[論文レビュー] SAXSDOG: open software for real-time azimuthal integration of 2D scattering images

Max Burian, Christian Meisenbichler+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2020

NMR spectroscopy and applications被引用数 6

ひとこと要約

SAXSDOG は、放射光施設におけるリアルタイムでの方位角積分を可能にするオープンソースで Python で構築されたソフトウェアフレームワークであり、2次元小角・広角 X線回折（SAXS/WAXS）像の処理を対象としている。自動化されたサーバーベースのパイプラインにより、大面積検出器データをミリ秒スケールで処理可能であり、SAXSLEASH GUI を通じたリアルタイム可視化および分類が可能である。また、施設外やラボ環境でも利用可能なスタンドアロンの「持ち運び可能」バージョンを備えている。

ABSTRACT

In-situ small- and wide-angle scattering experiments at synchrotrons often result in massive amounts of data within seconds only. Especially during such beamtimes, processing of the acquired data online, so without mentionable delay, is key to obtain feedback on failure or success of the experiment. We thus developed SAXSDOG, a python based environment for real-time azimuthal integration of large-area scattering-images. The software is primarily designed for dedicated data-pipelines: once a scattering image is transferred from the detector onto the storage-unit, it is automatically integrated and pre-evaluated using integral parameters within milliseconds. The control and configuration of the underlying server-based processes is done via a graphical user interface SAXSLEASH, which visualizes the resulting 1D data together with integral classifiers in real time. SAXSDOG further includes a portable 'take-home' version for users that runs on standalone computers, enabling its use in labs or at the preferred workspace.

研究の動機と目的

• 放射光ビームタイム中に発生する膨大な量の 2次元 X線回折データをリアルタイムで処理する課題に対処すること。
• 即時のフィードバックを提供するため、オンラインで低遅延なデータ処理を実現すること。
• 自動化された方位角積分と回折像の事前評価を可能にするスケーラブルでサーバーベースのパイプラインを開発すること。
• ビームラインインfraストラクチャを必要としないラボや個人ワークスペースで利用可能なスタンドアロンで持ち運び可能なバージョンを提供すること。
• グラフィカルユーザーインターフェース（SAXSLEASH）を用いて 1次元回折プロファイルのリアルタイム可視化および分類を統合すること。

提案手法

• 画像がストレージに転送された直後に、Python ベースのバックエンドで 2次元回折画像を処理する。
• ミリ秒スケールで 2次元検出器画像を 1次元回折プロファイルに変換するための方位角積分を実行する。
• 合計強度や回転半径などの積分パラメータを用いて、データ品質のリアルタイム事前評価を実施する。
• 画像受信時に自動的に統合処理をトリガーするサーバーベースのプロセスを実行し、処理遅延を最小限に抑える。
• SAXSLEASH GUI を通じて、得られた 1次元データと分類器をリアルタイムで可視化し、ライブ監視を可能にする。
• スタンドアロンのコンピュータで動作するポータブルな「持ち運び可能」バージョンを備え、施設外やラボでの分析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高スループットの放射光ビームタイム中に、2次元 X線回折データを最小限の遅延でリアルタイム処理するにはどうすればよいか？
• RQ2 大面積検出器画像の信頼性があり自動的かつ低遅延な方位角積分を実現するためのソフトウェアアーキテクチャはどのようなものか？
• RQ3 積分分類器を用いて、ビームタイム中の実験参加者にデータ品質に関する即時のフィードバックを提供するにはどうすればよいか？
• RQ4 ハイパフォーマンスなデータ処理パイプラインをビームラインから分離し、スタンドアロンシステムにデプロイできる範囲はどの程度か？
• RQ5 1次元回折プロファイルのライブ可視化を可能にする GUI ベースの監視システム（SAXSLEASH）の性能と使いやすさはいかがなものか？

主な発見

• SAXSDOG は、ストレージへの転送後、ミリ秒スケールで 2次元回折画像を処理し、ビームタイム中の即時のフィードバックを可能にしている。
• ソフトウェアは、最小限の遅延で 2次元画像を 1次元回折プロファイルに統合し、即時の実験的意思決定を支援している。
• SAXSLEASH GUI は、1次元データと積分分類器のリアルタイム可視化を提供し、実験の監視を向上させている。
• スタンドアロンの「持ち運び可能」バージョンにより、ラボや個人ワークスペースへのデプロイが可能となり、ビームライン環境を超えた利用性が拡張されている。
• システムは、専用のデータパイプラインに統合されるように設計されており、手動介入なしに堅牢かつ自動化された処理を保証している。
• ソースコードは公開されており、透明性、再現性、コミュニティによるフレームワークの拡張を支援している。