分布式遙感圖像處理中的若干關(guān)鍵技術(shù)

文/曾賢灝

人們對生活環(huán)境的探索范圍越來越廣，人類希望能夠?qū)ψ约荷娴沫h(huán)境、海洋甚至是整個(gè)地球進(jìn)行全面了解，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，這些愿景將逐步得到實(shí)現(xiàn)。遙感技術(shù)發(fā)展成熟且應(yīng)用規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，已經(jīng)從傳統(tǒng)的軍事領(lǐng)域逐漸發(fā)展到生活生產(chǎn)探測的各個(gè)領(lǐng)域。遙感技術(shù)通過對地面反射和折射的電磁波信號進(jìn)行處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對檢測目標(biāo)的識別和描述。

1 分布式遙感圖像處理模型及特點(diǎn)

分布式處理系統(tǒng)是由很多個(gè)不同的，且相互獨(dú)立的處理器組合而成，這些處理器通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作，依靠信息傳送實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。分布式遙感圖像處理系統(tǒng)主要是由三種方式組合而成，既分布式控制、并行處理和圖形圖像系統(tǒng)。分布式遙感圖像處理系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）模塊化結(jié)構(gòu)是由不同的物理和邏輯處理部件以及多個(gè)復(fù)本資源共同組合而形成，在分布式圖像處理系統(tǒng)中能明確分出很多個(gè)不同的圖形服務(wù)器，甚至是一些與圖形有關(guān)系的其它資源；

（2）分布式圖像處理系統(tǒng)多處理部件全部是合作自治，同時(shí)其多復(fù)本資源全部是分散的?？梢酝ㄟ^廣域網(wǎng)，也可以通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)圖形設(shè)備和多臺計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行遙感圖形處理的機(jī)器都具有自己的操作系統(tǒng)和顯示器；

（3）分布式圖像處理系統(tǒng)的資源是可以與用戶實(shí)現(xiàn)共享的，整個(gè)系統(tǒng)的全局控制是由很多個(gè)不同的系統(tǒng)控制器進(jìn)行全面負(fù)責(zé)的，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也是由這幾個(gè)控制器共同作出決定；

（4）所有系統(tǒng)的合作進(jìn)程主要是包括系統(tǒng)控制器之間的高度一致和合作，實(shí)現(xiàn)一致合作的主要保證是協(xié)議；

（5）多種處在分散狀態(tài)下的處理部件是通過利用雙邊協(xié)議的消息通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信的。

在計(jì)算分布式的時(shí)候，必須要擁有足以支撐分布處理的相關(guān)計(jì)算模型，分布式應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)用處理模型的時(shí)候現(xiàn)如今已經(jīng)從傳統(tǒng)的Data Flow模型，Client-Server-Broker模型等等多種模型向著Master-Slave模型轉(zhuǎn)變。這種模型最大的優(yōu)勢就是具備更好的靈活性，Master-Slave模型除了支持實(shí)現(xiàn)任務(wù)級并行系統(tǒng)之外，同時(shí)還支持實(shí)現(xiàn)算法級并行系統(tǒng)。這種模型在使用當(dāng)中還具備良好的堅(jiān)固性，更加容易達(dá)到負(fù)載平衡。Master-Slave模型特別是適合于處理大量的信息數(shù)據(jù)，它能夠?qū)⒃谟?jì)算過程當(dāng)中需要使用很多時(shí)間的算法轉(zhuǎn)變成并行算法。在計(jì)算過程中，可以通過過程描述對很多串行算法進(jìn)行計(jì)算，并且同時(shí)將它們進(jìn)行并行化。Master-Slave模型計(jì)算方式是通過Master進(jìn)程對Allocate和Record負(fù)責(zé)，將計(jì)算工作在一組Slave進(jìn)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的，傳送子任務(wù)和將計(jì)算結(jié)果作出反饋也是通過Slave。

Master-Slave模型的具體算法如下：

2 分布式圖像處理系統(tǒng)所需要支撐的環(huán)境

相比較于在單機(jī)上設(shè)計(jì)和應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)程序，分布式圖像處理的相關(guān)應(yīng)用程序在設(shè)計(jì)中要麻煩的多，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的過程中要充分考慮到分布式設(shè)計(jì)可能會(huì)對環(huán)境造成的不良影響，其中就包括著分解各項(xiàng)程序，分布多種任務(wù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)通信信息和資源共享等。為了能夠充分有效解決在分布式設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問題，首先的工作就是要處理好分布式圖像處理的支撐環(huán)境。

2.1 分布式處理系統(tǒng)中的處理機(jī)調(diào)度

可以充分將一個(gè)分布式圖像處理的程序在執(zhí)行的過程中完全分成很多個(gè)不同的程序在多個(gè)不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中同時(shí)執(zhí)行。進(jìn)程分布主要包含了兩種方法，既靜態(tài)式分布和動(dòng)態(tài)式分布，必須要?jiǎng)?chuàng)建和維護(hù)進(jìn)程索引表，其中包括著關(guān)于進(jìn)程的相關(guān)標(biāo)識號碼，明確和維護(hù)好進(jìn)程的類型和位置，對于進(jìn)程狀態(tài)也應(yīng)該了然于胸，強(qiáng)化維護(hù)工作。當(dāng)在分布式處理系統(tǒng)當(dāng)中創(chuàng)建新的動(dòng)態(tài)進(jìn)程狀態(tài)時(shí)，可以在分布式處理系統(tǒng)中的所有計(jì)算機(jī)當(dāng)中以已經(jīng)建立完成的索引表作為依據(jù)，對進(jìn)程進(jìn)行通信或者是檢測。

2.2 分步式處理系統(tǒng)中的進(jìn)程通信

與其他相關(guān)類型的程序設(shè)計(jì)不同，設(shè)計(jì)分布式圖像處理程序集中在通信、開發(fā)和程序分布這三個(gè)主要方面。想要統(tǒng)一完成一個(gè)共同的目標(biāo)任務(wù)，就必須要在同一個(gè)分布式處理不同進(jìn)程互相協(xié)作之下完成，所以說，若是想要實(shí)現(xiàn)對各自的發(fā)展方式和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，就必須要借助于通信來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的通信同步過程中，必須要讓不同進(jìn)程之間相互等待，這樣會(huì)造成并行性缺乏，嚴(yán)重影響到同步通信的質(zhì)量。所以說，在處理分布式圖像處理系統(tǒng)的時(shí)候，可以充分利用異步通信技術(shù)。在異步通信技術(shù)中，信息是通過發(fā)信進(jìn)程發(fā)出，是可以不用等到系統(tǒng)發(fā)出信號接收通知的。采用異步通信技術(shù)能夠極大程度上提升分布式圖像處理系統(tǒng)的并行性，同時(shí)也能夠在最大限度上增加進(jìn)程的自主性。在異步通信技術(shù)中由于是可以不用確認(rèn)是否接收進(jìn)程，這使得異步通信的信件數(shù)量相比較于同步通信的信件數(shù)量要少得多。

2.3 分布式處理系統(tǒng)中的出錯(cuò)處理和進(jìn)程終止檢測

分布式處理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中除了受到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)地層通信系統(tǒng)的相關(guān)問題影響以外，還有一個(gè)原因是因?yàn)槠渌脩舨划?dāng)操作而引起，這會(huì)導(dǎo)致不能夠繼續(xù)執(zhí)行在這臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的相關(guān)進(jìn)程，最后導(dǎo)致計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)局部性的失效現(xiàn)象。為了能夠從最根本上解決這種問題，分布式處理系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)時(shí)限機(jī)制以實(shí)現(xiàn)對出錯(cuò)處理和進(jìn)程終止檢測。使用時(shí)限機(jī)制的時(shí)候，假如在某一個(gè)確定的時(shí)間之內(nèi)設(shè)置好響應(yīng)，那么就會(huì)確定這個(gè)進(jìn)程出錯(cuò)。發(fā)現(xiàn)進(jìn)程出錯(cuò)后便可以立馬執(zhí)行一個(gè)定義好的動(dòng)作。

3 分布式遙感圖像處理系統(tǒng)中的并行處理

3.1 分布式遙感圖像處理系統(tǒng)的并行處理策略

在分布式遙感圖像處理系統(tǒng)中的并行處理，其基本原理是將圖像數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則分成很多子區(qū)域，然后將分成的子區(qū)域當(dāng)成一個(gè)子任務(wù)，之后再根據(jù)處理機(jī)的不同分別實(shí)現(xiàn)處理工作。劃分圖像數(shù)據(jù)的方法比較多，但是在最后必須要實(shí)現(xiàn)將劃分而成的圖像數(shù)據(jù)能夠按照次序合成。除此以外，要盡最大的可能降低處理機(jī)之間的相互通信數(shù)據(jù)量。還有一種方法就是將圖像分解成為由連續(xù)像素自核而成的子像素區(qū)，這樣能在最大限度上負(fù)載平衡處理器。對周圍景物進(jìn)行分析，明確工作區(qū)域內(nèi)的實(shí)際工作量，這樣才能方便于對所有區(qū)域內(nèi)的平均工作量予以明確。在完成分析計(jì)算量以后，再以分析的結(jié)果作為依據(jù)，對原來的圖像數(shù)據(jù)做好空間的自適應(yīng)劃分工作?？墒沁@種方法存在著一種弊端，就是會(huì)減緩控制處理器分析圖像和將子圖像送出的速度。

3.2 分布式遙感圖像處理系統(tǒng)的負(fù)載平衡與任務(wù)分配措施

負(fù)載平衡指的是每個(gè)參加并行計(jì)算的處理器都能夠在計(jì)算中得到有效利用。在多處理的環(huán)境中，所有處理機(jī)都會(huì)被均勻的分配到一子區(qū)圖像數(shù)據(jù)，所有的處理機(jī)接近負(fù)載均衡，進(jìn)而能夠獲得效果更加好的并行效率。由于各處理器在不同的環(huán)境中所表現(xiàn)出來的性能是不同的，處理機(jī)所表現(xiàn)出來的負(fù)載也同樣不均勻，就可能會(huì)造成多種困難，進(jìn)而導(dǎo)致并行算法效率降低。降低子任務(wù)粒度，讓處理機(jī)臺數(shù)不超過任務(wù)數(shù)，可以很好的解決這種問題?？偪爻绦蛟试S各處理機(jī)對子任務(wù)做出處理，將計(jì)算結(jié)果反饋到總控程序之后，再申請新的子任務(wù)，一直到完成所有的子任務(wù)分配。采用動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度是可以合理利用資源的，但是同時(shí)也會(huì)加大整個(gè)系統(tǒng)的成本支出，難以控制子任務(wù)粒度。

4 結(jié)束語

隨著分布式遙感圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展，使得信息資源越來越豐富，通過較低的成本可以獲得較高的信息數(shù)據(jù)，極大程度的提升了遙感圖像的服務(wù)能力和使用共享資源的效率。