一种用于托卡马克的等离子体图像实时处理的系统和方法

本发明涉及到等离子体图像采集和信号处理，具体涉及到一种用于托卡马克的等离子体图像实时处理的系统和方法。

背景技术：

1、托卡马克装置是用于可控核聚变研究的磁约束等离子体实验装置，在实验过程中，等离子体受到强磁场约束时，内部存在各种不稳定性事件，例如磁流体不稳定性，等离子体破裂，垂直位移或者真空室杂质掉落等事件的发生，这些事件发生的时间尺度大约在毫秒尺度，因此在托卡马克装置上对等离子体图像进行每秒1000帧及以上的高速采集并对图像进行毫秒级别的实时图像处理具有重要意义，从而能够更好地实现对等离子体的控制以保证长时间、高参数的等离子体运行。同时，托卡马克装置内部及其周围有较强的电磁信号干扰现象，为了保证采集高速采集和实时处理系统中各个组件能够正常工作，需要屏蔽电磁信号干扰；

2、目前使用在托卡马克装置内部的图像实时采集诊断系统，由于高速相机每秒产生数据量较大及处理时延等条件限制,当前系统仅对采集到的图像数据进行存储和简单的数据拼接操作，用作全局视场展示作用，由于采集帧率和数据处理速度问题无法满足控制系统的实时性要求，未能向控制系统提供实时诊断信号。在图像传输上使用传统的串行传输，对图像处理任务实时性无法得到保证；在任务处理方面，所有任务所处理数据均通过反射内存网络串行传输，无法保证实时性要求；

3、为了向等离子体控制系统提供基于实时采集图像的多种不同方法的实时诊断结果，需要在指定周期内将各种诊断结果发送给等离子体控制系统，以便系统根据诊断结果调整控制参数。因此，需设计一个图像高速采集和实时处理系统以满足等离子体控制系统的需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于托卡马克的等离子体图像实时处理的系统及方法，以解决对高速相机采集的图像数据进行多种不同处理方法的实时处理并在指定时间周期内向等离子体控制系统发送诊断结果的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种用于托卡马克的等离子体图像实时处理的系统，该系统包括，

3、数据交换机；

4、数据采集服务器，所述系统中设置有m个数据采集服务器，数据采集服务器包含图像采集模块、图像并行发送模块、任务调度模块、短耗时图像处理模块和图像存储模块，其中，m为正整数；

5、数据处理服务器，所述系统中设置有n个数据处理服务器，数据处理服务器包含图像并行接收模块和长耗时图像处理模块，n为正整数且为m的倍数；

6、数据存储服务器，所述系统中设置有m个数据存储服务器，包含图像并行接收模块和图像存储模块；

7、其中，图像采集模块包含高速相机及图像采集卡，图像采集模块用于将相机实时获取的每一帧图像传输至数据采集服务器中，图像并行发送模块和图像并行接收模块使用图像高速并行传输方法将实时采集到的每一帧图像从数据采集服务器传输至数据处理服务器和数据存储服务器内存中；

8、图像存储模块，用于将暂存在服务器内存中的图像数据并行写入服务器硬盘；短耗时图像处理模块，用于在数据采集服务器中，对单帧图像进行较简单和计算资源消耗较少的处理任务；长耗时图像处理模块，用于在数据处理服务器中，对单帧图像进行较复杂、计算资源需求较大或硬件相关的处理任务；

9、任务调度模块，根据任务调度算法，将任务分配至短耗时图像处理模块或长耗时图像处理模块处理，以满足系统实时性和稳定性的要求；

10、其中，上述每个数据采集服务器、数据处理服务器、数据存储服务器上都安装多个反射内存卡，各反射内存卡均通过光纤连接至数据交换机，并形成一个反射内存网络。

11、另一方面，所述任务调度算法包含以下步骤：

12、(1)计算公式其中为短耗时图像处理模块处理最近5次任务完成任务平均时长，每次短耗时图像处理模块处理任务时计时，并在任务完成后对进行更新，为长耗时图像处理模块处理最近5次任务完成任务平均时长，每次长耗时图像处理模块处理任务时计时，并在任务完成后对进行更新，为从数据采集服务器通过数据并行发送模块将单帧图像发送至反射内存网络中，同时数据处理服务器使用数据并行接收模块将该单帧图像从反射内存网络接收至数据处理服务器内存中的最近5次完整过程的平均耗时，∈为一个根据经验知识和多次实验得到的常数；

13、(2)判断上式计算所得结果，当u>0时，任务调度模块将本次任务发送至数据处理服务器上并执行，当u≤0时,任务调度模块将在数据采集服务器上执行本次任务；

14、(3)对每次单帧图像的实时处理任务执行过程整体和每个模块执行均计时，并更新参数和

15、另一方面，所述图像并行传输方法包含以下步骤：

16、图像并行发送方法：

17、(1)将在数据采集服务器中存储的单帧图像实时分割为x块大小相同的数据块；

18、(2)将每个数据块并行地通过x张反射内存卡写入反射内存网络中指定位置；

19、其中，x为正整数，以提高单帧图像发送效率至x倍；

20、图像并行接收方法：

21、(1)用于从反射内存网络中指定位置使用多张反射内存卡实时并行读取图像并行发送模块传输的每个数据块；

22、(2)将每个数据块写入图像并行接收模块所在的服务器内存中；

23、另一方面，所述系统使用屏蔽电磁干扰方法预防复杂电磁环境对高速相机及实时数据传输造成干扰；具体包括如下方式：

24、(1)用锡箔纸包裹高速相机以屏蔽电磁信号干扰；

25、(2)将高速相机电源放置在空心铅块中以屏蔽电磁信号干扰，防止电源不稳定导致采集系统崩溃；

26、(3)在高速相机和图像采集卡间进行信号传输时使用光纤和光电转换模块，从而避免电磁信号干扰。

27、另一方面，提供一种用于托卡马克的等离子体图像实时处理的系统的高速图像采集和实时处理方法，包括以下步骤：

28、(1)初始化所有硬件设备，包括高速相机、图像采集卡、数据交换机和反射内存卡，清空所有缓存数据，将互斥信号量v1，v2，s均初始化为0，任务调度互斥信号量初始化为0；

29、(2)将高速相机及图像采集卡设置为连续采集模式，将反射内存卡设置为循环发送数据模式和冗余传输模式；

30、(3)数据采集服务器中图像采集模块开始连续采集单帧图像，待单帧图像数据传输到数据采集服务器内存后，互斥信号量s赋值为0，此时计为t0时刻；

31、(4)t0时刻，数据采集服务器调用图像并行发送模块，并在图像并行发送模块发送该单帧图像完成后，若判断累计已发送图像计数为奇数，将互斥信号量v1赋值为1，互斥信号量v2赋值为0，若判断累计已发送图像计数为偶数，将互斥信号量v1赋值为0，互斥信号量v2赋值为1，互斥信号量s赋值为1，此时计为t1时刻；

32、(5)t0时刻，数据采集服务器还将当前单帧图像的处理任务提交至任务调度模块，任务调度模块根据任务调度算法选择使用短耗时图像处理模块处理此任务或者发送任务调度信号让数据处理服务器处理此任务，短耗时图像处理模块处理完成后将处理结果提交等离子体控制系统使用，最后将单帧图像存储至数据采集服务器内存中，待缓存的图像数据达到一定数据量后使用图像存储模块一并写入数据采集服务器硬盘；

33、(6)t1时刻，数据处理服务器和数据存储服务器中图像并行接收模块不断监测互斥信号量s、互斥信号量v1和互斥信号量v2，当互斥信号量量为有效状态时，即为互斥信号量s为1、互斥信号量v1为0、互斥信号量v2为1或者互斥信号量s为1、互斥信号量v1为1、互斥信号量v2为0时，从反射内存网络中读取单帧图像并传输至数据处理服务器内存和数据存储服务器内存，计为t2时刻；

34、(7)t2时刻，数据处理服务器调用长耗时图像处理模块完成当前单帧图像的处理任务，并将处理结果提交等离子体控制系统使用；

35、(8)t2时刻，待数据存储服务器中内存中缓存的图像数据达到一定数据量后使用图像存储模块一并写入数据存储服务器硬盘。

36、本发明具有以下优点：

37、1、本发明提供的高速图像采集和实时处理系统，在强电磁干扰环境下能做到性能稳定、实时性强、能满足等离子体控制系统对实时性和稳定性的要求；

38、2、实时采集图像数据并对每一帧图像进行实时处理，按任务调度方法分别将任务分配在短耗时图像处理模块在数据采集服务器上进行处理或者长耗时图像处理任务在数据处理服务器上进行处理：短耗时图像处理任务在数据采集服务器本地完成对图像的快速处理，可快速相应等离子体控制系统的需求；或者分配在长耗时图像处理模块中主要是一些对图像进行较复杂、计算资源需求较大的处理任务或需要特定硬件设备完成的任务；

39、3、图像并行发送和并行接收模块，采取分片的方式将图像数据向反射内存网络中写入和读取，极大地提高了单帧图像发送和接收的速度，将传统的串行方法改为并行方法，传输速度提升x倍，例如反射内存网络传输速度约为100mb/s时，大小为2mb的单帧图像数据传统串行方案发送需要20毫秒，在x＝32的条件下并行发送方案只需要0.625毫秒，效率提升近32倍；

40、4、在数据采集服务器上和数据存储服务器上均设置图像存储模块，保证相同数据有两次存储，能够提高系统的容错性。