高性能的图像采集与处理系统外文翻译资料

 2022-10-27 04:10

High-Performance Image Acquisition and Processing System with MTCA.4

SECTION I

INTRODUCTION

Fast evolution of high-performance cameras in recent years has made them promising tools for observing transient and fast events in large-scale scientific experiments. Complex experiments, such as ITER, take advantage of high-performance imaging system consisting of several fast cameras working in the range of visible and infrared light. However, the application of such devices requires a usage of high-performance data acquisition systems able to read and transfer large amount of data, reaching even 10 Gbit/s for a single camera. The MTCA.4 form factor fulfils the requirements of demanding imaging systems. The paper presents a first implementation of a complete image acquisition system built on the basis of MTCA.4 architecture, which is dedicated for the operation with high-resolution fast cameras equipped with Camera Link interface. Image data from the camera are received by the frame grabber card and transmitted to the host via the PCIe interface. The modular structure of MTCA.4 architecture allows connecting several cameras to a single MTCA chassis. The system can operate in two modes: with internal CPU installed in the MTCA chassis or with external CPU connected to the chassis with PCIe link. The usage of the external CPU opens a possibility to aggregate data from different subsystems. The system supports precise synchronization with the time reference using Precise Timing Protocol (IEEE 1588). The timing modules ensure clock distribution and triggers generation on backplane lines. These allow synchronization of image acquisition from different cameras with high precision. The software support for the system includes low-level drivers and API libraries for all components and a high-level EPICS-based environment for system control and monitoring.

The diagnostic and control systems used in large-scale scientific experiments take advantage of high resolution cameras for the direct image diagnostics to the greatest extent. Digital cameras observing the vacuum vessel of the ITER Tokamak provide crucial information for the machine protection, control and understanding of physics.

The design of these systems is a considerable challenge, not only because of the harsh environment and the nuclear requirements but also with respect to Instrumentation and Control (Iamp;C) of the ITER plant system [1].

Imaging systems acquire data from visible and infrared cameras. The acquired streams of raw data are used for both real-time calculations and off-line analysis once being archived. The foreseen set of diagnostic systems of ITER will make use of about 50 cameras operating with resolution of 1–8 MP (megapixel) and 50–50000 FPS (Frames Per Second). On one hand, the application of modern high-resolution cameras gives a new possibility for diagnostics. On the other hand the imaging system needs to process a large amount of data. The ITER imaging system is under development and therefore the detailed configuration of cameras is still unknown. The estimated stream of data for the machine protection subsystem could reach 100 Gbps of raw image data.

The processing of megapixel images with 1000 FPS in real-time requires an application of powerful computing units [2]. Critical, real-time algorithms can be processed just after the acquisition using Field Programmable Gate Array (FPGA) devices, whereas more complex algorithms that can be calculated in relaxed time (e.g. in range of 100 ms) can be computed using a CPU (Central Processing Unit) or GPU (Graphics Processing Unit) [3] [4] [5] [6].

Digital cameras applied in such experiments need to be synchronized with the machine central control system [7]. The trigger signal starts the acquisition process. In complex imaging system, composed of many cameras, the acquisition of images starts at the same time and generates a large peak of data. The transmitted data must be locally buffered and then sent for archiving and processing.

In the case of ITER diagnostic system, the synchronization should be done with 50 ns accuracy [8].

A suitable standard is required to design such a complex image acquisition and processing system. The scalable architecture should allow transferring large amount of data from digital cameras to CPUs and GPUs, and it should distribute low-jitter synchronization and trigger signals. Health monitoring and a hot-plug are also essential in complex systems. The main challenge is to propose a scalable and reliable solution that is able to process images from a large number of cameras.

The MTCA.4 standard seems to fulfil the requirements and allows designing complex image acquisition and processing systems [9] [10] [11].

The paper has the following structure: in Section II, we first review and analyze the requirements for the image diagnostic system. In Section III, the architecture of the image acquisition and processing system, based on the MTCA.4 specification, is presented. Section IV presents low- and high-level software suitable for an image acquisition. The experimental results and performance evaluation are discussed in Section V.

SECTION II

IMAGE DIAGNOSTICS IN TOKAMAK

Diagnostics systems based on the direct imaging are now widely used in Tokamaks for both the real-time plasma control and off-line physics studies. The visible light emitted by the plasma can be used to monitor the plasma position during the operation, as well as to detect some transient events, such as flying debris that could degrade or interrupt the plasma unexpectedly if not mitigated. The infrared light is also very important to measure the surface temperature of the plasma facing the components subject to high heat fluxes (several ) and particle fluxes. The early detection of overheating areas, called hot spots, is of the primary importance for the pro

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高性能的图像采集与处理系统

第一节 介绍

近年来高性能相机的快速发展,使人们有希望将这些工具用于观察大型科学实验,比如ITER,利用包括在可见光和红外光范围内工作的几个快速相机的高性能成像系统。然而,这种装置的应用需要能够读取和传送数据的量很大,对单个摄像机要求到达甚至10 Gbit / s的高性能数据采集。所述MTCA.4是符合要求的成像系统。本文提出了一种先执行内置MTCA.4架构,这是专门用于配备摄像头Link接口的高分辨率摄像头的快速操作的基础上,一个完整的图像采集系统。从摄像机的图像数据被帧抓取器卡接收和发送到经由PCIe接口的主机。 MTCA.4架构的模块化结构允许多个摄像机连接到单个MTCA底盘。该系统可以以两种模式操作:与安装在MTCA底盘或与连接到与PCIe链路机箱外部CPU内部的CPU,外部CPU聚合来自不同的子系统的数据。该系统支持使用精确定时协议(IEEE 1588)时间基准精确同步。定时模块确保时钟分配和触发背板线的产生。这些允许来自不同的摄像机以高精度图像采集的同步,该系统的软件支持包括低级别的驱动程序和所有组件的API库和用于系统控制和监视基于EPICS高级别环境。

大型的科学实验中使用的诊断和控制系统充分利用高分辨率摄像机以最大程度进行直接图像诊断。数码相机观察ITER托卡马克的真空容器提供的机器保护。这些系统的设计是一个相当大的挑战,这不仅是因为恶劣的环境要求,也与ITER装置系统对于仪表和控制有关。

成像系统获取可见光和红外摄像机的数据。原始数据的获得同时用于实时计算和离线分析,一旦被归档,预见设置ITER的诊断系统将利用约50相机1-8 MP(百万像素)和50-50000 FPS(每秒帧数)的分辨率运行。一方面,现代高分辨率相机的应用给出了一种新的诊断可能性,另一方面,成像系统需要处理大量的数据。国际热核实验堆成像系统开发中,机器保护子系统数据的估计流可以达到100 Gbps的原始图像数据。关键的是,实时算法可以只使用现场可编程门阵列(FPGA)器件的采集后进行处理,可以在宽松的时间来计算更复杂的算法(例如在100毫秒的范围),可以利用CPU计算(中央处理单元)或GPU(图形处理单元)来处理。

在此类实验中施加数字照相机需要与机器的中央控制系统进行同步。触发信号后开始采集过程,复杂的成像系统由许多相机组成,图像的获取开始的同时,会产生一个大的数据峰值。所传送的数据必须在本地缓冲,然后进行归档和处理发送。

在ITER诊断系统的情况下,同步应与50纳秒的精度进行合适的标准要求来设计这样一个复杂的图像采集和处理系统。可扩展的架构应该允许大量数据从数码相机到CPU和GPU的传送,并且它应该分配低抖动同步和触发信号。健康监测和热插拔也是复杂的系统是必不可少的。主要的挑战是提供一种可扩展和可靠的解决方案,它能够从大量的相机中处理图像。

本文的结构如下:在第二节,我们首先回顾和分析图像诊断系统的要求。在第三节中,描述图像采集和处理系统的结构的基础。第四部分提出适于图像采集的低级和高级软件。实验结果和绩效评估在第五节讨论。

第二节 托卡马克图像诊断

直接成像诊断系统目前广泛应用于以托卡马克为实时控制等离子和离线物理的研究。由等离子体发射的可见光可以被用于监视在操作期间等离子体的位置,以及用于检测某些瞬态事件,如飞行碎片可能会降低或意外中断。红外光也很重要,用以测量等离子体朝向组件受到高的热通量(几个)和粒子通量的表面温度。早期检测过热区,称为热点,是用于机器的等离子体操作期间保护,以避免部件的损坏,如熔化,并安装在第一壁部件后方的冷却水系统的连泄漏。为此,图像实时(几毫秒)检测,识别异常事件,将进一步触发中央控制系统进行分析。图像处理技术被用于识别预期热事件的时空图案(即定性分析)。然后,可采取适当的行动,以减小组件过热或等离子体状态改变到最安全的条件。考虑到机器的几何形状和血浆平衡的高复杂性,所有的在容器表面的分辨率必须足够高,以区分直径几厘米的非常局部热点进行监测。在ITER的情况下,这意味着,用于机械保护功能的摄像机必须覆盖到的距离可达10米。摄像机也可用于等离子体壁相互作用,例如理解研究边缘等离子体中的湍流。在这种情况下,时间分辨率可以是非常高的(200 KFPS),系统必须支持大量成像数据的访问。在托卡马克摄像机网络的最新应用表明,几个摄像机数据的组合3D体积重建(例如断层扫描)是非常有前途的,但前提是数据应有良好的校准和同步。

第三节 图像采集系统

一个典型的图像采集系统(IAS)由图像采集卡,图象处理模块和数据传输系统组成。所获取的图像被发送到图像处理系统,以便进一步处理和存档数据。经处理的数据是使用低延迟连接到机器控制或保护系统发送。附加元数据缓冲的图像被用于经由高通量连接归档发送。所述元数据描述所收集的数据(图像分辨率,位深度,帧速率等)和精确地创建的图像时限定。全球同步网络提供了一个参考时钟和触发信号时获得的图像,并允许计算时间戳定义。

A.图像采集系统要求:

国际热核实验堆托卡马克的IAS要处理来自多个摄像机的数据。在ITER的情况下,30个摄像头计划提供分辨率像素和100-1000 FPS图像。在这样的结构中,单个相机可以产生8 Gbps的数据流,而整个系统产生多达240 Gbps的数据流。该IAS系统需要两种类型的连接:

bull;高通量接口将数据归档系统和图像处理,

bull;低延迟,实时连接到机器控制和保护子系统。

图像处理可以使用各种设备,如CPU,FPGA或GPU来实现。 FPGA器件,一帧采集卡上可用的,适用于在更短的时间来计算简单的算法。复杂的算法可以用一个CPU或GPU进行处理,可在较长的时间(几百毫秒的范围)完成。摄像机和时间戳同步应为50 ns的RMS(均方根广场)的精度。

工业摄像机通常通过Camera Link或CoaXPress接口相连。完整的Camera Link实现允许每次最多发送6.8 Gbps的数据,而CoaXPress提供最多25 Gbps的吞吐量。

B.图像采集系统的体系结构

IAS系统获取和处理来自不同摄像机的数据流,该系统应具有分布式体系结构,它应该提供一个分发处理能力,可以连接附加摄像机或图像处理单元。

ITER用于诊断和控制系统的开发三个标准

bull;对于仪器的PXIe PCI扩展

bull;高级电信计算架构(ATCA)

bull;微电信计算架构(MTCA)

所有这三个标准允许设计适合等离子体诊断复杂和高效的图像处理系统。该xTCA(MTCA和ATCA)规范,由PCI工业计算机制造商组织(PICMG)针对电信应用开发,得到了迅速响应,演变为一个苛刻的有吸引力的数据采集和控制系统解决方案。这两种标准都支持传输与吞吐量高达40 Gbps(两倍可供双星配置)数据流。ATCA的仪器是适合于具有大的处理能力的复杂系统,而MTCA专用于较小的系统。基本标准的MTCA.4扩展允许在RTM卡提供额外的空间,并允许使用背板触发信号分布。该MTCA.4的主要限制是每个插槽上的最大功耗为80。连接到外部MTCA.4 CPU刀片服务器的应用程序提供设计专用于图像采集可扩展性和强大的系统的可能性。xTCA系统的一大优点是嵌入式健康监测和先进的系统管理基于智能平台管理接口(IPMI)

第四节 FORM FACTOR图像采集系统

基于MTCA.4规范:

bull;数码相机连接到图像采集卡模块,

bull;本地处理能力帧接收器模块,

bull;连接到实时通信网络(TCN)同步和定时分配模块,

bull;基于与GPU的外部工业计算机图像处理模块,

高吞吐量的网络链接,数据归档网络(DAN)和同步数据网络(SDN)。

该数字数据流开始于照相机,从相机数据转移到一个专用的帧接收器模块,实现为柔性MTCA.4现成托管的高级夹层卡(AMC)。搁架被连接到使用PCIe电缆连结的外部CPU模块。从帧捕获的视频数据是使用DMA(直接存储器存取)直接连接到主计算机存储器传送,数据被通过两个10 Gb/ s以太网连接提供。

A.数码相机

国际热核实验堆高性能视频采集系统需要影像设备提供高帧速率,快速的通信接口和传感器的灵敏度和噪声之间的良好折衷。该系统的所需性能是1000 FPS像素的图像分辨率。假设颜色空间的深度为8比特,就会产生达到8 Gb / s的数据流。视频传输标准是目前在使用中仅CoaXPress接口能够传送这样的数据量的。CoaXPress连接摄像机正在向市场推出,但技术尚未成熟到足以被认为是稳定的。大多数的高速摄像机目前配备的Camera Link(CL)接口,它提供的吞吐量为6.8 Gb / s。

MIKROTRON MC3010 / MC3011系列摄像机可在分辨率达到了285 FPS下产生的吞吐量约6.6 Gb / s。分辨率在大约670的FPS时达到5.4 Gb / s的吞吐量。

B.图像采集用相机连接接口

由于没有COTS(商用现货供应)AMC模块与CL接口,帧抓取器已被构建。TEWS TAMC641 AMC FPGA夹层卡(FMC)通用载板被选定为基本模块。它提供了一个相当大的处理能力,由一个传统的Virtex-5的FPGA提供并支持双QDR-II和DDR2(双倍数据速率)存储器区块。在FPGA的高速链路可以被用来提供个PCIe x4连接到主机CPU。该模块不提供任何前面板IO,相反,它提供了一个FMC子板的地方。同样,没有合适的FMC模块与相机连接的接口可用,所设计的FMC模块捕获并反序列化的数据通过CL接口接收,并使用相对慢的并行LVDS(低压差分信令)总线将其发送到FPGA。

FPGA固件先对准从相机Link接口的三个独立的信道接收的数据,然后时间戳设置有TIFF(标签图像文件格式)报头,接着,数据流被存储在循环缓冲器,在那里将数据使用DMA控制器的主机系统的存储器传送。

帧捕获通过基于MicroBlaze内核嵌入式微处理器系统控制。处理器通过一个简单的串行接口管理照相机的状态,与主机系统的通信由一组PCIe的访问寄存器实现。

C.图像处理模块

该系统的心脏是一个高性能影像处理模块(IPM)。本模块的主要任务是数据采集,集成和处理,以及用于数据归档,控制和保护系统准备的数据流。它也应用为系统操作的管理和监测控制。在本系统中使用的IPM是一种基于PICMG 1.3标准的4U机架式工控机箱。机箱配有两个2 GHz的四核处理器,24 GB的DDR3内存和两个64 GB固态硬盘。它还包含了320 GB(Fusion-io的ioDrive铎320 GB SLC)的存储容量高速闪存卡,该卡与一个PCI Express接口连接。它提供了数据传输的低等待时间,而且它可以实现带宽高达1.5 GB /秒。该装置可用于局部临时数据缓冲,直到其调度到其他系统,例如数据归档系统。此外,在IPM还包括图形处理单元(GPU)-NVIDIA的GeForce GTX580具有PCIe x16的发电机相连。该设备是基于NVIDIA Fermi架构,支持CUDA技术,专门用于并行计算。该GPU拥有512个CUDA核心,主频为1.5 GHz和1536 MB GDDR5 RAM以192.4 GB / s的带宽。所有这些特征使GPU高性能计算单元可被用作附加的、高效率的通用数据处理单元例如为的图像处理和分析算法的执行。

D.数据传输

由于数据处理是基于工业CPU上,一个PCIe接口被选择作为主接口。从图像采集卡到CPU内存,GPU和SSD(固态硬盘)缓冲区的PCIe传输数据。安装在MTCA.4底盘模块载波中枢(MCH)包括一个PCIe交换器,并提供上行链路给CPU 。数据被使用分离10 Gb以太网转移到DAN和SDN。从MTCA.4底盘给CPU的当前的PCIe链路只支持个PCIe x4,这是该系统的主要限制,但是它允许进行整个图像处理和存档路径的测试。

E.同步模块

对PTM-1588适配器提供用于使用IEEE 1588规范与RMS准确性基于MTCA.4控制和数据采集系统中的精确的同步优于20纳秒。模块利用的1 Gb / s以太网连接以获得从TCN的精确的参考时间。高稳定性压控晶体振荡器(OCVCXO)与IEEE 1588-2008大主时钟(GMC)同步。该PTM-1588可以生成在指定的未来时间和时间戳输入事件的同步系统时间的事件。该模块提供同步的参考时钟信号(10 MHz和100 MHz的)和秒脉冲(PPS)信号。事件和时钟可被提供并同时使用前面板连接器和一个MTCA背板分布。通过的PCIe x1接口提供了编程接口和时间戳读数。此链接被用于读取外部或内部的事件发生的实际时钟时间值和时间,通信接口还允许将来的时间事件的配置。附带的Linux驱动程序和访问库提供了一个方便的低级编程接口,标称设备支持(NDS)库提供了更高级别的接口。在图像采集系统,该模块用于提供在硬件级别的所有视频帧精确时间戳,以及间接在EPICS(实验物理和工业控制系统)归档水平。

F.接口与外部系统

1.数据存档网络

数据存档网络是一个可扩展的沟通渠道,使科学数据从快速控制器进入CODAC DAN数据归档系统进行传输,被设计为承载高数据量(高达50 GB /秒),可靠性高。在图像采集系统的情况下,DAN是使用一个专用的10 GB / s以太网连接部署。包括一个可伸缩的第0层存储接口设备,允许连续的数据流以全速从所有客户在整个等离子脉冲。

2.同步数据总线网络

同步数据总线网络提供高可用性,实时反馈控制数据和工厂系统仪表和控制中的异步事件的确定性传输协议。它是基于万兆UDP多播网络抖,在SDN网络的总带宽是在25 MB / s和100 MB /秒之间。除了这个常规的和

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