Využití open source v laboratoři kvantové optiky

1. 2. 2010 | Karel Lemr | Recenze | 6014×

Laboratoř kvantové optiky (Společná laboratoř optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního Ústavu AV ČR) nasazuje Linux a open source software ve všech fázích své práce od výzkumu až po publikaci. Článek přibližuje výhody open source, ukazuje konkrétní příklady využití a vyjmenovává jednotlivé součásti aplikačního vybavení laboratoře.

Pracoviště autora:
Společná laboratoř optiky UP Olomouc a FzÚ AV ČR
tř. 17. listopadu 50A, 779 07 Olomouc
web: http://jointlab.upol.cz/slo/

Obsah

• Migrace na open source
• Open source i mimo laboratoř
• Open source od měření až po publikaci

Migrace na open source

V minulosti se v naší laboratoři využíval převážně operační systém MS DOS. V prostředí tohoto operačního systému byly provozovány aplikace programované v jazyce Pascal. Ale s ubíhajícím časem, jak operační systém MS DOS postupně zastarával, vznikla potřeba přejít na zcela novou platformu, kterou je možné provozovat i na novém hardwaru. Migrace na MS Windows byla vyloučena vzhledem k problematickému chování při komunikaci MS Windows s měřicími zařízeními připojenými přes sériový port.

Fig1: Příklad optické části experimentu na kvantové zpracování informace. Některé optické komponenty jsou umístěny na motorizované posuvy a rotace a jsou řízeny počítačem.

Jako operační systém pro PC řídící kvantově optické experimenty byl zvolen Debian Linux. Výhodou této linuxové distribuce je vysoká míra stability, dobrá dokumentace a podpora moderních technologií a programovacích jazyků. Řídící PC musí být schopno obsluhovat přibližně 8 zařízení připojených přes sériový port. Proto využíváme rozšiřující PCI kartu, která přidá 4 sériová rozhraní a další rozhraní pak emulujeme pomocí převodníku USB-Serial. Mezi připojená zařízení patří různé motorizované posuvy, rotace, DA převodníky a elektronika pro zpracování TTL signálů. Ve většině případů nepodporují výrobci těchto zařízení OS Linux. Ovladače si tedy musíme programovat sami. Vzhledem k tomu, že zařízení lze obsluhovat pomocí dobře zdokumentovaných textových příkazů přes sériový port, nebylo vytvoření příslušných ovladačů zásadní obtíží.

Jako programovací jazyk pro řízení veškeré připojené elektroniky jsme zvolili Python. Jedná se o skriptovací jazyk podporující objektové programování. Vzhledem k tomu, že v našich experimentech nepotřebujeme vysoký výpočetní výkon, možnosti Pythonu bohatě postačí. Jeho předností je snadné programování kódu a dále pak možnosti interaktivní příkazové řádky. Ovladače pro jednotlivá zařízení máme naprogramovány jako moduly pro Python, které implementují komunikaci se zařízením a obsluhu jeho činnosti. Měřicí aplikace si moduly importují při svém startu. Většina aplikací pracuje na příkazové řádce a klasicky pomocí přepínačů můžeme volit parametry měření. Naměřená data pak zapisujeme do vhodně strukturovaných textových souborů, které dále zpracováváme na pracovních stanicích v kanceláři.

Fig2: Měřicí elektronika komunikující s řídícím PC.

Fig3: Detail jedné komponenty experimentu, v pozadí aplikace v Pythonu běžící na příkazové řádce.

Open source i mimo laboratoř

Kancelářské pracovní stanice jsou osazeny systémem Mandriva Linux. Pro vyhodnocování naměřených dat a následné matematické zpracování používáme převážně Octave. Jeho výhodou je opět snadná programovatelnost a výborná podpora matematických objektů využívaných v kvantové fyzice. K datům uloženým na měřicím PC přistupujeme prostřednictvím OpenSSH. Vzdálená příkazová řádka nám přitom umožňuje nejen přistupovat k datům, ale také vzdáleně ovládat měřicí elektroniku. Toho s výhodou využíváme při citlivých měřeních, která by pohyb osob v laboratoři mohl ohrozit.

Po vyhodnocení dat přichází většinou na řadu jejich zpracování do podoby různých grafů a diagramů. Zde se nám osvědčil převážně grafický systém GLE. V kombinaci s Pythonem nám toto řešení umožňuje automatickou generaci zdrojového kódu na základě vstupních dat a následný překlad tohoto kódu do podoby obrázku v PostScriptu. Pro jednodušší nákresy, u kterých nevyžadujeme tuto dynamičnost, využíváme program Inkscape.

Fig4: Obrázek (formát EPS) generovaný dynamicky pomocí kombinace Pythonu a GLE.

Po provedení úspěšného experimentu je třeba s ním seznámit vědeckou komunitu prostřednictvím publikace v mezinárodně uznávaném časopise. V časopisech, kde publikujeme, se běžně využívá TeX. Tento open source sázecí systém v mnohém předčí běžně dostupné kancelářské balíky. Podporuje veškerou potřebnou matematickou sazbu a pro editory časopisu je vhodným vstupním formátem k dalšímu zpracování a vysázení v časopise. V linuxových systémech používáme implementaci TeXu známou jako LaTeX. Pro vytváření drobných zpráv a jiných nenáročných dokumentů, kde by využití TeXu bylo spíše kanónem na vrabce, používáme balík OpenOffice.org.

Mimo publikací vytváříme také různé přednášky a postery (plakátová sdělení), která následně prezentujeme na konferencích. Pro vytváření přednášek se nám osvědčil LaTeX Beamer, který v sobě kombinuje nástroje pro tvorbu prezentací a TeXové možnosti matematické sazby. Plakátová sdělení vytváříme v TeXu nebo v Inkscape. Do Inkscape je však předem třeba doinstalovat modul pro podporu TeXové matematiky.

Fig5: Ukázka PDF posteru (plakátového sdělení) použitého na konferenci (vytvořeno v Inkscape).

Open source od měření až po publikaci

Jak jsem podrobněji popsal výše, open source využíváme ve všech fázích naší vědecké práce. Od samotného měření přes vyhodnocování naměřených dat a vykreslení grafů až po vytvoření závěrečné publikace. Při posledním provedeném experimentu nebyl v celém procesu využit jiný než open source software. Hlavním důvodem pro využití svobodného softwaru je hlavně jeho vhodnost pro naši práci. Open source řešení nám poskytují vysokou míru kontroly nad celým procesem a umožňují nám ladit svou funkci i do nejpodrobnějších detailů. U uzavřených řešení bývá míra kontroly omezena vlivem uživatelsky přívětivé automatizace. Jako vedlejší efekt se jeví úspora za licence na komerční softwarová řešení. Tím šetříme prostředky z veřejných zdrojů.

Ne všechny laboratoře mohou zvolit otevřené řešení jako my. Hlavním důvodem bývá potřeba využívat výrobcem dodaný software pro měření. Ten není často v Linuxu podporován. U zařízení komunikujících přes sériové rozhraní s dobrou dokumentací nebývá tvorba ovladačů přílišnou překážkou. Zařízení, která komunikují přes USB nebo dokonce využívají proprietární PCI kartu jsou již větší oříšek, protože nebývají často ani dobře dokumentovaná.

Děkuji kolegovi Antonínu Černochovi a Janu Soubustovi za diskusi a připomínky k tomuto článku.

Použitá softwarová řešení:

• Debian Linux (http://www.debian.org/)
• Python (http://python.org/)
• Mandriva Linux (http://www2.mandriva.com/fr/)
• Octave (http://www.gnu.org/software/octave/)
• OpenSSH (http://openssh.org/)
• GLE (http://glx.sourceforge.net/)
• Inkscape (http://inkscape.org/)
• TeX modul do Inkscape (http://www.elisanet.fi/ptvirtan/software/textext/)
• LaTeX (http://www.latex-project.org/)

       

Komentáře

[qk_]

Pekny clanek. Ukazuje, ze pro efektivni praci je lepsi pouzivat linux, akorat to vyzaduje u prace vic myslet.
Par drobnych korektur:
Toho s výhodou využíváme při citlivých měřeních, která by pohyb osob v laboratoři mohl ohrozit. tady asi chybi slovo experiment
vlivem uživatelsky přívětivé automatizace

[qk_]

ne, tak neumim cist, prvni veta je spravne :)

[Daniel Kvasnička ml.]

Pekny clanek. Ukazuje, ze pro efektivni praci je lepsi pouzivat linux, akorat to vyzaduje u prace vic myslet.

Ehm, jo, no... presne tohle clanek opravdu krasne ukazuje Cekal jsem podobne zkratkovite prispevky, ale ze to bude hned ten prvni... Ja nevim, nedokazuje nahodou taky tenhle clanek, ze Linux je idealni na desktop a nebo vlastne ze je to bez diskuse vubec nejlepsi OS pod sluncem?

[tlampac]

jsi flamerska iLama, nerozumis vede a umis jen konzumovat, apple fuuuj!! je to dost zkratkovite?

[qk_]

No mozna ten clanek si precist. Jasne to ukazuje, ze pokud je reseni otevrene jako v linuxu, tak se da pomerne snadno bez nutnosti kupovat drahy zakazkovy software uzpusobit k potrebam konkretni prace.
Napriklad si zkuste porovnat narocnost vygenerovani dat z externiho systemu a vytvoreni zakladu dokumentu (tedy predgenerovany nadpis, cas, autor a samozrejme graf dat). V linuxu staci si udelat scriptik co to cte ze zarizeni a po ukoncovaci sekvence data predhodi programu treba v Rku (s tim sem dost pracoval) a vygenerovany vystup + sablona v techu vytvori zaklad protokolu o datech. Pokud bych chtel toto ve windows, tak bud dostanu reseni co vyhovuje vetsine, ale typicky to neni presne to co potrebuju nebo si necham udelat zakazkovy software, protoze jednoducha cesta jak tohle udelat se zakladnima znalostma neni.
Tedy automatizace cinnosti co lze automatizovat prinasi zvyseni efektivity, asi bylo moc troufale cekat, ze po precteni clanku a meho prispevku vam to bude zrejme.

[Daniel Kvasnička ml.]

Ale me je uplne jedno, co v tom clanku je. At je v nem cokoliv, rozhodne to nedokazuje, ze "pro efektivni praci je lepsi pouzivat linux" ...napiste "pro efektivni praci v podobne laboratori je lepsi pouzivat linux" a ani neceknu...

[KL]

Ono hlavně může být problém, že někdy v laboratoři jsou přístroje které prostě pod Linuxem nerozchodíte.

[moo]

For more effective trolling, use this

[ja]

At je v nem cokoliv, rozhodne to nedokazuje, ze "pro efektivni praci je lepsi pouzivat linux"

Zabudol si dodat, ze bez debaty je najefektivnejsi apple a iPhone obvzlast. Sam tomu tiez absolutne nerozumiem, ze preco ten neschopny patlal (autor blogu) tam pouzil ten zly, zly linux, ked tu mame ten perfektny a dokonaly iPhone.

[alobalista]

Ahoj, u obrazku fig2 a fig3 server hazi:

java.io.FileNotFoundException: /mnt/abclinuxu/data/abclinuxu_data/abclinuxu/images/clanky/lemr/kvantova-laborator-fig2.jpg (Permission denied)

java.io.FileNotFoundException: /mnt/abclinuxu/data/abclinuxu_data/abclinuxu/images/clanky/lemr/kvantova-laborator-fig3.jpg (Permission denied)

[Robert Krátký]

Velmi se omlouvám, opraveno.

[kralyk z abclinuxu]

Velmi zajímavé!
Na těch fotkách to vypadá jako takový lepší merkur, ale hádám, že to bude asi trochu dražší záležitost

Btw. v téhle větě ke konci se asi vytratilo 's':

U uzavřených řešení bývá míra kontroly omezena vlivem uživatelsky přívětivé automatizace.

Leda že by byla řeč o přívětivé uživatelce

[Robert Krátký]

Přívětivá uživatelka opravena.

[Rezza]

Nebylo by spatne pokracovani s vysvetlenim jak ten "Merkur" funguje pro nas IT lamy!

[Eugenee]

Dekuji za clanek, take pouzivam linux v labu skoro na vse, akorat mi chybi dobry citation manager. Takze musim EndNote ve WMware. Nemate napad?

[Jan Tojnar]

http://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_reference_management_software

[Eugene]

Dekuji, vyzkousim.

[Platonix]

Co třeba BibTeX?

[lib]

já používám JabRef

[Ravensun]

Také se mi článek moc líbil a s potěšením jsem si jej rád přečetl. Jediné co mě zklamalo (ale to se mi stává obecně) je to, že když se podívám do nějakých vědeckých časopisů, tak mi tam chybí často legendy zkratek a podobných věcí. Možná to autorům příjde triviální a tudíž zanedbatelná věc, ale laik je často zmaten. Kupříkladu na vzorovém pdf netuším co znamená "BBo" atd. Ano vím je to uvedeno v textu článku, ale rychlým okem nelze hned na první pohled zjistit co je co. Pak bych chtěl upozornit že ve vzorovém pdf nefungují hypertextové odkazy. Pokud to nefunguje kvůli tomu že to pdf stejně půjde do tiskárny, tak je to asi zbytečnost, ale pro tento případ (vzor vystaven na internetu) by se to třeba hodilo aby čtenáři ábíčka se případně podívali na stránky ;)

[Platonix]

BBO je beta-bariumborát (krystal). Článek si nekladl za úkol vysvětlit fyziku, která stojí za experimenty v oblasti kvantové optiky, ale pouze využití otevřeného software. Onen poster byl určen k tisku (na A0), odkazy proto nebyly zamýšleny jako funkční.

[Ravensun]

Tak jistě s tím jsem počítal. (tisk) Vysvětlit fyziku? Tak jistě, ti kteří se nepohybují v laboratorním prostředí to neznají, ikdyž mají třeba za sebou úspěšně zkoušku z Fyziky1/2 na fakultě a takové věci ač pravděpodobně do detailu nepochopí, rádi si o tom vždy přečtou. A nevím jak ostatní, ale mě obrázky třeba pomáhají dost ;) Takže děkuji, krystal mi stačí :)

[Filip Dominec]

V poslední době rozvažuji, jestli zpracovávat numerická data ve Scilabu, Octave nebo Numpy.

Vy v laboratoři používáte Python pro řízení experimentu. Existuje pádný důvod, proč počítat v Octave a ne přímo v Pythonu (s moduly numpy+scipy+matplotlib)?

[KL]

Využití Pythonu jako matematického jazyka mi vždycky přišlo takové neergonomické. Použití Octave mi přijde jednodušší, navíc je spousty předprogramovaných knihoven.

[vencas]

Velká výhoda pythonu je, že python umí nejen matematiku (numpy), ale i hromadu dalších věcí, pokud je to třeba. Co se mě týče, mám v pythonu interface k simulačnímu software (v c++), ale i postprocessing a další věci, vše pěkně (modulárně) pohromadě. Přeprogramovaných knihoven má taky dost (pro mé použití). A matplotlib.

[vencour]

Pěkné. Krátké. Pěkné ... A pokračování, bude? Aspoň v blogu? Když už máte nějaké úspěchy?

[Fluttershy, yay!]

To je ten nový skleník na Envelopě? Asi ne, že? Prý je to tam docela nedodělané... a skoro všude tam mají MS Windows XP (u laserů a u čoček, tam jsem byl).

[Platonix]

Ne, jsme sousední budova. Taková bílá budova se žlutou stříškou nad vchodovými dveřmi.

[Marek Chlup]

V tom "skleníku" (což není SLO popisovaná v článku) je na katedře optiky opravdu hodně Windows. Ale dost lidí tam pracuje i v Linuxu nebo užívají obojí. Každopádně ve "skelníku" mají servery na Debian GNU/Linux a studenti ač na ně na učebně vykřikne Windows XP mají možnost přes nxclienta snadno vstoupit do pohodlného Linuxového prostředí.

Problém je neexistence některého software pro Linux. Například software pro návrh optických soustav OSLO byl vyvíjen jednu dobu pro Linux a jeho stav se v Linuxu zlepšoval, ale pak to se na to výrobce vykašlal... Chce to prostě ještě dost času než výrobci specializovaného software a specializovaného hardware pochopí, že uživatelé vlastně chtějí otevřený Linux.

[Jose]

Mohli by jste prosím upřesnit jaké konkrétní problémy jste měli se sériovým rozhraním pod MS Windows ?

[Platonix]

Problémy tuším byly s velikou latencí (dlouhý čas odezvy). Nikdy jsem se ale nepokoušel Windows používat. Když jsem do laboratoře přišel, používali kolegové DOS s tím, že s Windows měli problémy. Proto jsem zvolil Linux.

[kralyk z abclinuxu]

jose je od MS?

[abr]

Mě by zajímalo více to, jaké používáte motorizované posuvy a rotace?

[nettezzaumana]

Clanek je to sice pozoruhodny, nicmene prizivuje trend, jakoby byl Linux neco z kosmu co naleza uplatneni opet pouze mezi kosmaky :D ..

Velke firmy pouzivaj Linux zcela bezne a celkove vyzneni clanku mi spise pripada, jako bychom byli zpet v 90tych letech, kdy Linux skutecne nasazovali akorat nadsenci ..

ave

[DNA]

tak tohle je snad první pdf, kde Okular: 0.9.4 selhal totálně (prostě prázdný list )

Fig5: Ukázka PDF posteru (plakátového sdělení) použitého na konferenci (vytvořeno v Inkscape).

[Michal Vyskočil]

0.9.8 bez problémů, akorát se to dlouho renderuje. Ale Okular je pouze uživatelské rohraní, renderování samotné má na starosti poppler - mám tu verzi 0.12.3. A taky nějaký KDE PDF backend 0.2.1, ať už je to cokoli.

[Platonix]

Je to udělané původně pro A0, je tam hodně objektů a renderuje se to delší dobu, ale i v Okularu se to vyrenderuje OK.