CN113434090A - 一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法 - Google Patents

一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，该方法包括以下步骤：步骤(1)高速视频测量硬件模型搭建；步骤(2)基于Windows核心编程来实现高速固态硬盘异步I/O实时存储。与现有技术相比，本发明具有解决了海量数据实时存储不完整或丢帧问题，实现了高速海量数据实时无损存储等优点。

Description

一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法
技术领域
本发明涉及高速视频存储技术，尤其是涉及一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法。
背景技术
高速视频测量***能在秒级时间内获取数百帧或千帧序列高分辨率图像，瞬时记录高速运动物体的空间位置与状态，广泛应用于工程测量领域。使用高分辨、高帧频高速相机持续测量高速运动物体必定生成海量数据。数据存储速度与高分辨率、高帧频的数据传输速度不匹配会导致高速视频记录数据不完整或丢帧。机械硬盘普遍性能差不适用于高速实时海量存储。提升高速视频测量实时海量数据存储速度是高速视频测量界亟需解决的问题。在高速视频存储研究方向，许多学者针对问题提出了解决方案。这些方案总结可以为：(1)基于FPGA以NAND FLASH为存储介质；(2)基于FPGA控制SATA接口固态硬盘；(3)基于PowerPC结合SATA接口固态硬盘；(4)基于FPGA结合DDR3-SDRAM存储介质；(5)结合PowerPC与FPGA基于SATA固态硬盘；(6)结合PowerPC与FPGA基于SATA接口和多个NAND FLASH，基于内核实现命令队列优化和数据并行传输提升数据存储速率等。
然而，以NAND FALSH存储介质方案考虑问题复杂且设计不易实现，很难应用于实际工业测量。以DDR3-SDRAM为存储介质不仅成本高，数据存储更有易丢失性。以SATA接口固态存储介质为方案却由于SATA接口最大读写速率有限，尽管基于内核实现队列命令数据并行传输确实可以提升数据存储速率，却难以应用于海量数据实时无损存储。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，实现了高速海量数据实时无损存储。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)高速视频测量硬件模型搭建；
步骤(2)基于Windows核心编程来实现高速固态硬盘异步I/O实时存储。
作为优选的技术方案，所述的步骤(1)高速视频测量硬件模型搭建具体为：
步骤101，模拟数据源硬件模块构建；
步骤102，高速传输硬件模块构建；
步骤103，高速存储硬件模块构建。
作为优选的技术方案，所述的步骤101具体为：
采用CMOS高速相机作为模拟数据源，其分辨率为2048×2000，采集帧频为500fps，图像位深为8bits。
作为优选的技术方案，所述的步骤102具体为：
使用2根光纤介质连接CMOS高速相机数据模拟器与高速图像采集卡；数据传输接口使用Camera Link HS接口。
作为优选的技术方案，所述的步骤103具体为：使用M.2型NVMe协议的高速固态硬盘作为存储介质，其中存储介质可采用存储阵列形式。
作为优选的技术方案，所述的步骤(2)具体包括：
步骤201，异步I/O预处理过程；
步骤202，海量数据循环异步I/O处理过程；
步骤203，异步I/O停止存储处理过程。
作为优选的技术方案，所述的步骤201具体包括以下步骤：
步骤2011，给出待存储文件的绝对路径；
步骤2012，以待存储文件的绝对路径作为参数，来连接相应设备；
步骤2013，创建I/O完成端口，并完成I/O完成端口与已打开设备的绑定；
步骤2014，预先发出四个字节数为0字节的写命令；
步骤2015，设置开始存储；
步骤2016，开启线程，准备海量数据循环异步I/O过程。
作为优选的技术方案，所述的步骤202具体包括以下步骤：
步骤2021，首先检查是否开始存储，若不开始存储则直接结束，否则执行步骤2022；
步骤2022，检查I/O完成队列；
步骤2023，判断是否存在写命令完成，若不存在，继续检查I/O完成队列，否则执行步骤2024；
步骤2024，读缓冲池数据块；
步骤2025，发出写入设备命令，更新已经写入的偏移量值。
作为优选的技术方案，所述的步骤2024中的数据块大小是单帧图像大小。
作为优选的技术方案，所述的步骤203具体包括以下步骤：
步骤2031，判断停止存储是否触发，若为是，执行步骤2032；
步骤2032，开启一个线程；
步骤2033，检查预设时间与已存储时间是不是一致，若为是，执行步骤2035，否则执行步骤2034；
步骤2034，线程需要继续等待与预设时间一致，然后执行步骤2035；
步骤2035，直接设置停止存储。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明解决了海量数据实时存储不完整或丢帧问题，实现了高速海量数据实时无损存储；
2)本发明稳定性和可靠性高，使用两根光纤传输介质连接高速相机模拟数据源与高速图像采集卡，使用双Camera Link HS数据传输接口，数据传输速率最大为2.5GB/s，固态硬盘使用Samsung 970Pro 512GB M.2型NVMe协议，基于Windows核心编程开发固态硬盘异步I/O存储使得实时存储速度最高可达2.0GB/s。
附图说明
图1为本发明硬件的实现示意图；
图2为本发明方法的实现流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
高速视频存储速度与高分辨率、高帧频数据源传输速度不匹配导致高速视频测量***存储数据不完整或丢帧是一项技术难题。海量数据至少以GB为单位，SATA接口固态硬盘作为存储介质速度限制在每秒数百兆字节，难以满足高速视频测量要求。为克服这个难题，本发明提出一种高速视频测量的海量数据异步存储方法，该方法主要由以下几个部分构成：(1)高速存储硬件环境搭建。使用2根光纤介质连接CMOS高速相机数据模拟器与高速图像采集卡；数据传输接口使用Camera Link HS接口；使用M.2型NVMe协议的高速固态硬盘作为存储介质；(2)设计基于Windows核心编程实现高速固态硬盘异步I/O实时存储。实验验证约2GB/s数据源,固态硬盘写入速度约2.0GB/s能够长时间实时无损进行高速视频测量。
1.海量数据异步存储方法的硬件环境
高速视频测量硬件模型搭载如图1所示。该模型由以下几个硬件模块组成：(1)模拟数据源硬件模块。使用CMOS高速相机模拟数据源，其分辨率为2048×2000，采集帧频为500fps，图像位深为8bits。(2)高速传输硬件模块。使用两根光纤传输介质数据传输接口采用Camera Link HS，总传输速度为2.5GB/s。光纤高速传输介质线连接高速相机模拟数据源与高速图像采集卡。高速图像采集卡挂载在戴尔商用台式机PCIe3.0×16接口上。(3)高速存储硬件模块。以M.2型NVMe协议高速固态硬盘Samsung 970Pro 512GB作为高速存储介质，固态硬盘挂载在戴尔OptiPlex7040商用台式机M.2接口上。
2.基于异步I/O方法的海量数据高速存储方法
实现海量数据异步I/O实现过程包括以下几个模块：(1)异步I/O预处理模块；(2)海量数据循环异步I/O模块；(3)异步I/O停止存储模块。具体过程如图2所示，
如图2所示，异步I/O实现过程在异步I/O预处理模块，需要给出待存储文件的绝对路径，以文件的绝对路径作为参数，同时设置设备直接存储和异步存储方式打开对应设备。创建I/O完成端口，并完成I/O完成端口与已打开设备的绑定。预先发出四个字节数为0字节的写命令。设置开始存储。开启线程，准备海量数据循环异步I/O过程。
在海量数据循环异步I/O模块中，首先检查是否开始存储，若不开始存储则直接结束，否则检查I/O完成队列，如果不存在写命令完成，继续检查I/O完成队列，否则读缓冲池数据块，此数据块大小是单帧图像大小。发出写入设备命令，更新已经写入的偏移量值。若要停止实时异步I/O过程，需要触发停止存储线程。
在异步I/O停止存储模块中，如果停止存储已被触发，则开启一个线程，检查预设时间与已存储时间是不是一致，预设时间意思是用户事先确定要存储时间，如果不一致，此线程需要继续等待与预设时间一致，然后设置停止存储对海量数据循环异步I/O模块起作用。否则直接设置停止存储对海量数据循环异步I/O模块起作用。
实验与结果分析
为验证高速视频测量海量数据异步存储方法的稳定性与可靠性，设计高速视频测量实时海量数据存储实验验证实时传输约为2.0GB/s的相机模拟器，实验过程中固态硬盘实时存储速度为2.0GB/s。
1.实验实施流程
实验首先需要连接各硬件模块，启动硬件环境。戴尔OptiPlex 7040商用台式机M.2接口挂载三星970Pro存储容量为512GB高速固体硬盘，固态硬盘最大写入速度为2.3GB/s。戴尔OptiPlex 7040商用台式机PCIe3.0 x 16接口挂载Teledyne DALSA高速图像采集卡。ALINX FPGA开发板模拟CMOS高速相机数据源。2根光纤介质，单根传输速度为1.25GB/s，高速数据接口Camera Link HS连接CMOS高速相机模拟数据源与高速图像采集卡。
硬件环境启动后，打开高速视频测量软件采集控制***。软件***设置缓冲池大小为5000个2048x 2000B，即约20GB。设置写入设备块大小2048x 2000B。设置读写队列深度大小为4。软件控制***控制采集卡开始采集，采集数据实时传送至内存缓冲池，***控制固态硬盘开始存储，海量数据异步I/O实现见图2。
2.实验结果分析
如表1所示，以约10秒为采集间隔，累计实时存储12组数据，最大时间为120.297秒。
表1
Figure BDA0003140073920000051
Figure BDA0003140073920000061
表1图像帧数根据数据量比上一帧图像大小(2048X 2000B)得到。根据写入数据量与记录时间计算每一组实验的平均写入速度。
实验过程中，海量数据异步存储方法可以以最大约2.0GB/s的写入速度实时存储CMOS高速相机模拟数据源传输速度约2.0GB/s的数据。
本发明提出一种稳定可靠的高速视频测量的海量数据异步存储方法来解决海量数据实时存储不完整或丢帧问题。搭建硬件环境，设计并实现高速视频测量的海量数据异步存储方法。设计实验CMOS高速相机模拟数据源实时传输速度约为2.0GB/s可以被本文高速视频测量的海量异步存储方法以约2.0GB/s实时无损存储。若高速视频获取更加海量数据，只需更换更大带宽、更大容量的固态硬盘，本方法同样适用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)高速视频测量硬件模型搭建；
步骤(2)基于Windows核心编程来实现高速固态硬盘异步I/O实时存储。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤(1)高速视频测量硬件模型搭建具体为：
步骤101，模拟数据源硬件模块构建；
步骤102，高速传输硬件模块构建；
步骤103，高速存储硬件模块构建。
3.根据权利要求2所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤101具体为：
采用CMOS高速相机作为模拟数据源，其分辨率为2048×2000，采集帧频为500fps，图像位深为8bits。
4.根据权利要求2所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤102具体为：
使用2根光纤介质连接CMOS高速相机数据模拟器与高速图像采集卡；数据传输接口使用Camera Link HS接口。
5.根据权利要求2所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤103具体为：使用M.2型NVMe协议的高速固态硬盘作为存储介质，其中存储介质可采用存储阵列形式。
6.根据权利要求1所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体包括：
步骤201，异步I/O预处理过程；
步骤202，海量数据循环异步I/O处理过程；
步骤203，异步I/O停止存储处理过程。
7.根据权利要求6所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤201具体包括以下步骤：
步骤2011，给出待存储文件的绝对路径；
步骤2012，以待存储文件的绝对路径作为参数，来连接相应设备；
步骤2013，创建I/O完成端口，并完成I/O完成端口与已打开设备的绑定；
步骤2014，预先发出四个字节数为0字节的写命令；
步骤2015，设置开始存储；
步骤2016，开启线程，准备海量数据循环异步I/O过程。
8.根据权利要求6所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤202具体包括以下步骤：
步骤2021，首先检查是否开始存储，若不开始存储则直接结束，否则执行步骤2022；
步骤2022，检查I/O完成队列；
步骤2023，判断是否存在写命令完成，若不存在，继续检查I/O完成队列，否则执行步骤2024；
步骤2024，读缓冲池数据块；
步骤2025，发出写入设备命令，更新已经写入的偏移量值。
9.根据权利要求8所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤2024中的数据块大小是单帧图像大小。
10.根据权利要求6所述的一种用于高速视频测量的海量数据异步存储方法，其特征在于，所述的步骤203具体包括以下步骤：
步骤2031，判断停止存储是否触发，若为是，执行步骤2032；
步骤2032，开启一个线程；
步骤2033，检查预设时间与已存储时间是不是一致，若为是，执行步骤2035，否则执行步骤2034；
步骤2034，线程需要继续等待与预设时间一致，然后执行步骤2035；
步骤2035，直接设置停止存储。
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