§ 40. Аппаратное обеспечение

Выбор конфигурации системы обработки изображений основывается на многочисленных компромиссах. Этому посвящены данный и следующий параграфы.

Прежде всего необходимо определить назначение создаваемой системы. Будет ли она исследовательской или системой производственного назначения? Будет ли она предназначена для ограниченного числа конкретных задач или системой общего назначения, настраиваемой на конкретные задачи? При этом очень важно, что доступное оборудование, операционные системы и языки программирования быстро развиваются. Многое из имеющегося сейчас наверняка устареет в течение ближайших пяти лет. В особенности это касается аппаратного обеспечения, предназначенного для решения отдельных конкретных производственных задач. По мере накопления опыта работы с некой системой и даваемыми ею изображениями требования, предъявляемые к обработке, будут меняться и повышаться. Это означает, что система должна быть достаточно универсальной и легко адаптируемой, а также пригодной как для исследований, так и для разработок. Даже если система предназначена только для научных исследований, при решении отдельных задач для нее возможны весьма большие нагрузки. Это эквивалентно по крайней мере временному производственному режиму. Если же система ориентирована в основном на производство, то она должна допускать выполнение параллельно идущих исследовательских работ и работ по расширению системы. Все это указывает на необходимость применения операционной системы с разделением времени, которая обеспечивает приемлемое время реакции в интерактивном режиме и которая может также работать в пакетном или фоновом режиме при выполнении трудоемких задач. Имеется несколько таких систем для больших и мини-компьютеров. С появлением мошных микропроцессорных систем это различие между классами компьютеров становится не очень четким, но из дальнейшего изложения будет ясно, что мы имеем в виду.

Следующий вопрос касается требуемого числа и мощности компьютеров. Это, естественно, зависит, кроме всего прочего, от размеров обрабатываемых изображений и требуемой скорости обработки. Оставшаяся часть параграфа посвящена вопросам выбор компьютеров.

Обработка изображений требует использования многочисленных нестандартных периферийных устройств. Некоторые из них обсуждаются в §§ 43 и 44. В число таких устройств входят интерактивные телевизионные дисплеи, считывающие системы для преобразования

изображений в цифровой сигнал (как, например, считывающие системы с вращающимся барабаном, матрицы ПЗС-фотоприемников или видиконные сканирующие системы), а также устройства, лающие документальные копии изображений (такие, как фотозаписываюшие электромеханические системы с вращающимся барабаном, электроннолучевые фотозаписываюшие устройства и устройства записи непосредственно на бумагу). Как показывает наш опыт, с точки зрения материально-технического обеспечения важно, чтобы компьютер, управляющий этими специальными устройствами, входил в качестве неотъемлемой части в систему обработки изображений и был всегда доступным для использования, настройки и текущего обслуживания. На практике это означает, что он должен находиться в монопольном использовании и управлении.

Мини-компьютер и эквивалентные ему современные микрокомпьютеры идеально подходят для управления такими периферийными устройствами, как устройство ввода изображений и интерактивный дисплей. При наличии свободного доступа ко всему мини-компьютеру установка и текущее содержание этих устройств относительно просты. Подключение их к большой вычислительной системе является гораздо более сложной задачей, к тому же в этом случае из-за необходимости размещения таких устройств вблизи этой системы могут возникнуть дополнительные трудности с техническим обслуживанием. Кроме того, специализированные устройства, необходимые для обработки изображений, сильно перегружают систему ввода-вывода большой вычислительной системы, а мини-компьютер обычно справляется с такой загрузкой более эффективно. По этим соображениям для управления специальными периферийными устройствами лучше всего предусмотреть специализированный мини-компьютер.

Однако у мини-компьютера есть свои недостатки. Во-первых, его вычислительная мощность может оказаться недостаточной. Одним из путей преодоления этого является передача выполнения большинства не требующих интерактивной работы программных пакетов большому компьютеру. При этом, правда, возникает проблема переносимости программного обеспечения, которая обсуждается в следующем параграфе. Вместо мини-компьютера можно использовать в монопольном режиме большой компьютер, но стоимость такого варианта может оказаться неприемлемой. Альтернативой является увеличение вычислительной мощности мини-компьютера путем дополнения его матричным процессором. В отличие от последовательной обработки данных в обычном компьютере он выполняет простые операции нал всеми элементами векторного массива параллельно. Например, он может за один шаг найти разность двух строк изображения вместо

того, чтобы вычислять последовательно разности пар элементов изображения. Матричные процессоры особенно хороню приспособлены для операций обработки окрестностей, обсуждаемых в § 45. Чтобы обеспечить наилучшее использование матричных процессоров, программы лучше сразу писать с параллельными операциями, нежели потом, когда окажется в наличии матричный процессор, переписывать программы, ориентированные на обычный процессор.

Заменяя часто используемые подпрограммы (например, БПФ, см. § 12) стандартными подпрограммами для матричного процессора, можно существенно повысить скорость выполнения тех программ, которые ограничиваются скоростью выполнения этих подпрограмм. Однако убыстрение выполнения программ путем создания специального математического обеспечения для матричного процессора заметно скажется на времени разработки и будет происходить за счет переносимости программного обеспечения. Такое специализированное программное обеспечение трудно создать, а потому подобный шаг оправдан только в системах производственного назначения.

Вторым недостатком многих мини-компьютеров старого поколения является отсутствие адресуемой памяти с произвольным доступом. Это может ограничивать число пользователей в случае системы с разделением времени. Тем не менее сейчас появляется много систем, у которых указанный недостаток отсутствует. Кроме того, эта проблема может быть частично решена с помощью обших для всех пользователей резидентных библиотек наиболее часто встречающихся подпрограмм, а не включаемых по отдельности в каждую пользовательскую программу.

Третьим и самым серьезным недостатком является ограниченное адресное пространство, доступное одной программе. Обычно оно составляет 64 Кбайт, что является следствием использования 16-битовых адресных слов. Это приводит к двум основным трудностям. Во-первых, программы, слишком большие для прямого выполнения, приходится организовывать в оверлейную программу. Но это означает, что независимые части программы будут при прогоне занимать одно и то же место физической памяти. Оверлейная организация, вообше говоря, нежелательна, однако может быть осуществлена путем связывания сегментов (в памяти) без изменения самой рабочей программы. Таким образом, это не влияет на переносимость программ. Для всего вышесказанного требуется, чтобы любая большая программа, предназначенная для мини-компьютера, с самого начала была написана со структурой вызова, подходящей для осуществления оверлейной организации. Если же это не сделано, то может оказаться исключительно трудным делом разбить программу на оверлейные

сегменты. Во-вторых, ограниченное адресное пространство уменьшает доступный объем буферной памяти, которая необходима для временного хранения изображений. Одним из путей преодолеть эту проблему может явиться использование виртуальной памяти, но только в том случае, если позволяют операционная система и язык программирования. Отметим, что термин «виртуальная память» имеет два значения. Во-первых, он может относиться к использованию в 16-разрядных компьютерах нестандартных операций Фортрана, которые допускают программный доступ за пределы адресуемой памяти в 64 Кбайт ко всей физической памяти, имеющейся в наличии (обычно 256 Кбайт). Во-вторых, он может относиться к специальным способам, с помощью которых стандартная программа может получить доступ к области памяти, гораздо большей, чем физически имеется в наличии. Это достшастся пересылкой блоков данных с НМЛ и на НМД по мере необходимости. Эти способы применяются на ряде больших компьютеров, таких, как 32-разрядный VAX-11/780. Первого вида виртуальной памяти следует по возможности избегать, тогда как второй в высшей степени желателен. Использование виртуальной памяти первого вида неудобно и возможно лишь за счет переносимости программ. Альтернативы здесь такие: либо смириться с ограничением размеров буфера, либо использовать машинное слово большей длины. Трудности, возникающие из-за ограниченного адресного пространства, гораздо более серьезны в случае программ, написанных на Фортране, нежели программ на более современных языках типа Паскаля и Си. Это объясняется тем, что первый требует, чтобы буфер имел наибольший необходимый для разных вариантов программы размер, тогда как для последних размер буфера должен быть достаточным для выполнения только одной конкретной программы. В некоторых системах эта задача решена путем использования в программах на Фортране специальных подпрограмм на ассемблере, способных динамично менять величину буфера в зависимости от обстоятельств. Решение само по себе остроумное, но опять-таки достигается ценой потери переносимости программ.

Важное значение имеет выбор размера машинного слова. Ввод, обработка и хранение изображений традиционно были привязаны почти исключительно к 8-битному формату элементов изображения. Поэтому для упрощения разработки программного обеспечения необходимо, чтобы длина машинного слова была кратна восьми. Также крайне желательно, чтобы длина слова одновременно была равна степени двойки. Тогда становится возможным более эффективное использование памяти и более мощный набор команд. Например, 32-разрядный компьютер может иметь набор 32-, 16- и 8-разрядных команд, что

является существенным преимуществом при обработке изображений. В таком случае нужно выбирать между 8-, 16-, 32- и 64-разрядными компьютерами. Однако 8-разрядные команды обычно входят в набор команд 16-разрядного компьютера, а иметь 64 разряда — это слишком много для обработки изображений и слишком дорого. Так что фактически остается выбрать между 16 и 32 разрядами. Традиционно длина слова в мини-компьютере — 16 разрядов, и большинство систем обработки изображений ориентировано именно на них. Как уже говорилось выше, трудности, возникающие из-за такой ограниченной длины слова, сейчас ошушаются все острее. В то же время уже доступны (хотя они и дороже) 32-разрядные компьютеры, снабженные всеми необходимыми командами. Большинство существующих коллективов, занимающихся обработкой изображений, слишком малы, чтобы позволить себе такой компьютер при его нынешней иене. К тому же будет сложнее и дороже обеспечить взаимодействие такой машины со специализированными внешними устройствами, а также написать для них соответствующие драйверы. Выход из создавшегося положения видится в 32-разрядных микропроцессорах, которые совмещают в себе достоинства доступного компьютера монопольного пользования и 32-разрядного машинного слова. В будущем они должны стать обычными компьютерами систем обработки изображений.

Пока же удовлетворительный компромисс — использование 16-разрядного мини-компьютера для интерактивной обработки изображений и 32-разрядного компьютера (при наличии такового) для решения трудоемких задач обработки изображений. Именно такой подход применен в системе обработки изображений ФТЛ. Крупные и сложные работы выполняются на 32-разрядном компьютере под управлением операционной системы Этот компьютер является частью вычислительной сети а поэтому используется и другими коллективами. Большая пакетная обработка обычно выполняется в ночное время, а в течение дня решаются более мелкие задачи. Для управления периферийными устройствами используется -разрядный компьютер (на самом деле это микрокомпьютер, но по мощности эквивалентный мини-компьютеру), обладающий памятью 256 Кбайт и процессором с плавающей точкой, работающей под управлением операционной системы с разделением времени В числе таких устройств цветное фотозаписываюшее устройство модели Colorwrite фирмы с плотностью 1600 байт/дюйм, НМД фирмы Winchester емкостью 80 Мбайт, два накопителя на гибких магнитных дисках емкостью по 0,5 Мбайта, несколько терминалов VT-100, линия связи с компьютером по последовательному интерфейсу RS232, принтер и микропроцессорная система модели Intel 8085.

Последняя в свою очередь управляет интерактивным цветным видиодисплеем с памятью и сканирующей системой на ПЗС-фотоприемниках. Это типичный набор периферийных устройств, которыми должен управлять специализированный компьютер.

При подборе аппаратного обеспечения нужно решать также вопрос объема ЗУ. ЗУ может работать в автономном (по отношению к компьютеру) или неавтономном (оперативном) режиме. Обработка изображений требует большого объема НМД, который работает в неавтономном режиме. Недостаточный объем НМД сильно снижает эффективность всей системы. Объем НМД должен быть достаточен для хранения операционной системы, программ, подпрограмм, связанных программ, системной документации, библиотек командных файлов и тестовых изображений, а также изображений, которые будут временно загружаться на него для выполнения текущей работы. В нашей системе полное изображение каждой спектральной полосы стандарта «Ланлсэт» занимает -7,5 Мбайта. Поэтому идеальным при работе с компьютером был бы объем НМД, равный 150 — 300 Мбайт. Операционные «издержки» резко увеличиваются при уменьшении объема НМД из-за необходимости постоянно перегружать файлы с НМЛ и на НМЛ. При необходимости программы могут обеспечиваться файлами изображений НМЛ. Заметим, что в этом случае НМЛ временно используется в неавтономном (оперативном) режиме, тогда как обычно он играет роль автономного ЗУ. Это позволяет сэкономить объем НМД, но сильно замедляет работу и неприемлемо для целого ряда алгоритмов, таких, как алгоритм БПФ (§ 12), алгоритм фильтрации (§ 46) и алгоритм стандартизации (§ 47), которые требуют произвольного, а не последовательного доступа к элементам изображения (эти вопросы обсуждаются в гл. 8). НМЛ является основным видом автономного ЗУ для хранения больших файлов изображений. Здесь нужно учитывать такие моменты, как число НМЛ, плотность записи, скорость и надежность. Как минимум требуется один НМЛ. Преимущество двух в том, что они позволяют легко копировать ленты, а также обрабатывать изображения в режиме «лента в ленту», что приводит к экономии в НМД. Что касается плотности записи, то наиболее широко используются плотности 800, 1600 и 6250 байт/дюйм; плотность 800 байт/дюйм в основном вытеснена плотностью 1600 байт/дюйм, и все шире применяется плотность 6250 байт/дюйм, так что плотность 1600 байт/дюйм нужно иметь для совместимости с чужими лентами. Под чужими лентами здесь понимаются ленты, записанные на вычислительных системах другого типа с использованием нестандартного формата данных. Чем выше

используемая плотность, тем меньше требуется лент и тем реже их приходится менять. Поэтому весьма желательна плотность 6250 байт/дюйм. НМЛ нужно выбирать с максимальным быстродействием, так как это очень упрощает задачу пересылки файлов изображений на НМД и обратно. Главная трудность при использовании НМЛ - недостаточно высокая надежность магнитных лент. Повысить ее можно содержанием лент в чистоте, постоянным уходом, а также использованием хорошо продуманных процедур автоматической проверки на четность.