分布式網(wǎng)絡(luò)計算在超聲成像系統(tǒng)中的運用*

張永宏，葛武健，龔莉莉，王 琦

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

分布式網(wǎng)絡(luò)計算在超聲成像系統(tǒng)中的運用*

張永宏*，葛武健，龔莉莉，王 琦

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

超聲成像后期數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度高，時效性不足。介紹了一種基于TCP協(xié)議和LabVIEW技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)分布式計算系統(tǒng)實現(xiàn)方法，充分利用分布廣泛的空閑網(wǎng)絡(luò)計算機資源，在任何時刻，系統(tǒng)能夠自適應(yīng)地管理主從機網(wǎng)絡(luò)連接、協(xié)調(diào)已連接的主從機間任務(wù)分配、獲取從機返回計算結(jié)果。以達到更快速地完成超聲成像的目的。詳細闡述了該系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，并通過該方案實現(xiàn)了工件截面的快速成像。與FPGA等通過硬件進行并行計算的方法相比，該方法充分利用現(xiàn)有資源，通過軟件功能的增加達到快速計算的目的，降低了系統(tǒng)的成本。

無損檢測;超聲成像;分布式網(wǎng)絡(luò)計算;自適應(yīng)TCP連接

超聲成像系統(tǒng)中，波束合成算法能有效通過軟件實現(xiàn)波束的動態(tài)聚焦偏轉(zhuǎn)，得到所有場點的特征信號，實現(xiàn)成像，但其復(fù)雜的計算量，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時效性不足。目前改進此不足使用較多的方法是使用FPGA，一方面解決了高速采集部分的難題，同時由于其具有并行計算能力，處理速度較快。

本文采用先采集后合成的準實時超聲相控陣檢測方法，在進行數(shù)據(jù)采集時，將N陣元線性陣列超聲換能器中各陣元依次作為激勵陣元、其余陣元依次作為傳感陣元，經(jīng)N×(N-1)次超聲發(fā)射與采集后，將原始超聲數(shù)據(jù)保存至主機。利用合成聚焦理論，對工件中某場點位置A進行信號聚焦，按照參考陣元以及目標場點的空間位置，在各傳感陣元接收信號時進行精確的相位延時，并進行信號疊加波束形成，以得到A處的聚焦回波信號［1］。成像的過程實際就是對成像區(qū)域內(nèi)逐點聚焦，對得到的各點處聚焦信號進行缺陷信號提取或功率譜分析實現(xiàn)區(qū)域成像。完成一次區(qū)域成像需要上萬次的接收聚焦處理，根據(jù)虛擬儀器的軟件即是儀器的思想，將數(shù)據(jù)運算的任務(wù)全部交由計算機處理，為得到用戶感興趣區(qū)域所有點位置的特征信號，需要運用波束形成算法進行若干次波束疊加運算。故計算量較大，對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要求較高。

1 超聲成像分布式計算系統(tǒng)組成

由于合成聚焦計算量大，單臺計算機計算能力存在瓶頸，數(shù)據(jù)處理速度不太理想，而對于這種算法特定，計算任務(wù)繁多的計算模式，可以利用網(wǎng)絡(luò)中某臺計算機將所有計算任務(wù)集中管理，必要時分發(fā)給網(wǎng)絡(luò)中各臺計算機進行運算，并返回計算結(jié)果。據(jù)此，提出了一種基于分布式網(wǎng)絡(luò)計算的數(shù)據(jù)處理方案，利用網(wǎng)絡(luò)計算機資源進行數(shù)據(jù)協(xié)同處理。與使用FPGA實現(xiàn)并行計算相比，該方法通過增加軟件功能、利用空閑計算機的方式，明顯改善了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，而未增加任何硬件元器件，降低了系統(tǒng)的成本，有較好的經(jīng)濟性。而相對于單機數(shù)據(jù)處理，該方法能顯著提高整個系統(tǒng)的運算速度。

本分布式計算系統(tǒng)可以解決高負荷計算問題，系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，一臺主機作為服務(wù)器，若干臺從機作為客戶機，主機作為協(xié)調(diào)、控制中心，與局域網(wǎng)內(nèi)的從機或互聯(lián)網(wǎng)上的從機進行通信，傳輸原始數(shù)據(jù)，分配計算任務(wù)，并接收和解析從機返回的數(shù)據(jù)。由于UDP傳輸數(shù)據(jù)的不可靠性，本系統(tǒng)除了任務(wù)開始時通過UDP廣播新任務(wù)外，其余過程全部采用TCP連接以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?］。系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

2 主從機自適應(yīng)連接

在系統(tǒng)高層軟件控制方面，本文根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計了主從機控制軟件，實現(xiàn)主從機握手，建立TCP連接，數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)同計算等功能。其中主機作為協(xié)調(diào)控制樞紐，其工作流程圖如圖2所示。

接收到新計算任務(wù)時，主機開始執(zhí)行，打開并監(jiān)聽6341端口，隨時準備與各從機建立TCP連接接收新任務(wù)指令，從61556端口UDP廣播新計算任務(wù)的指令，并通過監(jiān)聽6341端口，作為TCP被動連接端，等待各個從機的TCP連接，從機若已預(yù)先運行，如圖3所示，在監(jiān)聽到主機廣播信息后，從機會解析主機IP并嘗試與主機6341端口建立連接。連接成功后開始收發(fā)數(shù)據(jù)。主機在與某從機連接后，通過解析從機發(fā)送的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的操作，在分配完新計算任務(wù)后，主機循環(huán)執(zhí)行監(jiān)聽6341端口到判斷總?cè)蝿?wù)隊列是否已計算完畢的操作，當TCP連接隊列中有多個連接時，主機通過輪洵方式依次對各個從機收發(fā)數(shù)據(jù)。從機若未預(yù)先運行，在主機輪洵各TCP連接會話時［3-5］，若遇到新的從機需要加入，則主機將保持之前加入的從機連接會話不釋放，并將新的從機(如果有)加入連接隊列中，繼續(xù)執(zhí)行分配任務(wù)，協(xié)同計算的操作。

圖2 主機工作流程

與此同時，在主機輪洵各TCP連接時，若發(fā)現(xiàn)某個連接出錯，則主機自動終止該連接，重新分配上一次分配給該連接的任務(wù)至其他從機，并更新已建立連接列表。以此自適應(yīng)地達到動態(tài)管理多TCP連接、動態(tài)分配計算任務(wù)的目的。

圖3 從機工作流程

在主從機建立連接前，從機若是預(yù)運行的，則不需要知道主機IP地址，可從主機廣播的指令中解析到主機IP，若是主機已進行計算，從機是后期加入計算的，主機不需要任何操作，而從機需要手動輸入主機IP地址，與主機建立連接后，主機會自動協(xié)調(diào)任務(wù)分配以使后期加入的從機加入計算。如圖3所示。

從機與主機建立連接后，首先向主機請求原始計算數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)接收完畢后，從機完成了進行分布式計算的準備條件，可向主機請求計算任務(wù)，此時從機進入循環(huán)狀態(tài)，請求到計算任務(wù)時，解析任務(wù)數(shù)據(jù)，得到計算參數(shù)，調(diào)用內(nèi)置在從機程序中的超聲相控陣聚焦算法并傳遞計算參數(shù)后，經(jīng)計算得到該參數(shù)下超聲相控陣聚焦結(jié)果，將該結(jié)果返回給主機即完成一次計算任務(wù)。從機將持續(xù)執(zhí)行申請計算任務(wù)到返回計算結(jié)果的操作，直到收到主機任務(wù)隊列已結(jié)束的通知，收到主機任務(wù)隊列已結(jié)束的通知后，從機將跳至監(jiān)聽61556端口的操作，等待主機廣播新的計算任務(wù)，方便下次的自適應(yīng)連接。

另需要特別注意，當從機通過互聯(lián)網(wǎng)與主機連接協(xié)同計算，且從機或主機存在路由連接的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)時，由于大部分路由器默認不進行端口轉(zhuǎn)發(fā)，需要事先指定路由對網(wǎng)內(nèi)某臺機器的某個端口進行路由轉(zhuǎn)發(fā)方能使用本軟件。任務(wù)開始的廣播計算任務(wù)指令亦是同樣的道理:路由默認只在內(nèi)網(wǎng)廣播，外網(wǎng)時需要手動輸入主機IP地址并在主機開始任務(wù)后加入計算。

3 計算任務(wù)分配

超聲成像實際就是對成像區(qū)域逐點聚焦，即對圖像上各個像素點進行聚焦繪制，完成一副圖像需要進行上萬次的延時疊加波束形成過程，本計算系統(tǒng)就是將成像區(qū)域所有位置分成若干個任務(wù)，由主機統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，動態(tài)地、按需地分配給各個從機進行任務(wù)分配、算法處理并返回處理結(jié)果。相當于在主機與從機集群間建立了兩條虛擬的上下行通訊管道。如圖4所示。

運用法治方式、實行多元主體共同治理，是我國近年來探索國家治理現(xiàn)代化的經(jīng)驗總結(jié)和實踐創(chuàng)新，在構(gòu)建現(xiàn)代鄉(xiāng)村治理體系過程中也要逐步探索這一治理手段。《中共中央國務(wù)院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》提出，要“建立健全黨委領(lǐng)導(dǎo)、政府負責、社會協(xié)同、公眾參與、法治保障的現(xiàn)代鄉(xiāng)村社會治理體制，堅持自治、法治、德治相結(jié)合，確保鄉(xiāng)村社會充滿活力、和諧有序”[3]19。根據(jù)意見要求，在具體的鄉(xiāng)村治理中，應(yīng)著力做好三個方面。

圖4 主從機任務(wù)分配示意圖

任務(wù)分配時根據(jù)分配時任務(wù)數(shù)據(jù)塊的大小，可分為動態(tài)在線分配和離線計算分配匯總兩種工作方式。

(1)動態(tài)在線分配

所謂動態(tài)在線分配是指主機實時掌握從機數(shù)據(jù)處理進度，依據(jù)從機是否已處理好已分配任務(wù)，決定是否執(zhí)行新任務(wù)分配，動態(tài)在線分配由于是根據(jù)從機實際處理狀態(tài)進行任務(wù)分配，故從機能夠根據(jù)自身計算能力申請任務(wù)，適應(yīng)性較好，從機集群能較整齊地完成總?cè)蝿?wù)。

由于存在多個TCP連接，各連接數(shù)據(jù)處理速度的差異，導(dǎo)致主機為各個從機分配任務(wù)時，可能出現(xiàn)重分配和漏分配的問題。因此，在任務(wù)分配時，采用隊列原理，在內(nèi)存中開辟一塊可移位的緩存區(qū)(棧)，將所有或部分任務(wù)數(shù)據(jù)快速存入隊列中，根據(jù)先入先出原則，保證各任務(wù)數(shù)據(jù)分配一次。

漏分配的情況常發(fā)生于從機收到任務(wù)數(shù)據(jù)后正在進行計算尚未返回計算結(jié)果，而由于網(wǎng)絡(luò)出錯或人為操作等原因該從機與主機中斷了連接，導(dǎo)致主機分配出了任務(wù)，但卻未能獲取計算結(jié)果，使整個數(shù)據(jù)處理結(jié)果呈現(xiàn)不連續(xù)性。解決方法是在主機端對上一輪所有連接下各從機與分配給它們的任務(wù)數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系進行一次寄存，當檢測到某個從機連接出錯時，將上一輪該從機分配到的任務(wù)數(shù)據(jù)收回，重新分配給別的從機，確保所有任務(wù)不丟失。

(2)離線計算分配匯總

該模式下，主機根據(jù)當前連接的從機數(shù)量，將總?cè)蝿?wù)進行該數(shù)量下的任務(wù)均分，并將均分后的任務(wù)集分配給各個從機進行計算，之后主機進入空閑等待周期，待各從機計算好后將結(jié)果集回傳給主機，也就是說該模式下，主機與從機只進行一次數(shù)據(jù)互傳。

相比于動態(tài)在線分配計算，離線計算分配匯總由于是以數(shù)據(jù)集合的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，從機在計算過程中不需要等待數(shù)據(jù)傳輸，各從機理論上有更好的效率;但事實上，從機集的各個從機往往計算能力各不相同，這種模式計算下有可能出現(xiàn)主機已收到大部分從機返回的計算結(jié)果只在等某臺從機的情況，而且由于網(wǎng)絡(luò)狀況的不一致，也增大上述情況的發(fā)生概率。而動態(tài)在線分配卻能自適應(yīng)地解決這些問題。

4 TCP不定長數(shù)據(jù)的傳輸

在LabVIEW環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)或者串口等方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的類型只能是字符串，且網(wǎng)絡(luò)接收字符串時需要預(yù)先限定字符串字節(jié)數(shù)，這不便于動態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)。解決方案如圖5、圖6所示，本文通過2次寫入TCP數(shù)據(jù)的方法成功解決此問題，第1次寫入要發(fā)送的字符串長度(LabVIEW中一個字符為1 byte)，第2次寫入該字符串;另一方面，在讀取時相應(yīng)地亦采用先讀取字符串長度，再通過讀取該長度字節(jié)數(shù)TCP數(shù)據(jù)的方法完整地獲取該字符串。

圖5 TCP不定長數(shù)據(jù)發(fā)送子程序

圖6 TCP不定長數(shù)據(jù)接收子程序

TCP第1次發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)送的是字符串長度32位整型數(shù)據(jù)，正好4 byte，經(jīng)強制類型轉(zhuǎn)換而來，故在圖6中，第1次讀取TCP數(shù)據(jù)時要讀取4 byte長度數(shù)據(jù)。將該4 byte長度數(shù)據(jù)還原成整型數(shù)據(jù)后作為第2次讀取TCP數(shù)據(jù)時的讀取長度參數(shù)，以完整接收所發(fā)數(shù)據(jù)。

不定長TCP收發(fā)數(shù)據(jù)的實現(xiàn)為本系統(tǒng)動態(tài)收發(fā)TCP數(shù)據(jù)提供了方便，為各個功能模塊提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收發(fā)接口，調(diào)用更靈活、方便。

5 數(shù)據(jù)幀的格式說明及解析過程

為方便主機或從機解析對方發(fā)送的數(shù)據(jù)，本文TCP傳輸數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示，數(shù)據(jù)幀由幀頭和幀內(nèi)容構(gòu)成，幀頭中包括該數(shù)據(jù)的發(fā)送方、該數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)類型包括任務(wù)數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)等。

圖7 TCP傳輸數(shù)據(jù)幀格式

接收方在解析發(fā)送來的數(shù)據(jù)時，通過對數(shù)據(jù)幀中分隔符的匹配，可以方便地提取出發(fā)送方IP信息、發(fā)送的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息。通過TCP不定長數(shù)據(jù)傳輸方法，數(shù)據(jù)幀的大小也不需要進行規(guī)定。如”172.16.72.239+taskpackage+(101，92);”表示計算機”172.16.72.239”發(fā)來任務(wù)數(shù)據(jù)(101，92)。

6 功能測試

本文對某一工件110 mm×110 mm的區(qū)域進行成像，圖像像素與實際面積的對應(yīng)關(guān)系為1像素對應(yīng)1 mm2(若想成像質(zhì)量更精細可以選擇1像素對應(yīng)更小面積，如0.01 mm2)，共需進行110×110= 12 100次延時疊加波束形成過程。如圖8和圖9所示為工件的尺寸圖和實物圖。

在本地成像程序和分布式計算主機程序中均加入了計時功能。其中本地成像程序完成本文測試試件的成像共耗時85.609 s，如圖10所示;而在本次通過5臺局域網(wǎng)從機進行分布式網(wǎng)絡(luò)計算成像則耗時26.12 s(不計未有從機連接時主機空轉(zhuǎn)等待時間)，如圖11所示，數(shù)據(jù)處理速度是本地處理速度的3.3倍，效果提升明顯。

圖8 工件尺寸圖

圖9 工件及陣列陣元實物圖

圖10 本地成像結(jié)果

圖11 分布式計算成像結(jié)果及參數(shù)顯示

將成像結(jié)果圖經(jīng)圖像識別技術(shù)和增強處理后，得到如圖12所示結(jié)果。分析結(jié)果圖像，通過提取缺陷中心像素坐標，轉(zhuǎn)換成尺寸坐標后，缺陷中心位置坐標在(0.048，0.049)處，與實際缺陷中心位置坐標(0.05，0.05)的相對誤差為3%(橫縱坐標加權(quán)相對誤差)，準確度較好。

圖12 成像結(jié)果圖像增強

7 結(jié)束語

LabVIEW是當今全球應(yīng)用最廣泛的圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，若將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)，利用強大的網(wǎng)絡(luò)資源，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)控制和數(shù)據(jù)測量的遠程傳輸和通信，更能充分利用空閑的網(wǎng)絡(luò)計算機資源，為測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理提供更強大的動力。

本文闡述了一種適用于相控陣超聲檢測［6-7］的自適應(yīng)分布式網(wǎng)絡(luò)計算方法，聯(lián)網(wǎng)的空閑計算機后臺運行本計算系統(tǒng)的客戶端軟件后，在對用戶透明的情況下，主從機能夠自適應(yīng)地協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)計算機資源，根據(jù)各從機處理能力動態(tài)地分配計算任務(wù)，以協(xié)同、并行計算的方式達到更快地進行數(shù)據(jù)處理的目的。相比于FPGA，該方法未增加任何硬件，節(jié)約了成本;相對于單機運算，該方法能顯著提高整個系統(tǒng)的運算速度，是測控領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)計算［8-9］的一次較好嘗試。

［1］張永宏，葛武健，孫亞杰.一種相控陣超聲波檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法［J］.計算機仿真，已錄用.

［2］毛頓.LabVIEW測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)訪問技術(shù)研究［D］.武漢.武漢理工大學(xué)，2002:30-40.

［3］胡吉朝，王定遠，王占鋒.中斷式網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在LabVIEW下的實現(xiàn)［J］.微計算機信息.2008.24(12):167-169.

［4］陳宵雅，金心宇，盛立峰，張昱.基于PDA的無線網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器［J］.電子器件.2006，29(2):515-518.

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［6］鐘志民，梅德松.超聲相控陣技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.無損檢測，2002，24(2):69-71.

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［8］李婧.基于LabVIEW的測控技術(shù)虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的研究與構(gòu)建［D］.廣西.廣西大學(xué)，2008:72-91.

［9］高先君.LabVIEW在多任務(wù)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.南昌.南昌大學(xué)，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 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0162-06

項目來源:教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金項目(教外司留［2010］609號);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXLX12_0515)

2013-04-27修改日期:2013-05-27

EEACC:UDC:TP274.2

張永宏(1974-)，男，漢族，山東臨沂人，南京信息工程大學(xué)，博士后、教授。主要研究領(lǐng)域為超聲檢測與信號處理，氣象裝備自動化與機電一體化系統(tǒng)集成，模式識別與智能系統(tǒng)，精密機械與儀器等，zyh@nuist.edu.cn;

龔莉莉(1988-)，女，漢族，江蘇南通人，南京信息工程大學(xué)，碩士。主要研究領(lǐng)域為計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，智能交通等，lily717413981@126.com;

葛武健(1987-)，男，漢族，江蘇揚州人，南京信息工程大學(xué)，碩士，主要研究領(lǐng)域為相控陣超聲檢測，信息信號處理，gewujian@126.com;

王 琦(1989-)，男，漢族，江蘇常州人，南京信息工程大學(xué)，碩士。主要研究方向為超聲無損檢測、控制系統(tǒng)設(shè)計等，wq_gpt@hotmail.com。