扫描探针显微镜中数据格式的分析及转换程序的设计

　　近年来，伴随着扫描探针显微镜( SPM) 软硬件平台的不断发展和广泛应用，SPM 技术的标准化问题在国内外受到越来越多的关注[1 ～ 3]。国际标准化组织( ISO) 已经于 2004 年将 SPM 标准化列入其工作框架之内并建立了相应的技术委员会和分委员会( TC201 /SC3，data management and treatment)[4]。

　　在 SPM 的数据格式方面，由于所用硬件平台的不同等原因，各制造商所生产的扫描探针显微镜大多使用专用的数据格式。目前存在几十种不同的SPM 数据文件保存格式，大部分都是非开放的，只能在某种特定的软件平台上存取及进行相关的处理。这些格式一般互不兼容，也难于转换，为数据后续的分析处理和交流共享带来不便。为此，ISO 建立了相应的研究小组( WG-1，information formats) 深入研究 SPM 中的数据管理问题[4]; 其近期目标是发展一种公共的数据格式转换标准和相应软件使不同仪器采集的数据能够互相交换，提出 SPM 数据格式标准化的详细需求。根据 ISO 目前公布的基本思路，最终将建立集成的 SPM 数据库完成数据的标准化[5]。

　　本文研究 SPM 的数据格式及其标准化问题，提出一种基于二进制的数据存储方案，旨在建立一种能将 SPM 仪器所产生的数据及其处理结果进行完整存储的统一文件格式标准，实现存储格式的标准化。通过对 SPM 数据格式的广泛调查及目前发展趋势的研究，本文提出了一种基于 HDF5 的 SPM 统一数据格式规范方案。该方案能完全兼容现有流行的各种格式标准，并完全无损地将它们所包含的数据包容进来，实现了标准的前向兼容。本文所提出的方案能方便地实现现有格式向新格式的过渡，同时具有良好的开放性、可扩展性和存储性能，能够满足 SPM 领域未来对数据的存储、处理和共享的要求，可为 SPM 数据格式标准化的实现提供参考。

　　1 SPM 数据格式分析

　　1. 1 SPM 数据文件及其组成

　　SPM 数据文件包含了 SPM 仪器对样品进行测量、扫描、加工等数据及后处理结果等相关数据，并以纯文件形式存储于普通文件系统中。一般地，SPM 数据文件所承载的主要信息包括两类: 实际数据及元数据。其中，实际数据一般是以多维数组形式存储的若干次彼此独立或相关的扫描、测量的数据。元数据主要是实际数据的相关注释或辅助说明，如数据的基本结构类型、数组的维结构、附加说明。除主要信息外，文件也可能会附带一定结构的文件头部。以上信息构成了 SPM 数据文件，如图 1.

　　1. 2 几种典型的格式

　　1. 2. 1 Veeco-NanoScope[6]

　　图 2 给出 Veeco 公司的 NanoScope 平台软件所生成的数据文件格式的典型结构。其中，元数据采用以行为单位的 ASCII 字符组织形成描述，图像等大量的数据附在文件最后并以二进制形式存储。数据文件后缀名通常可用正则表达式“[0 ～ 9]{ 3} ”表示，从“000”开始自动递增。