CN104063835A - 一种卫星遥感图像实时并行处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于遥感技术领域，特别涉及一种卫星遥感图像处理技术。技术方案是一种卫星遥感图像实时并行处理系统，包括存储设备(4)和监控机(1)、接收机(2)、分块机(3)、存储设备(4)、判读机(5)和确认机(6)处理机；各处理机支持多CPU、多线程、显卡多核计算；各处理机间通过以太网实现通讯和数据交换，通过光纤网实现利用存储设备(4)进行数据共享。监控机(1)控制管理整个系统的运作；数据接收仿照流媒体的形式，由接收机(2)将数据进行虚拟逻辑分块；分块机(3)并行处理分块任务，判读机(5)完成判读，确认机(6)提供可视化图像结果。该系统能在伴随卫星过顶时间段内实时完成数据接收、预处理和判读。

Description

一种卫星遥感图像实时并行处理系统及处理方法

技术领域

本发明属于遥感技术领域，特别涉及一种卫星遥感图像处理技术。

背景技术

随着卫星技术的发展，尤其是高分辨率对地观测系统被列入国家重大科技专项以后，各行各业都迫切需要一个有效、高速、及时处理卫星遥感图像数据的方法。而卫星遥感图像数据在目前的技术水平下，仍具有数据量大、处理速度慢的特点。现有技术已经普遍采用集群计算机进行分布式的，并行化处理，通过对卫星遥感图像进行数据、任务的并行化分割，来提高处理速度。但是，现有的文献资料中，大部分系统并无法做到实时处理，而即使有实时处理，也并没有严格定义“实时”概念。可以看出，当前本领域技术的主要缺陷是，没有可见的方法报道，能达到在卫星过顶时间内无延误地在线实时完成遥感图像的接收、解译、解码、图像预处理，以及判读。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能使卫星遥感图像实时并行高速处理系统及处理方法。

本发明的总体思路是：基于以太网和光纤网构建一个可伸缩的星型结构分布式系统；以太网实现节点间通讯，光纤网和共享存储设备实现数据访问；该系统内有一个主控节点称为监控机，其它所有计算节点均根据数据量和运算量的需求任意增、减，并分别承担数据接收机、任务分块机、图像判读机、以及用于呈现数据的确认机；每个这样的计算节点，均需支持多CPU多线程计算，以及相应的显卡多核计算。卫星图像从接收开始，由接收机预读数据格式和数据量，然后根据任务量、工作机数量、处理能力以及过顶时间约束，对数据进行虚拟的逻辑分块，并将该虚拟分块任务发给监控机；监控机根据当前系统的工作压力，将虚拟的分块、判读任务实时转发给各计算单元进行处理；任务分发的同时，接收机进行实时的数据接收，通过监控机的管控，保证接收并且暂存的数据被及时处理，整个过程如同流数据处理一样类似滑动窗口向前推进；监控机和用于数据显示的确认机负责实时展现当前任务完成的进度、数据接收的情况、判读结果的呈现。

本发明的技术方案是：

一种卫星遥感图像实时并行处理系统，包括存储设备和处理机，所述处理机包括监控机、接收机、分块机、判读机和确认机；各处理机支持多CPU、多线程、显卡多核计算；各处理机通过光纤网对存储设备上的图像数据进行共享式的读写访问；各处理机通过以太网进行通讯以及数据交换；

所述监控机用于控制管理整个系统的运作，使得所有实时图像处理任务在不同处理机之间进行同步调度，并对系统内所有处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行实时跟踪、调度与显示；所述监控机上运行有本地数据库，用以记录、备份整个系统的任务进度与各处理机的工作状态，各处理机通过以太网可以连接并访问该数据库；

所述接收机用于扫描所述存储设备上的缓冲区，并对扫描到缓冲区内卫星图像的新景数据进行格式解析，做虚拟的逻辑分块：首先通过扫描参数文件获取新数据的卫星过顶时间参数，根据系统处理的延时约束，判断缓冲区内数据的卫星过顶时间是否超过系统响应延时的最大约束值，若超过则直接放弃该批数据的处理；否则对扫描到并且要处理的卫星图像的新景数据的格式与规格进行解析，调用对应图像格式的解码算法，获取编码在图像文件内的地理信息与卫星参数；向所述监控机获取当前系统的处理机的工作数量、载荷参数，结合新景数据规格，进行逻辑分块工作，每一个逻辑分块任务具体包括：确认包括子图位置、尺寸、图像编码规格、重叠区、行列数量、分块编码等逻辑分块参数，以及对应的子图地理信息；接收机的逻辑分块过程，会依据其接收、存储新景数据线程的进度，对已存储部分的数据进行对应的逻辑分块，并向所述监控机派发分块任务，包括上述分块参数、子图地理信息、子图存储参数以及针对特定位置的高优先级图像分块所需要的子图位置参数；

所述接收机在执行逻辑分块任务同时，接收缓冲区内源源不断到达的新景数据，将新景数据存储到所述存储设备中，并且该过程与上述逻辑分块过程用算法实现同步，确保逻辑分块任务发出时，对应新景数据也已经存储下来；最后将上述工作过程产生的图像存储编号、图像地理参数、卫星参数，及新景数据的规格与参数，实时写入到所述监控机运行的数据库中，作为系统备份信息供所述监控机在需要时查询、追溯；

所述分块机包括一个主线程、多个分块线程、一个通讯线程进行操作，实现了多核多线程并行化处理的架构，用于等待并接收由所述监控机发派的分块任务，对存储设备上已经接收到的对应新景数据执行分块任务，即从不完整的数据流中，根据分块任务参数解析抽取图像数据，并生成一张张完整的JPEG压缩格式的图像数据，存储到所述存储设备中，完成后将反馈信息发送到所述监控机，供监控机对任务进度做同步处理；

所述存储设备用于存储实时卫星图像处理过程中接收到的卫星图像数据，以及所述分块机生成的压缩图像数据，通过光纤网实现数据共享，供所述接收机、分块机、判读机和确认机进行数据读写；

所述判读机具有主控线程、通讯线程、多个分块线程的多核多线程并行化处理的架构，用于接收由所述监控机根据所述分块机的反馈信息和系统所处理的卫星图像需要的判读内容分派的判读任务，读取所述存储设备内已经分块好的JPEG压缩格式图像，调用相应判读算法进行判读并将结果反馈到所述监控机；

所述判读机收到具体的判读任务后，采用CPU/GPU协同计算模式进行工作：设置独立的主控线程负责逻辑和负责管理，通信线程负责通信事务；若需要GPU参与异构并行计算，则CPU增加一个GPU控制线程，负责管理GPU的多线程计算任务；CPU上有多个计算线程，GPU根据显卡的特性来产生数以百计的计算线程，从而构成CPU+GPU异构并行化的能力；

所述确认机用于实时显示已处理部分的卫星图像数据，同时具有人工介入辅助判读功能；所述确认机还根据所述接收机的进度，在所述监控机管理下，对所述存储设备内已接收到的数据进行图像金字塔的生成计算，实时、同步地生成卫星图像的多分辨率数据，用以向系统使用者提供不同分辨率的可视化图像结果；

所述的接收机、分块机、存储设备、判读机、确认机分别由多个并行处理器组成，用于任务的并行处理；并行工作的控制方式为以所述监控机为管理核心：所述监控机对所有其它处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行轮询与监控；在实时处理卫星图像数据的过程中，所述监控机对任务分派与任务同步进行管理，以此控制各处理机的并行化工作。

一种卫星遥感图像实时并行处理方法，其特征是使用如上所述的一种卫星遥感图像实时并行处理系统，并包括以下步骤，且各步骤由所述的监控机控制管理整个系统的运作，使得所有实时图像处理任务在不同处理机之间进行同步调度，并对系统内所有处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行实时跟踪、调度与显示：

a)所述监控机发起启动指令，启动整个系统，包括所述接收机启动扫描所述存储设备上的缓冲区、所述分块机等待分块任务、所述判读机等待分派判读任务；所述确认机等待任务；

b)接收机图像接收流程：

所述接收机扫描所述存储设备上的缓冲区的数据变化情况；

所述接收机对扫描到缓冲区内卫星图像的新景数据进行格式解析，做虚拟的逻辑分块：包括首先通过扫描参数文件获取新数据的卫星过顶时间参数，根据系统处理的延时约束，判断缓冲区内数据的卫星过顶时间是否超过系统响应延时的最大约束值，若超过则直接放弃该批数据的处理；否则对扫描到并且要处理的卫星图像的新景数据的格式与规格进行解析，调用对应图像格式的解码算法，获取编码在图像文件内的地理信息与卫星参数；向所述监控机获取当前系统的处理机的工作数量、载荷参数，结合新景数据规格，确认子图位置、尺寸、图像编码规格、重叠区、行列数量、分块编码等逻辑分块参数，以及对应的子图地理信息；所述接收机的逻辑分块过程，会依据其接收、存储新景数据线程的进度，对已存储部分的数据进行对应的逻辑分块，并向所述监控机派发分块任务，包括上述分块参数、子图地理信息、子图存储参数以及针对特定位置的高优先级图像分块所需要的子图位置参数；

所述接收机在执行逻辑分块任务同时，接收缓冲区内源源不断到达的新景数据，将新景数据存储到所述存储设备中，并且该过程与上述逻辑分块过程用算法实现同步，确保逻辑分块任务发出时，对应新景数据也已经存储下来；

最后将上述工作过程产生的图像存储编号、图像地理参数、卫星参数，及新景数据的图像规格与参数，实时写入到所述监控机运行的本机数据库中，作为系统备份信息供所述监控机在需要时查询、追溯；

c)所述监控机获取来自所述接收机的分块任务，根据所述各分块机的繁忙程度，将各分块任务分派给选定的分块机；

d)所述分块机接收由所述监控机发派的分块任务，对存储设备上已经接收到的对应新景数据执行分块任务：从不完整的数据流中，根据分块任务参数解析，抽取图像数据，并生成一张张完整的JPEG压缩格式的图像数据，存储到所述存储设备中，完成后将反馈信息发送到所述监控机，供所述监控机对任务进度做同步处理；

e)所述监控机根据所述分块机的任务完成情况针对已完成分块处理而生成的压缩图像数据，向所述判读机发送判读任务；

f)所述判读机执行判读任务，向所述监控机发送判读结果以及完成判读任务的反馈消息；所述判读机判读过程中，利用本机多核多CPU特性，以多线程方式并行化的完成；同时，针对不同的判读任务，利用本机显卡GPU芯片的多核计算能力，特定的图像滤波，图像处理，以及目标分类等算法，以数百个子线程的方式交由GPU执行，从而实现了CPU+GPU异构并行化的工作架构；所述判读机完成每一个判读任务时，其判读结果首先以XML文件形式存储在存储设备上所判读图像相同的位置，其次以消息数据的形式通知给所述监控机该判读任务已完成，对应图像已有判读结果，最后还会定时将所述判读机所完成的一系列判读结果批量写入到所述监控机所运行的数据库中；

g)所述确认机持续不断地通过向所述监控机查询，获取到所述分块机的分块结果列表，根据图像编号与本机信息对比，从所述存储设备中读取所有新分块的图像数据与地理信息数据，将图像依照其地理排列位置逐张加载到所述确认机的显示界面上；且该过程由独立线程在后台控制循环执行，伴随着所述分块机分块任务的不断执行，所述确认机显示界面能够不断地填补出新的图像块，供人工确认员在屏幕前实时观察到当前已经完成分块的图像结果。

h)所述确认机除了依照g步骤不断向所述监控机查询、加载分块结果图像到显示界面外，还反复执行类似的轮询过程，查询所述监控机的数据库，不断获取由所述判读机程序自动判读的最新结果列表，将程序自动判读的结果采用图形标记绘制到显示界面的卫星图像上；

i)所述确认机供人工确认员使用：所述确认机的后台线程在不断执行g步骤与h步骤时，确认员可在屏幕前观察到所述确认机不断加载显示的分块图像，以及不断绘制出现的判读结果；本系统设计的光纤/以太网的双高速网络以及整个系统的异构并行化架构，确保了多名人工确认员在各自计算机所运行的所述确认机程序显示界面上，均能够近乎实时地看到分块图像和程序自动判读结果的刷新过程；人工确认员除了在所述确认机显示界面看到来自所述判读机的程序自动判读结果外，还可以进一步对所见判读结果通过鼠标+键盘快捷键的方式进行交互式编辑：对判读机的程序自动判读结果做增、删、改操作；所述确认机上所有人工操作，均作为最终的判读结果，用以更新、替换所述存储设备与所述监控机所运行的数据库这两个位置上原有的判读结果；默认的，如果人工确认员不对界面显示的程序自动判读结果做修改，则所述存储设备与所述监控机数据库处的原始判读结果亦不做变动；

j)所述监控机统计所述接收机发现的卫星图像的新景数据在各处理机阶段的完成情况，判断是否已经完成分块或是判读，检查系统是否有空闲，若有空闲执行k步骤；

k)发起金字塔生成任务，将当前景的工作图像转换成金字塔文件：由所述确认机对已接受到的数据进行图像金字塔的生成计算，实时、同步地生成卫星图像的多分辨率数据，用以向系统使用者提供不同分辨率的可视化图像结果。

本发明在完成卫星遥感图像处理时能达到以下技术效果

(1)本发明中，不需要等待图像数据的完整下载，通过图像格式的解析，本方法近似以流数据的形式无延时地在数据下载过程中对已经看到的数据进行解码、判读，从而实现卫星图像判读的实时性。

(2)本发明融合了传统的分布式处理技术与多CPU多线程，GPU多核编程技术，将计算节点的可伸缩性、可扩充性完整统一起来，并重复利用了所有节点的计算能力。

(3)本发明对图像格式与判读任务没有特定的约束，设计了统一的虚拟分块接口，将具体的数据格式与判读任务与系统架构进行分离，从而实现本发明所描述的方法，很容易适应与任意规格的卫星图像实时判读系统设计。具体做法是：

a)利用卫星图像流在解码后，格式描述数据在数据流头部的特性，先解析格式数据，获取即将到达的图像数据规格；

b)在接收机处，根据图像格式与图像规格参数，构造虚拟的解码后的图像矩阵参数，包括图形的长、宽、高、位深、子图的宽、高、位深，已经对应任意区域的地理信息，并参照系统处理机的工作参数计算出实时分块的子图大小参数；

c)接收机控制下载数据流的到达，并且根据数据规格，对图像数据段一边存储，一边做进度的粗略判断，根据进度控制虚拟分块任务的分发，而分块机的处理任务只与分块参数有关，不再需要考虑图像数据的接收进度，从而实现数据接收与解码和数据分块的接口分离；

d)接收机分块后的数据，以本系统内统一的图像压缩格式进行存储。监控机再根据不同的判读任务调度判读机处理，判读机算法只与判读任务有关，判读机的并行化计算及判读机的规模亦只与判读算法难度和数据量有关，由监控机进行计算控制，从而实现原始的卫星图像数据格式，与判读任务的分离。

附图说明

附图1为本发明系统总体结构图；

附图2为本发明系统工作方法总体流程图；

附图3为本发明接收机工作流程图；

附图4为本发明分块机工作流程图。

具体实施方式

实施例1：参见各附图，一种卫星遥感图像实时并行处理系统，包括存储设备4和处理机，所述处理机包括监控机1、接收机2、分块机3、判读机5和确认机6；各处理机支持多CPU、多线程、显卡多核计算；各处理机通过光纤网对存储设备上的图像数据进行共享式的读写访问；各处理机通过以太网进行通讯以及数据交换；

所述监控机1用于控制管理整个系统的运作，使得所有实时图像处理任务在不同处理机之间进行同步调度，并对系统内所有处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行实时跟踪、调度与显示；所述监控机1上运行有本地数据库，用以记录、备份整个系统的任务进度与各处理机的工作状态，各处理机通过以太网可以连接并访问该数据库；

所述接收机2用于扫描所述存储设备4上的缓冲区，并对扫描到缓冲区内卫星图像的新景数据进行格式解析，做虚拟的逻辑分块：首先通过扫描参数文件获取新数据的卫星过顶时间参数，根据系统处理的延时约束，判断缓冲区内数据的卫星过顶时间是否超过系统响应延时的最大约束值，若超过则直接放弃该批数据的处理；否则对扫描到并且要处理的卫星图像的新景数据的格式与规格进行解析，调用对应图像格式的解码算法，获取编码在图像文件内的地理信息与卫星参数；向所述监控机1获取当前系统的处理机的工作数量、载荷参数，结合新景数据规格，进行逻辑分块工作，每一个逻辑分块任务具体包括：确认包括子图位置、尺寸、图像编码规格、重叠区、行列数量、分块编码等逻辑分块参数，以及对应的子图地理信息；接收机2的逻辑分块过程，会依据其接收、存储新景数据线程的进度，对已存储部分的数据进行对应的逻辑分块，并向所述监控机1派发分块任务，包括上述分块参数、子图地理信息、子图存储参数以及针对特定位置的高优先级图像分块所需要的子图位置参数；

所述接收机2在执行逻辑分块任务同时，接收缓冲区内源源不断到达的新景数据，将新景数据存储到所述存储设备4中，并且该过程与上述逻辑分块过程用算法实现同步，确保逻辑分块任务发出时，对应新景数据也已经存储下来；最后将上述工作过程产生的图像存储编号、图像地理参数、卫星参数，及新景数据的规格与参数，实时写入到所述监控机1运行的数据库中，作为系统备份信息供所述监控机1在需要时查询、追溯；

所述分块机3包括一个主线程、多个分块线程、一个通讯线程进行操作，实现了多核多线程并行化处理的架构，用于等待并接收由所述监控机1发派的分块任务，对存储设备4上已经接收到的对应新景数据执行分块任务，即从不完整的数据流中，根据分块任务参数解析抽取图像数据，并生成一张张完整的JPEG压缩格式的图像数据，存储到所述存储设备4中，完成后将反馈信息发送到所述监控机1，供监控机1对任务进度做同步处理；分块机3接收到的最初由接收机2发出、并由监控机1转发的分块任务，只与分块参数有关，不再需要考虑图像数据的接收进度，从而实现数据接收与解码和数据分块的接口分离；

所述存储设备4用于存储实时卫星图像处理过程中接收到的卫星图像数据，以及所述分块机3生成的压缩图像数据，通过光纤网实现数据共享，供所述接收机2、分块机3、判读机5和确认机6进行数据读写；

所述判读机5具有主控线程、通讯线程、多个分块线程的多核多线程并行化处理的架构，用于接收由所述监控机1根据所述分块机3的反馈信息和系统所处理的卫星图像需要的判读内容分派的判读任务，读取所述存储设备4内已经分块好的JPEG压缩格式图像，调用相应判读算法进行判读并将结果反馈到所述监控机1。由此可见，最初下载的尺寸极大的卫星图像已经由分块机统一转换成数量众多、尺寸较小的JPEG子图，监控机根据分块机3的完成进度，将不同的判读任务调度判读机分别处理，判读机算法只与判读任务有关，判读机的并行化计算及判读机的规模亦只与判读算法难度和数据量有关，由监控机进行计算控制，从而实现原始的卫星图像数据格式，与判读任务的分离。

所述判读机5收到具体的判读任务后，采用CPU/GPU协同计算模式进行工作：设置独立的主控线程负责逻辑和负责管理，通信线程负责通信事务；若需要GPU参与异构并行计算，则CPU增加一个GPU控制线程，负责管理GPU的多线程计算任务；CPU上有多个计算线程，GPU根据显卡的特性来产生数以百计的计算线程，从而构成CPU+GPU异构并行化的能力；

所述确认机6用于实时显示已处理部分的卫星图像数据，同时具有人工介入辅助判读功能；所述确认机6还根据所述接收机2的进度，在所述监控机1管理下，对所述存储设备4内已接收到的数据进行图像金字塔的生成计算，实时、同步地生成卫星图像的多分辨率数据，用以向系统使用者提供不同分辨率的可视化图像结果；

所述的接收机2、分块机3、存储设备4、判读机5、确认机6分别由多个并行处理器组成，用于任务的并行处理；并行工作的控制方式为以所述监控机1为管理核心：所述监控机1对所有其它处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行轮询与监控；在实时处理卫星图像数据的过程中，所述监控机1对任务分派与任务同步进行管理，以此控制各处理机的并行化工作。

监控机1在分派判读任务时，衡量当前所述判读机5的负载数据，以未完成任务数M、CPU负载N和GPU负载K为参数，按公式c1×M+c2×N+c3×K计算总负载，选择负载最小的判读机。在验证系统中，由于N和K均为百分比值，未完成任务数M为0～65535的整数实际情况最大值约为300以内，故c1取值为100％/当前景的总任务数，c2取值为1，c3取值默认为0，若需要GPU参与计算达成异构并行架构则c3取值为1；所述判读机5收到具体的判读任务后，采用CPU/GPU协同计算模式进行工作：设置独立的主控线程负责逻辑和负责管理，通信线程负责通信事务，若需要GPU参与异构并行计算，则CPU增加一个GPU控制线程，负责管理GPU的多线程计算任务。最后，CPU上有多个计算线程，GPU根据显卡的特性来产生数以百计的计算线程，从而构成CPU+GPU异构并行化的能力。

实施例2：参见各附图，一种卫星遥感图像实时并行处理方法，其特征是使用如实施1所述的一种卫星遥感图像实时并行处理系统，并包括以下步骤，且各步骤由所述的监控机1控制管理整个系统的运作，使得所有实时图像处理任务在不同处理机之间进行同步调度，并对系统内所有处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行实时跟踪、调度与显示：

a)所述监控机1发起启动指令，启动整个系统，包括所述接收机2启动扫描所述存储设备4上的缓冲区、所述分块机3等待分块任务、所述判读机5等待分派判读任务；所述确认机6等待任务；

b)接收机2图像接收流程；

所述接收机2扫描所述存储设备4上的缓冲区的数据变化情况；

所述接收机2对扫描到缓冲区内卫星图像的新景数据进行格式解析，做虚拟的逻辑分块：包括首先通过扫描参数文件获取新数据的卫星过顶时间参数，根据系统处理的延时约束，判断缓冲区内数据的卫星过顶时间是否超过系统响应延时的最大约束值，若超过则直接放弃该批数据的处理；否则对扫描到并且要处理的卫星图像的新景数据的格式与规格进行解析，调用对应图像格式的解码算法，获取编码在图像文件内的地理信息与卫星参数；向所述监控机1获取当前系统的处理机的工作数量、载荷参数，结合新景数据规格，确认子图位置、尺寸、图像编码规格、重叠区、行列数量、分块编码等逻辑分块参数，以及对应的子图地理信息；所述接收机2的逻辑分块过程，会依据其接收、存储新景数据线程的进度，对已存储部分的数据进行对应的逻辑分块，并向所述监控机1派发分块任务，包括上述分块参数、子图地理信息、子图存储参数以及针对特定位置的高优先级图像分块所需要的子图位置参数；

所述接收机2在执行逻辑分块任务同时，接收缓冲区内源源不断到达的新景数据，将新景数据存储到所述存储设备4中，并且该过程与上述逻辑分块过程用算法实现同步，确保逻辑分块任务发出时，对应新景数据也已经存储下来；

最后将上述工作过程产生的图像存储编号、图像地理参数、卫星参数，及新景数据的图像规格与参数，实时写入到所述监控机1运行的本机数据库中，作为系统备份信息供所述监控机1在需要时查询、追溯；

c)所述监控机1获取来自所述接收机2的分块任务，根据所述各分块机3的繁忙程度，将各分块任务分派给选定的分块机3；

d)所述分块机3接收由所述监控机1发派的分块任务，对存储设备4上已经接收到的对应新景数据执行分块任务：从不完整的数据流中，根据分块任务参数解析，抽取图像数据，并生成一张张完整的JPEG压缩格式的图像数据，存储到所述存储设备4中，完成后将反馈信息发送到所述监控机1，供所述监控机1对任务进度做同步处理；

e)所述监控机1根据所述分块机3的任务完成情况针对已完成分块处理而生成的压缩图像数据，向所述判读机5发送判读任务；

f)所述判读机5执行判读任务，向所述监控机1发送判读结果以及完成判读任务的反馈消息；所述判读机5判读过程中，利用本机多核多CPU特性，以多线程方式并行化的完成；同时，针对不同的判读任务，利用本机显卡GPU芯片的多核计算能力，特定的图像滤波，图像处理，以及目标分类等算法，以数百个子线程的方式交由GPU执行，从而实现了CPU+GPU异构并行化的工作架构；所述判读机5完成每一个判读任务时，其判读结果首先以XML文件形式存储在存储设备4上所判读图像相同的位置，其次以消息数据的形式通知给所述监控机1该判读任务已完成，对应图像已有判读结果，最后还会定时将所述判读机5所完成的一系列判读结果批量写入到所述监控机1所运行的数据库中；

g)所述确认机6持续不断地通过向所述监控机1查询，获取到所述分块机3的分块结果列表，根据图像编号与本机信息对比，从所述存储设备4中读取所有新分块的图像数据与地理信息数据，将图像依照其地理排列位置逐张加载到所述确认机6的显示界面上；且该过程由独立线程在后台控制循环执行，伴随着所述分块机3分块任务的不断执行，所述确认机6显示界面能够不断地填补出新的图像块，供人工确认员在屏幕前实时观察到当前已经完成分块的图像结果。

h)所述确认机6除了依照g步骤不断向所述监控机1查询、加载分块结果图像到显示界面外，还反复执行类似的轮询过程，查询所述监控机1的数据库，不断获取由所述判读机5程序自动判读的最新结果列表，将程序自动判读的结果采用图形标记绘制到显示界面的卫星图像上；

i)所述确认机6供人工确认员使用：所述确认机6的后台线程在不断执行g步骤与h步骤时，确认员可在屏幕前观察到所述确认机6不断加载显示的分块图像，以及不断绘制出现的判读结果；本系统设计的光纤/以太网的双高速网络以及整个系统的异构并行化架构，确保了多名人工确认员在各自计算机所运行的所述确认机6程序显示界面上，均能够近乎实时地看到分块图像和程序自动判读结果的刷新过程；人工确认员除了在所述确认机6显示界面看到来自所述判读机5的程序自动判读结果外，还可以进一步对所见判读结果通过鼠标+键盘快捷键的方式进行交互式编辑：对判读机5的程序自动判读结果做增、删、改操作；所述确认机6上所有人工操作，均作为最终的判读结果，用以更新、替换所述存储设备4与所述监控机1所运行的数据库这两个位置上原有的判读结果；默认的，如果人工确认员不对界面显示的程序自动判读结果做修改，则所述存储设备4与所述监控机1数据库处的原始判读结果亦不做变动；

j)所述监控机1统计所述接收机2发现的卫星图像的新景数据在各处理机阶段的完成情况，判断是否已经完成分块或是判读，检查系统是否有空闲，若有空闲执行k步骤；

k)发起金字塔生成任务，将当前景的工作图像转换成金字塔文件：由所述确认机6对已接受到的数据进行图像金字塔的生成计算，实时、同步地生成卫星图像的多分辨率数据，用以向系统使用者提供不同分辨率的可视化图像结果。

Claims (2)

1.一种卫星遥感图像实时并行处理系统，包括存储设备(4)和处理机，所述处理机包括监控机(1)、接收机(2)、分块机(3)、判读机(5)和确认机(6)；各处理机支持多CPU、多线程、显卡多核计算；各处理机通过光纤网对存储设备上的图像数据进行共享式的读写访问；各处理机通过以太网进行通讯以及数据交换；

所述监控机(1)用于控制管理整个系统的运作，使得所有实时图像处理任务在不同处理机之间进行同步调度，并对系统内所有处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行实时跟踪、调度与显示；所述监控机(1)上运行有本地数据库，用以记录、备份整个系统的任务进度与各处理机的工作状态，各处理机通过以太网可以连接并访问该数据库；

所述接收机(2)用于扫描所述存储设备(4)上的缓冲区，并对扫描到缓冲区内卫星图像的新景数据进行格式解析，做虚拟的逻辑分块：首先通过扫描参数文件获取新数据的卫星过顶时间参数，根据系统处理的延时约束，判断缓冲区内数据的卫星过顶时间是否超过系统响应延时的最大约束值，若超过则直接放弃该批数据的处理；否则对扫描到并且要处理的卫星图像的新景数据的格式与规格进行解析，调用对应图像格式的解码算法，获取编码在图像文件内的地理信息与卫星参数；向所述监控机(1)获取当前系统的处理机的工作数量、载荷参数，结合新景数据规格，进行逻辑分块工作，每一个逻辑分块任务具体包括：确认包括子图位置、尺寸、图像编码规格、重叠区、行列数量、分块编码等逻辑分块参数，以及对应的子图地理信息；接收机(2)的逻辑分块过程，会依据其接收、存储新景数据线程的进度，对已存储部分的数据进行对应的逻辑分块，并向所述监控机(1)派发分块任务，包括上述分块参数、子图地理信息、子图存储参数以及针对特定位置的高优先级图像分块所需要的子图位置参数；

所述接收机(2)在执行逻辑分块任务同时，接收缓冲区内源源不断到达的新景数据，将新景数据存储到所述存储设备(4)中，并且该过程与上述逻辑分块过程用算法实现同步，确保逻辑分块任务发出时，对应新景数据也已经存储下来；最后将上述工作过程产生的图像存储编号、图像地理参数、卫星参数，及新景数据的规格与参数，实时写入到所述监控机(1)运行的数据库中，作为系统备份信息供所述监控机(1)在需要时查询、追溯；

所述分块机(3)包括一个主线程、多个分块线程、一个通讯线程进行操作，实现了多核多线程并行化处理的架构，用于等待并接收由所述监控机(1)发派的分块任务，对存储设备(4)上已经接收到的对应新景数据执行分块任务，即从不完整的数据流中，根据分块任务参数解析抽取图像数据，并生成一张张完整的JPEG压缩格式的图像数据，存储到所述存储设备(4)中，完成后将反馈信息发送到所述监控机(1)，供监控机(1)对任务进度做同步处理；

所述存储设备(4)用于存储实时卫星图像处理过程中接收到的卫星图像数据，以及所述分块机(3)生成的压缩图像数据，通过光纤网实现数据共享，供所述接收机(2)、分块机(3)、判读机(5)和确认机(6)进行数据读写；

所述判读机(5)具有主控线程、通讯线程、多个分块线程的多核多线程并行化处理的架构，用于接收由所述监控机(1)根据所述分块机(3)的反馈信息和系统所处理的卫星图像需要的判读内容分派的判读任务，读取所述存储设备(4)内已经分块好的JPEG压缩格式图像，调用相应判读算法进行判读并将结果反馈到所述监控机(1)；

所述判读机(5)收到具体的判读任务后，采用CPU/GPU协同计算模式进行工作：设置独立的主控线程负责逻辑和负责管理，通信线程负责通信事务；若需要GPU参与异构并行计算，则CPU增加一个GPU控制线程，负责管理GPU的多线程计算任务；CPU上有多个计算线程，GPU根据显卡的特性来产生数以百计的计算线程，从而构成CPU+GPU异构并行化的能力；

所述确认机(6)用于实时显示已处理部分的卫星图像数据，同时具有人工介入辅助判读功能；所述确认机(6)还根据所述接收机(2)的进度，在所述监控机(1)管理下，对所述存储设备(4)内已接收到的数据进行图像金字塔的生成计算，实时、同步地生成卫星图像的多分辨率数据，用以向系统使用者提供不同分辨率的可视化图像结果；

所述的接收机(2)、分块机(3)、存储设备(4)、判读机(5)、确认机(6)分别由多个并行处理器组成，用于任务的并行处理；并行工作的控制方式为以所述监控机(1)为管理核心：所述监控机(1)对所有其它处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行轮询与监控；在实时处理卫星图像数据的过程中，所述监控机(1)对任务分派与任务同步进行管理，以此控制各处理机的并行化工作。

2.一种卫星遥感图像实时并行处理方法，其特征是使用如权利要求1所述的一种卫星遥感图像实时并行处理系统，并包括以下步骤，且各步骤由所述的监控机(1)控制管理整个系统的运作，使得所有实时图像处理任务在不同处理机之间进行同步调度，并对系统内所有处理机的工作状态、工作进度、工作负荷进行实时跟踪、调度与显示：

a)所述监控机(1)发起启动指令，启动整个系统，包括所述接收机(2)启动扫描所述存储设备(4)上的缓冲区、所述分块机(3)等待分块任务、所述判读机(5)等待分派判读任务；所述确认机(6)等待任务；

b)接收机(2)图像接收流程：

所述接收机(2)扫描所述存储设备(4)上的缓冲区的数据变化情况；

所述接收机(2)对扫描到缓冲区内卫星图像的新景数据进行格式解析，做虚拟的逻辑分块：包括首先通过扫描参数文件获取新数据的卫星过顶时间参数，根据系统处理的延时约束，判断缓冲区内数据的卫星过顶时间是否超过系统响应延时的最大约束值，若超过则直接放弃该批数据的处理；否则对扫描到并且要处理的卫星图像的新景数据的格式与规格进行解析，调用对应图像格式的解码算法，获取编码在图像文件内的地理信息与卫星参数；向所述监控机(1)获取当前系统的处理机的工作数量、载荷参数，结合新景数据规格，确认子图位置、尺寸、图像编码规格、重叠区、行列数量、分块编码等逻辑分块参数，以及对应的子图地理信息；所述接收机(2)的逻辑分块过程，会依据其接收、存储新景数据线程的进度，对已存储部分的数据进行对应的逻辑分块，并向所述监控机(1)派发分块任务，包括上述分块参数、子图地理信息、子图存储参数以及针对特定位置的高优先级图像分块所需要的子图位置参数；

所述接收机(2)在执行逻辑分块任务同时，接收缓冲区内源源不断到达的新景数据，将新景数据存储到所述存储设备(4)中，并且该过程与上述逻辑分块过程用算法实现同步，确保逻辑分块任务发出时，对应新景数据也已经存储下来；

最后将上述工作过程产生的图像存储编号、图像地理参数、卫星参数，及新景数据的图像规格与参数，实时写入到所述监控机(1)运行的本机数据库中，作为系统备份信息供所述监控机(1)在需要时查询、追溯；

c)所述监控机(1)获取来自所述接收机(2)的分块任务，根据所述各分块机(3)的繁忙程度，将各分块任务分派给选定的分块机(3)；

d)所述分块机(3)接收由所述监控机(1)发派的分块任务，对存储设备(4)上已经接收到的对应新景数据执行分块任务：从不完整的数据流中，根据分块任务参数解析，抽取图像数据，并生成一张张完整的JPEG压缩格式的图像数据，存储到所述存储设备(4)中，完成后将反馈信息发送到所述监控机(1)，供所述监控机(1)对任务进度做同步处理；

e)所述监控机(1)根据所述分块机(3)的任务完成情况针对已完成分块处理而生成的压缩图像数据，向所述判读机(5)发送判读任务；

f)所述判读机(5)执行判读任务，向所述监控机(1)发送判读结果以及完成判读任务的反馈消息；所述判读机(5)判读过程中，利用本机多核多CPU特性，以多线程方式并行化的完成；同时，针对不同的判读任务，利用本机显卡GPU芯片的多核计算能力，特定的图像滤波，图像处理，以及目标分类等算法，以数百个子线程的方式交由GPU执行，从而实现了CPU+GPU异构并行化的工作架构；所述判读机(5)完成每一个判读任务时，其判读结果首先以XML文件形式存储在存储设备(4)上所判读图像相同的位置，其次以消息数据的形式通知给所述监控机(1)该判读任务已完成，对应图像已有判读结果，最后还会定时将所述判读机(5)所完成的一系列判读结果批量写入到所述监控机(1)所运行的数据库中；

g)所述确认机(6)持续不断地通过向所述监控机(1)查询，获取到所述分块机(3)的分块结果列表，根据图像编号与本机信息对比，从所述存储设备(4)中读取所有新分块的图像数据与地理信息数据，将图像依照其地理排列位置逐张加载到所述确认机(6)的显示界面上；且该过程由独立线程在后台控制循环执行，伴随着所述分块机(3)分块任务的不断执行，所述确认机(6)显示界面能够不断地填补出新的图像块，供人工确认员在屏幕前实时观察到当前已经完成分块的图像结果；

h)所述确认机(6)除了依照g步骤不断向所述监控机(1)查询、加载分块结果图像到显示界面外，还反复执行类似的轮询过程，查询所述监控机(1)的数据库，不断获取由所述判读机(5)程序自动判读的最新结果列表，将程序自动判读的结果采用图形标记绘制到显示界面的卫星图像上；

i)所述确认机(6)供人工确认员使用：所述确认机(6)的后台线程在不断执行g步骤与h步骤时，确认员可在屏幕前观察到所述确认机(6)不断加载显示的分块图像，以及不断绘制出现的判读结果；本系统设计的光纤/以太网的双高速网络以及整个系统的异构并行化架构，确保了多名人工确认员在各自计算机所运行的所述确认机(6)程序显示界面上，均能够近乎实时地看到分块图像和程序自动判读结果的刷新过程；人工确认员除了在所述确认机(6)显示界面看到来自所述判读机(5)的程序自动判读结果外，还可以进一步对所见判读结果通过鼠标+键盘快捷键的方式进行交互式编辑：对判读机(5)的程序自动判读结果做增、删、改操作；所述确认机(6)上所有人工操作，均作为最终的判读结果，用以更新、替换所述存储设备(4)与所述监控机(1)所运行的数据库这两个位置上原有的判读结果；默认的，如果人工确认员不对界面显示的程序自动判读结果做修改，则所述存储设备(4)与所述监控机(1)数据库处的原始判读结果亦不做变动；

j)所述监控机(1)统计所述接收机(2)发现的卫星图像的新景数据在各处理机阶段的完成情况，判断是否已经完成分块或是判读，检查系统是否有空闲，若有空闲执行k步骤；

k)发起金字塔生成任务，将当前景的工作图像转换成金字塔文件：由所述确认机(6)对已接受到的数据进行图像金字塔的生成计算，实时、同步地生成卫星图像的多分辨率数据，用以向系统使用者提供不同分辨率的可视化图像结果。