分布式网络计算在超声成像系统中的运用*

2014-09-28张永宏葛武健龚莉莉

电子器件 2014年1期

关键词：数据处理分配系统

张永宏，葛武健，龚莉莉，王琦

(南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)

分布式网络计算在超声成像系统中的运用*

张永宏*，葛武健，龚莉莉，王琦

(南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)

超声成像后期数据处理复杂度高，时效性不足。介绍了一种基于TCP协议和LabVIEW技术的网络分布式计算系统实现方法，充分利用分布广泛的空闲网络计算机资源，在任何时刻，系统能够自适应地管理主从机网络连接、协调已连接的主从机间任务分配、获取从机返回计算结果。以达到更快速地完成超声成像的目的。详细阐述了该系统的实现过程，并通过该方案实现了工件截面的快速成像。与FPGA等通过硬件进行并行计算的方法相比，该方法充分利用现有资源，通过软件功能的增加达到快速计算的目的，降低了系统的成本。

无损检测;超声成像;分布式网络计算;自适应TCP连接

超声成像系统中，波束合成算法能有效通过软件实现波束的动态聚焦偏转，得到所有场点的特征信号，实现成像，但其复杂的计算量，使系统数据处理时效性不足。目前改进此不足使用较多的方法是使用FPGA，一方面解决了高速采集部分的难题，同时由于其具有并行计算能力，处理速度较快。

本文采用先采集后合成的准实时超声相控阵检测方法，在进行数据采集时，将N阵元线性阵列超声换能器中各阵元依次作为激励阵元、其余阵元依次作为传感阵元，经N×(N-1)次超声发射与采集后，将原始超声数据保存至主机。利用合成聚焦理论，对工件中某场点位置A进行信号聚焦，按照参考阵元以及目标场点的空间位置，在各传感阵元接收信号时进行精确的相位延时，并进行信号叠加波束形成，以得到A处的聚焦回波信号［1］。成像的过程实际就是对成像区域内逐点聚焦，对得到的各点处聚焦信号进行缺陷信号提取或功率谱分析实现区域成像。完成一次区域成像需要上万次的接收聚焦处理，根据虚拟仪器的软件即是仪器的思想，将数据运算的任务全部交由计算机处理，为得到用户感兴趣区域所有点位置的特征信号，需要运用波束形成算法进行若干次波束叠加运算。故计算量较大，对数据处理系统要求较高。

1 超声成像分布式计算系统组成

由于合成聚焦计算量大，单台计算机计算能力存在瓶颈，数据处理速度不太理想，而对于这种算法特定，计算任务繁多的计算模式，可以利用网络中某台计算机将所有计算任务集中管理，必要时分发给网络中各台计算机进行运算，并返回计算结果。据此，提出了一种基于分布式网络计算的数据处理方案，利用网络计算机资源进行数据协同处理。与使用FPGA实现并行计算相比，该方法通过增加软件功能、利用空闲计算机的方式，明显改善了系统数据处理速度，而未增加任何硬件元器件，降低了系统的成本，有较好的经济性。而相对于单机数据处理，该方法能显著提高整个系统的运算速度。

本分布式计算系统可以解决高负荷计算问题，系统采用主从结构，一台主机作为服务器，若干台从机作为客户机，主机作为协调、控制中心，与局域网内的从机或互联网上的从机进行通信，传输原始数据，分配计算任务，并接收和解析从机返回的数据。由于UDP传输数据的不可靠性，本系统除了任务开始时通过UDP广播新任务外，其余过程全部采用TCP连接以保证数据传输的可靠性［2］。系统拓扑图如图1所示。

图1 系统拓扑图

2 主从机自适应连接

在系统高层软件控制方面，本文根据系统需求设计了主从机控制软件，实现主从机握手，建立TCP连接，数据传输，协同计算等功能。其中主机作为协调控制枢纽，其工作流程图如图2所示。

接收到新计算任务时，主机开始执行，打开并监听6341端口，随时准备与各从机建立TCP连接接收新任务指令，从61556端口UDP广播新计算任务的指令，并通过监听6341端口，作为TCP被动连接端，等待各个从机的TCP连接，从机若已预先运行，如图3所示，在监听到主机广播信息后，从机会解析主机IP并尝试与主机6341端口建立连接。连接成功后开始收发数据。主机在与某从机连接后，通过解析从机发送的数据，执行相应的操作，在分配完新计算任务后，主机循环执行监听6341端口到判断总任务队列是否已计算完毕的操作，当TCP连接队列中有多个连接时，主机通过轮洵方式依次对各个从机收发数据。从机若未预先运行，在主机轮洵各TCP连接会话时［3-5］，若遇到新的从机需要加入，则主机将保持之前加入的从机连接会话不释放，并将新的从机(如果有)加入连接队列中，继续执行分配任务，协同计算的操作。

图2 主机工作流程

与此同时，在主机轮洵各TCP连接时，若发现某个连接出错，则主机自动终止该连接，重新分配上一次分配给该连接的任务至其他从机，并更新已建立连接列表。以此自适应地达到动态管理多TCP连接、动态分配计算任务的目的。

图3 从机工作流程

在主从机建立连接前，从机若是预运行的，则不需要知道主机IP地址，可从主机广播的指令中解析到主机IP，若是主机已进行计算，从机是后期加入计算的，主机不需要任何操作，而从机需要手动输入主机IP地址，与主机建立连接后，主机会自动协调任务分配以使后期加入的从机加入计算。如图3所示。

从机与主机建立连接后，首先向主机请求原始计算数据，原始数据接收完毕后，从机完成了进行分布式计算的准备条件，可向主机请求计算任务，此时从机进入循环状态，请求到计算任务时，解析任务数据，得到计算参数，调用内置在从机程序中的超声相控阵聚焦算法并传递计算参数后，经计算得到该参数下超声相控阵聚焦结果，将该结果返回给主机即完成一次计算任务。从机将持续执行申请计算任务到返回计算结果的操作，直到收到主机任务队列已结束的通知，收到主机任务队列已结束的通知后，从机将跳至监听61556端口的操作，等待主机广播新的计算任务，方便下次的自适应连接。

另需要特别注意，当从机通过互联网与主机连接协同计算，且从机或主机存在路由连接的内部网络时，由于大部分路由器默认不进行端口转发，需要事先指定路由对网内某台机器的某个端口进行路由转发方能使用本软件。任务开始的广播计算任务指令亦是同样的道理:路由默认只在内网广播，外网时需要手动输入主机IP地址并在主机开始任务后加入计算。

3 计算任务分配

超声成像实际就是对成像区域逐点聚焦，即对图像上各个像素点进行聚焦绘制，完成一副图像需要进行上万次的延时叠加波束形成过程，本计算系统就是将成像区域所有位置分成若干个任务，由主机统一协调管理，动态地、按需地分配给各个从机进行任务分配、算法处理并返回处理结果。相当于在主机与从机集群间建立了两条虚拟的上下行通讯管道。如图4所示。

运用法治方式、实行多元主体共同治理，是我国近年来探索国家治理现代化的经验总结和实践创新，在构建现代乡村治理体系过程中也要逐步探索这一治理手段。《中共中央国务院关于实施乡村振兴战略的意见》提出，要“建立健全党委领导、政府负责、社会协同、公众参与、法治保障的现代乡村社会治理体制，坚持自治、法治、德治相结合，确保乡村社会充满活力、和谐有序”[3]19。根据意见要求，在具体的乡村治理中，应着力做好三个方面。

图4 主从机任务分配示意图

任务分配时根据分配时任务数据块的大小，可分为动态在线分配和离线计算分配汇总两种工作方式。

(1)动态在线分配

所谓动态在线分配是指主机实时掌握从机数据处理进度，依据从机是否已处理好已分配任务，决定是否执行新任务分配，动态在线分配由于是根据从机实际处理状态进行任务分配，故从机能够根据自身计算能力申请任务，适应性较好，从机集群能较整齐地完成总任务。

由于存在多个TCP连接，各连接数据处理速度的差异，导致主机为各个从机分配任务时，可能出现重分配和漏分配的问题。因此，在任务分配时，采用队列原理，在内存中开辟一块可移位的缓存区(栈)，将所有或部分任务数据快速存入队列中，根据先入先出原则，保证各任务数据分配一次。

漏分配的情况常发生于从机收到任务数据后正在进行计算尚未返回计算结果，而由于网络出错或人为操作等原因该从机与主机中断了连接，导致主机分配出了任务，但却未能获取计算结果，使整个数据处理结果呈现不连续性。解决方法是在主机端对上一轮所有连接下各从机与分配给它们的任务数据的对应关系进行一次寄存，当检测到某个从机连接出错时，将上一轮该从机分配到的任务数据收回，重新分配给别的从机，确保所有任务不丢失。

(2)离线计算分配汇总

该模式下，主机根据当前连接的从机数量，将总任务进行该数量下的任务均分，并将均分后的任务集分配给各个从机进行计算，之后主机进入空闲等待周期，待各从机计算好后将结果集回传给主机，也就是说该模式下，主机与从机只进行一次数据互传。

相比于动态在线分配计算，离线计算分配汇总由于是以数据集合的方式进行数据传输，从机在计算过程中不需要等待数据传输，各从机理论上有更好的效率;但事实上，从机集的各个从机往往计算能力各不相同，这种模式计算下有可能出现主机已收到大部分从机返回的计算结果只在等某台从机的情况，而且由于网络状况的不一致，也增大上述情况的发生概率。而动态在线分配却能自适应地解决这些问题。

4 TCP不定长数据的传输

在LabVIEW环境下，网络或者串口等方式发送和接收数据的类型只能是字符串，且网络接收字符串时需要预先限定字符串字节数，这不便于动态发送数据。解决方案如图5、图6所示，本文通过2次写入TCP数据的方法成功解决此问题，第1次写入要发送的字符串长度(LabVIEW中一个字符为1 byte)，第2次写入该字符串;另一方面，在读取时相应地亦采用先读取字符串长度，再通过读取该长度字节数TCP数据的方法完整地获取该字符串。

图5 TCP不定长数据发送子程序

图6 TCP不定长数据接收子程序

TCP第1次发送数据时发送的是字符串长度32位整型数据，正好4 byte，经强制类型转换而来，故在图6中，第1次读取TCP数据时要读取4 byte长度数据。将该4 byte长度数据还原成整型数据后作为第2次读取TCP数据时的读取长度参数，以完整接收所发数据。

不定长TCP收发数据的实现为本系统动态收发TCP数据提供了方便，为各个功能模块提供了统一的数据收发接口，调用更灵活、方便。

5 数据帧的格式说明及解析过程

为方便主机或从机解析对方发送的数据，本文TCP传输数据帧格式如图7所示，数据帧由帧头和帧内容构成，帧头中包括该数据的发送方、该数据的类型。数据类型包括任务数据、结果数据等。

图7 TCP传输数据帧格式

接收方在解析发送来的数据时，通过对数据帧中分隔符的匹配，可以方便地提取出发送方IP信息、发送的数据类型、数据内容等信息。通过TCP不定长数据传输方法，数据帧的大小也不需要进行规定。如”172.16.72.239+taskpackage+(101，92);”表示计算机”172.16.72.239”发来任务数据(101，92)。

6 功能测试

本文对某一工件110 mm×110 mm的区域进行成像，图像像素与实际面积的对应关系为1像素对应1 mm2(若想成像质量更精细可以选择1像素对应更小面积，如0.01 mm2)，共需进行110×110= 12 100次延时叠加波束形成过程。如图8和图9所示为工件的尺寸图和实物图。

在本地成像程序和分布式计算主机程序中均加入了计时功能。其中本地成像程序完成本文测试试件的成像共耗时85.609 s，如图10所示;而在本次通过5台局域网从机进行分布式网络计算成像则耗时26.12 s(不计未有从机连接时主机空转等待时间)，如图11所示，数据处理速度是本地处理速度的3.3倍，效果提升明显。

图8 工件尺寸图

图9 工件及阵列阵元实物图

图10 本地成像结果

图11 分布式计算成像结果及参数显示

将成像结果图经图像识别技术和增强处理后，得到如图12所示结果。分析结果图像，通过提取缺陷中心像素坐标，转换成尺寸坐标后，缺陷中心位置坐标在(0.048，0.049)处，与实际缺陷中心位置坐标(0.05，0.05)的相对误差为3%(横纵坐标加权相对误差)，准确度较好。

图12 成像结果图像增强

7 结束语

LabVIEW是当今全球应用最广泛的图形化虚拟仪器开发环境，若将网络技术与虚拟仪器技术结合起来，构成网络化虚拟仪器系统，利用强大的网络资源，不仅能够实现工业控制和数据测量的远程传输和通信，更能充分利用空闲的网络计算机资源，为测控系统的数据处理提供更强大的动力。

本文阐述了一种适用于相控阵超声检测［6-7］的自适应分布式网络计算方法，联网的空闲计算机后台运行本计算系统的客户端软件后，在对用户透明的情况下，主从机能够自适应地协调网络计算机资源，根据各从机处理能力动态地分配计算任务，以协同、并行计算的方式达到更快地进行数据处理的目的。相比于FPGA，该方法未增加任何硬件，节约了成本;相对于单机运算，该方法能显著提高整个系统的运算速度，是测控领域网络计算［8-9］的一次较好尝试。

［1］张永宏，葛武健，孙亚杰.一种相控阵超声波检测系统的实现方法［J］.计算机仿真，已录用.

［2］毛顿.LabVIEW测控系统的网络访问技术研究［D］.武汉.武汉理工大学，2002:30-40.

［3］胡吉朝，王定远，王占锋.中断式网络通信技术在LabVIEW下的实现［J］.微计算机信息.2008.24(12):167-169.

［4］陈宵雅，金心宇，盛立峰，张昱.基于PDA的无线网络化虚拟仪器［J］.电子器件.2006，29(2):515-518.

［5］高桦，钟昊.基于WLAN的陀螺综合虚拟测试系统设计和实现［J］.传感技术学报.2010，23(11):1667-1672.

［6］钟志民，梅德松.超声相控阵技术的发展与应用［J］.无损检测，2002，24(2):69-71.

［7］鲍晓宇.相控阵超声检测系统及其关键技术研究［D］.北京.清华大学，2003:38-55.

［8］李婧.基于LabVIEW的测控技术虚拟网络实验室的研究与构建［D］.广西.广西大学，2008:72-91.

［9］高先君.LabVIEW在多任务测控系统中的应用［D］.南昌.南昌大学，2006:28-37.

Distributed Network Computing in Ultrasonic Imaging System*

ZHANG Yonghong*，GEWujian，GONG Lili，Wang Qi
(School of Information Science and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

The complexity of the calculation of a large amount of data processing applications like ultrasonic imaging system leads to a bad effectiveness of the system.A network distributed computing system based on the TCP protocol and virtual instrument technology is introduced to achieve the target for full use of the wide distribution network of computer resources，through the distributed network computing solutions，in any time，adaptivemaster-slave network connectionswill be established，and the connected matser-slavermachines can handle with the task allocation，and slavemachines return the calculated results and other issues in order to achieve the purpose of computing tasksmore quickly.Finally，the ultrasonic phased array imaging system is implemented quickly with this solution.Compared to FPGA，thismethod achieves the target for fast computing by fully using the available resources without adding any hardware，which can save a lot of cost.

nondestructive testing;ultrasonic imaging;distributed network computing;adaptive TCP connection

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.039

TP274.2 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0162-06

项目来源:教育部留学回国人员科研启动基金项目(教外司留［2010］609号);江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXLX12_0515)

2013-04-27修改日期:2013-05-27

EEACC:UDC:TP274.2

张永宏(1974-)，男，汉族，山东临沂人，南京信息工程大学，博士后、教授。主要研究领域为超声检测与信号处理，气象装备自动化与机电一体化系统集成，模式识别与智能系统，精密机械与仪器等，zyh@nuist.edu.cn;