Exploring FPGA-Accelerated Real-Time Image Processing for the AWAKE Camera Acquisition System

Abstract

Denne rapporten detaljerer utviklingen og valideringen av en forbedret bildebehandlings- og anskaffelsessystem for det nåværende AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) datainnhentingssystemet ved CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Prosjektet presenterer en potensiell oppgradering for det nåværende kamera systemet ved å muliggjøre FPGA-akselerert sanntids bildebehandling, noe som eliminerer behovet for tidkrevende etterbehandling, redusere kravene til datalagring og forbedrer systemets samlede ytelse. Formålet med systemet er å fange og analysere oppførselen til plasma wakefields, som oppstår når en konsentrert bunt med protoner beveger seg gjennom plasma. Dataen samlet inn av kamerasystemet vil bli brukt for å få en dypere forståelse av fysikken bak wakefield akselerasjon for fremtidige partikkelakselerasjonsteknikker og for justeringer av strålelinjene som er tilkoblet eksperimentet.

Kameraene må utløses med en frekvens på 9,97 Hz for å hente ut et bilde i nøyaktige det øyeblikket når protonbunten går inn i plasmakammeret. For å møte disse tidskravene utnytter det forbedrede systemet National Instruments PXIe-7915 Vision FPGA-kort for å gi sanntids bildebehandling mellom utløserpulsene. Under utviklingsfasen blir systemets FPGA-kort testet for å bestemme dens maksimale kapasitet for parallell prosessering og den minimale enkelt-ramme behandlingstiden. Utviklingstiden ble brukt til å løse problemer som oppsto med under utviklingen av LabVIEW RT og LabVIEW FPGA -koden for maskinvaren og til å iterere på systemet for å fastslå begrensningene til maskinvaren.

De gjennomførte testene viser at det foreslåtte systemet er i stand til å behandle data godt innenfor de nødvendige tidsbegrensningene, og dens maksimale kapasitet for parallell prosessering overstiger antall kameraer som for øyeblikket er i bruk i AWAKE, som dermed muliggjør tillegg av flere kameraer i fremtiden. Til syvende og sist viser dette prosjektet egnetheten til National Instruments PXIe-7915 Vision FPGA-kort for sanntids bildebehandling mellom presise utløserintervaller. Resultatene fra denne rapporten viser potensialet for bruken i AWAKE samt i andre eksperimentelle forskningsområder eller industrielle anvendelser, som for eksempel produksjon eller diagnostikk.

This report details the development and validation of an improved image processing and acquisition solution for the current AWAKE (Advanced Wakefield Experiment) data acquisition system at CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). The project presents a potential upgrade for the current camera system by enabling FPGA-accelerated real-time image processing, eliminating the need for time-consuming post-processing, reducing data storage requirements and improving the overall system performance. The purpose of the system is to capture and analyze the behaviour of plasma wakefields, which are created when a concentrated bunch of protons travel through plasma. The data collected by the camera system will be used to gain a deeper understanding of the physics of wakefield acceleration for future particle acceleration techniques and optimize the alignment of the beamlines connected to the experiment.

The cameras must trigger at a frequency of 9.97 Hz to extract a frame at the exact moment when the proton bunch enters the plasma chamber. To meet these timing requirements, the improved system takes advantage of National Instrument's PXIe-7915 Vision FPGA board to provide real-time image processing between frames. During the development phase, the system's FPGA board is tested to determine its maximum parallel processing capacity and minimal single-frame processing time. The development time is spent solving issues that arise with developing the LabVIEW RT and LabVIEW FPGA code for the hardware and iterating on the system to determine the limitations of the hardware.

The conducted tests show that the proposed system is capable of processing data well within the required timing constraints, and its maximum capacity for parallel processing exceeds the number of cameras currently in use in AWAKE, thereby enabling the addition of more cameras in the future. Ultimately, this project demonstrates the suitability of National Instrument's PXIe-7915 Vision FPGA board for real-time image processing between precise triggering intervals. The results from this report showcase its potential use in AWAKE as well as in other experimental research fields or industrial applications such as manufacturing or diagnostics.