分布式网络计算在超声成像系统中的应用效果观察

谢萌

（广西壮族自治区亚热带作物研究所广西南宁市530001）

分布式网络计算在超声成像系统中的应用效果观察

谢萌

（广西壮族自治区亚热带作物研究所广西南宁市530001）

超声成像系统在后期的数据处理中存在难度高且实效性不足。计算机网络技术的发展不仅拓宽了超声成像系统的应用平台，更促进了社会现代化、科技化、智能化的发展。顺应时代潮流的发展，将分布式算法与互联网技术结合起来应用于超声成像系统中，不仅解决了以往超声成像系统在后期的数据处理中难度高、实效性不足等缺陷，还提高了超声成像的处理速度，减少系统投入成本，这对超声成像系统在相关行业的长远发展有着不可替代的积极意义。因此，本文简单介绍在由美国国家仪器公司研发的Lab VIEW技术和传输控制协议的基础上发展而来的分布式网络计算方法以及其应用优点，并详细阐述了分布式网络计算应用于超声成像系统的实现过程，这为相关行业对超声成像系统的优化和完善提供了一定的参考依据和借鉴意义。

分布式网络计算；超声成像系统；应用

1 前言

由于互联网络信息的快速发展，计算机技术的深入推广，给人们的日常工作和生活带来了极大的方便，同时也促进了社会生产可持续发展，推动科学技术迈向更大的发展平台。随着超声成像技术的不断发展，相关学者和行业人员对其系统的研究和探讨活动随之展开，结合现代化科学技术的发展，研究分布式网络计算技术在超声成像系统上的应用，从而推动了超声成像系统的有效运行。

通过超声成像系统来达到图像成像的目的，其实质在于通过波束形成算法与相关软件的结合运用使得波束发生扫描、偏转、聚焦，从而获得场中全部空间位置的信号特征。由于波束形成算法的计算存在一定的难度，使得超声成像系统在处理数据时所需时间长且效率不高，在当下，采用现场可编程门阵列（FPGA）这一方法来解决这一缺陷。现场可编程门阵列（FPGA）不仅有较强的平行计算能力，还有较快的处理速度。

2 分布式网络计算方法的形成与优点

因为计算数值合成聚焦的工作量比较大，一台计算机的工作能力无法满足计算要求，且其处理数据的效率不高，所以，针对这一现象，可以通过互联网中处于主体地位的计算机把全部的计算工作集合起来进行一定的任务管理，在一定情况下通过互联网分配给各个计算机实现计算工作，同时还要发回运算结果。根据这一原理特点，逐渐形成了一种在由美国国家仪器公司研发的Lab VIEW技术和传输控制协议的基础上发展而来的分布式网络计算方法。相比采用现场可编程门阵列（FPGA）这一方法进行的平行计算，分布式网络计算通过网络资源和计算机手段对数据进行有效处理，显著提高了系统数据的处理效率，节约系统优化投入成本，满足一定的经济效益。

3 分布式网络计算应用于超声成像系统的实现过程

3.1 研究数据采集与合成过程

通过超声相控阵检测技术进行相应的采集合成。在数据的采集过程中，将N阵元换能器阵列中各个阵元顺次当作刺激阵元、剩下的阵元顺次当作感应阵元，通过N×（N－1）次脉冲发出和采集，把原本的超声数据存在主机上。通过合成聚焦原理对任意场点S实行信号特征聚焦，为了获得S处的聚焦信号的返回信息，在各个感应阵元接收信号特征时，根据参照阵元和最终场点在空间上所处的位置对其进行一定的相位延迟和对信号特征进行叠加，同时还要确保过程的准确性，从而使得超声成像波束形成。

超声相控阵检测技术通过运用形状外观不一样的多阵元换能器来形成超声波束和接收超声波束，对换能器阵列中各个阵元不同程度发出或者接收脉冲的作用时间进行控制，从而变换声波与物体相关点的相位关系，满足聚焦点与超声波束方向的改变，通过机械与电子相结合的扫描方式对达到图像成像的目的。

3.2 数据运算工作的分配方式

超声成像其实质是通过聚焦成像范围内的各像素点来进行相关的绘制，完成图像的绘制是要求发生多次相位延迟、信号叠加、波束成形等操作。分布式网络计算与超声成像系统结合形成的新系统是把成像区域内的全部数据块分成多个计算任务，由系统中央控制室进行统筹管控，根据实际需求将计算任务实时地分布到各个处于次要地位的计算机中，使其进行相关的数据运算和数据处理，结束后将结果返回系统主机。数据运算工作的分配方式一般分为两种：在线与离线分配。

3.2.1 数据运算工作的在线分配

数据运算工作的在线分配实质是系统中央控制室通过动态把握其他计算机处理数据的实际情况来进行适宜的计算任务分配，使得计算任务能够有效地分配到各个计算机，完成高效率的数据处理工作，有着良好的适应性、灵活性。

3.2.2 数据运算工作的离线分配

在离线状态时，系统中央控制室按照处于连接状态的其他计算机的数量，把总体的数据运算工作在该数量的基础上实行均分，然后把均分的运算任务分发给各个计算机进行相关的数据运算，最后系统中央控制室处于等待空闲状态，直到各个计算机将数据处理结果返回。在此情况下，系统中央控制室与各个计算机仅仅发生一次互传数据。在实际情况中，由于计算机不同，其运算能力也不大相同，在离线状态下，由于网络连接状态不同，可能会发生系统中央控制室已经接收到了大部分的数据返回结果，却还在等待接收小部分计算机的返回结果的现象。相比之下，在线分配方式就有较好的灵活性和适应性。

3.3 传输控制协议的长度不定数组的传输

基于Lab VIEW平台，通过网络或串行通信接口串口等连接方式来发射或者接收的数据是由数字、字母、下划线组成的一串字符，而且网络接收数据时要求事先设定数据的相关规格，这给实时发射数据带来不便。解决办法如图1所示。论文为了解决此问题，进行两次编写传输控制协议数据。第一次编程时，编写需要发射的数组长度，第二次编程时，编写该数组。实现传输控制协议的长度不定数组的传输，不仅增强了分布式网络计算在超声成像系统中的应用，给新系统实施发射和接收传输控制协议数据组带来了方便，还能提高系统的灵活性、方便性。

图1 传输控制协议的长度不定数组的发射子程序

3.4 数据帧（数据链路层的协议数据单元）分析过程

数据帧（数据链路层的协议数据单元）是由本机IP、分隔符、数据类型、数据内容组成。数据类型一般是指发射的任务数据和返回的结果数据，经过对数据帧（数据链路层的协议数据单元）的分隔符进行一定的匹配，对本机IP相关信息、任务数据的类型和数据内容等方面的信息的提炼带来一定的方便。根据传输控制协议长度不定的数据组传送方法，不需要设定数据帧（数据链路层的协议数据单元）的大小。如“113.14.36.49”+taskpackage+（101，92）；”表示计算机“113.14.36.49”发来任务数据（101，92）。

4 结语

近年来，随着网络计算机水平的持续提高，超声成像技术的不断发展，相关领域越来越重视分布式网络计算应用于超声成像系统的研制开发，基于Lab VIEW平台创建新的超声成像系统，开发新的超声成像技术，不但能够解决传统模式下存在的问题，还能够极大缩短了数据处理的时间，提高了工作效率，这有着极为重要的深远意义。

Lab VIEW作为图形化编程语言的开发环境，在当下具有极高的推广价值和应用价值。互联网信息技术与虚拟环境相结合形成了符合时代潮流发展的虚拟网络系统，通过广泛的互联网络和丰富的网络资源，可以有效地满足产业控制与数据勘测远距离的信息交流和传递，增强了数据处理的高效性、适应性。论文介绍了一种适合用于超声相控阵检测的分布式网络计算方法，在此方法下形成的新模式是把成像区域内的全部数据块分成多个计算任务，由系统中央控制室进行统筹管控，根据实际需求将计算任务实时地分布到各个处于次要地位的计算机中，使其进行相关的数据运算和数据处理，并将运算结果返回系统中央控制室。相比FPGA，分布式网络计算通过网络资源和计算机手段对数据进行有效处理，显著提高了数据处理的工作效率，降低系统优化成本，具有一定的经济效益，有一定的推广和应用意义。

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TP274.2

A

1004-7344（2016）16-0301-02

2016-3-2

谢萌（1978-），男，工程师，大学专科，主要从事后勤管理，计算机管理、网络监控单位数据库管理等工作。