Unix壓縮包。

（六）能實時過濾或修改FITS表。

（七）表中的任意一列數(shù)據(jù)都能實時地轉換為一維FITS圖像，任何兩列能轉換為二維圖像。

（八）能夠多次打開一個FITS文件為一個獨立的文件，能同時讀寫一個FITS文件里面不同的擴展部分。

（九）能處理大量分層組織的文件。

（十）能通過描述文件結構的 ASCII模版來創(chuàng)建新的FITS表或圖像。

隨著 CFITSIO的廣泛使用，也產生了一系列基于CFITSIO的不同編程語言的軟件包。這些軟件包通過調用CFITSIO，提供了許多簡便易用的接口從較高的層次來讀寫FITS文件，隱藏了繁瑣的操作FITS I/O的細節(jié)。例如用C++編寫的面向對象程序包 CCfits[8]，用 C#.net編寫的CSharpFITS，以及支持Matlab的MFITSIO等。

鑒于CFITSIO承前啟后的作用以及當前的重要地位，本文重點關注CFITSIO的功能和應用實例。

2.2 CFITSIO的功能

大部分CFITSIO程序都有一個較長的完整程序名和一個縮簡的名字。完整的程序名由3～4個單詞組成，用下劃線“_”連接起來，如“fits_open_file”。它們都以“fits”開頭，方便和用戶自己的程序相區(qū)別。第2個單詞表示要進行的操作，第3～4個單詞指明操作的對象?？s簡的程序名以‘ff’開頭，一般長5～6個字符，與Fortran-77版本的FITSIO類似[5]。許多程序都是以“組”的形式出現(xiàn)，不同的只是相關參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，通常由程序名的最后一個字母暗示出來。對比起來，完整的程序更具有描述性，易于閱讀和理解，建議用戶使用這種方式[7]。

在使用CFITSIO前，我們有必要先認識兩個幾乎出現(xiàn)在所有子程序中的參數(shù)：文件指針fptr和狀態(tài)參數(shù)status。fptr是指向當前準備進行操作的FITS文件的結構體指針。而status是用來返回操作是否正常結束的狀態(tài)參數(shù)。

3 對FITS文件的一般操作

使用CFITSIO對FITS文件進行操作，首先必須先打開或建立 FITS文件，操作完畢后要關閉文件。例如：fits_open_image(fptr, filename, iomode, > status)以只讀或讀寫的方式打開一個已經存在的 FITS圖像文件。其中的‘>’符號不是程序參數(shù)，而是為了用戶方便地區(qū)分每個程序中的輸入和輸出參數(shù)[7]。在‘>’符號前面的是輸入?yún)?shù)，后面的則是輸出參數(shù)。參數(shù)iomode=0表示只讀，而iomode=1則表示讀寫。fits_create_file(fptr, filename, iomode, > status)創(chuàng)建并打開一個新的不含任何數(shù)據(jù)的 FITS文件。fits_close_file(fptr, > status)則關閉一個已經打開的FITS文件。

CFITSIO當前正在操作的 HDU叫做 CHDU（Current Header Data Unit）。當一個FITS文件被建立或打開的時候，除非特定指派某一個HDU，否則CHDU自動被定義為第一個 HDU。如果在文件名后面加上擴展參數(shù)（例如：myfile.fits+3或 myfile.fits[3]），則文件打開后會移動到該HDU。需要注意的是 FITS文件的主數(shù)據(jù)單元就是第一個HDU，第一個擴展文件就是第二個HDU了。應用CFITSIO可以知道HDU的位置、HDU的數(shù)目、也可以改變CHDU。調用不同的程序還可以插入不同類型的 HDU、刪除已經存在的HDU，當然還可以復制整個HDU等。

3.1 對FITS文件頭的讀寫操作

CFITSIO提供了一系列子程序來讀寫FITS文件CHDU的關鍵字。在讀取數(shù)據(jù)陣前，可以用fits_get_img_param(fptr,maxdim, > bitpix, naxis, naxes, status)來獲取幾個必要關鍵字的信息。創(chuàng)建FITS文件時，CFITSIO只是寫入了必要的關鍵字以及相應默認的注釋，使用 fits_read_card可以讀取原來FITS文件中的行記錄，再用fits_write_record把該行記錄插入到新文件中。更方便的是CFITSIO在向數(shù)據(jù)陣寫入數(shù)據(jù)前不必知道數(shù)據(jù)陣的各維數(shù)大小，只須在寫入后用fits_update_key更新關鍵字即可[7]。

3.2 對FITS主數(shù)據(jù)組或圖像擴展的輸入/輸出操作

對 FITS文件的操作中最重要的是對數(shù)據(jù)單元的讀寫了，CFITSIO可以讀寫FITS文件中的全部或部分數(shù)據(jù)。例如：fits_read_pix(fptr, datatype, fpixel, nelement, nulval, >array, anynul, status)把從fpixel開始，長nelement的FITS數(shù)據(jù)單元中的數(shù)據(jù)讀進array數(shù)組。其中datatype 是數(shù)據(jù)類型，即BITPIX；fpixel是NAXIS維的數(shù)組，表示讀取數(shù)據(jù)的開始點坐標；nelement表示要讀取數(shù)據(jù)的總個數(shù)；array是存放所獲得數(shù)據(jù)的矩陣。而 fits_write_subset(fptr, datatype,fpixel, lpixel, nulval, > array, status)則把子圖像或整個圖像寫進FITS數(shù)據(jù)單元內。

3.3 對FITS文件的ASCII或BINARY表的操作

在FITS表文件中，行的數(shù)目由文件頭中關鍵字NAXIS2給出，列的數(shù)目由FTIELDS給出，值得注意的是表中第一行或列的位置是1而不是0。CFITSIO同樣能夠獲取表的各種信息及對表行列進行編輯操作。例如：fits_find_first_row(fptr, expr, > rownum, status)可以查找第一個滿足表達式expr的行。fits_delete_rows(fptr, firstrow, nrows,> status)刪除表中從firstrow開始的nrows行。

3.4 錯誤狀態(tài)

幾乎所有的 CFITSIO程序都以兩種方式來返回錯誤信息：函數(shù)本身的返回值和錯誤狀態(tài)參數(shù)status。當函數(shù)返回0或狀態(tài)參數(shù)為0時表示正常返回，否則出錯。CFITSIO還維持一個長80字符的內部錯誤堆棧，它提供詳細的錯誤描述信息，我們可以調用 fits_report_error或 fits_read_errmsg函數(shù)來獲取相應的錯誤信息[7]。需要特別指出的是狀態(tài)參數(shù)status，它既是輸入?yún)?shù)又是輸出參數(shù)，在調用CFITSIO的子程序前必須先將其設置為0，否則子程序將不做任何操作而立刻返回。因此我們在編程時只需在程序的最末端檢查狀態(tài)參數(shù)即可。

3.5 CFITSIO的其它功能

CFITSIO中另一個常用的子程序是fits_iterate_data，它是一個用戶定義面向對象的讀寫圖像或表的方法。雖然相對有點復雜，但其優(yōu)點在于使用較少的代碼高效地完成工作。

CFITSIO最大可支持6TB的FITS文件，通常來說不存在容量問題。同時CFITSIO能夠高速的操作FITS文件，它的最大I/O速度依賴于運行的操作系統(tǒng)。在現(xiàn)今的工作站或PC上最大I/O速度能達到5-10M/s或更快。如果FITS文件存放在內存時，最大I/O速度甚至可以達到30M/s[7]。為了獲得最大的I/O速度,應該以適當?shù)捻樞蛘{用CFITSIO中的子程序，否則將會降低程序的執(zhí)行速度。

[1]Wells D C, Greisen E W & Harten R H. FITS: A Flexible Image Transport System. A&AS, 1981, 44: 363-370

[2]FITS Working Group. Definition of the Flexible Image Transport System (FITS). Version 3.0. 2008.

[3]A Primer on the FITS Data Format. http://fits.gsfc.nasa.gov/fits_primer.html.

[4]IAU. Information Bulletin. 1983,49.

[5]李化南,肖泉寶,邵正義.FITSIO 軟件包的簡介及應用舉例.中國科學院上海天文臺年刊, 2005, 26: 119-124.

[6]Pence W. CFITSIO, v2.0: A New Full-Featured Data Interface. ASPC, 1999, 172: 487-489.

[7]HEASARC. CFITSIO User's Reference Guide. Version 3.0. 2007.

[8]Doxygen. CCfits Reference Manual. Version 2.0. 2008.