[發明專利]基于異構平臺的CT圖像三維重建加速方法及其裝置

在審

• 申請號: 201710270520.8
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107194864A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 閆鑌;李磊;王林元;孫艷敏;路萬里;蔡愛龍;張瀚銘;張文昆
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍信息工程大學
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20;G06T17/00
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司41111
• 代理人: 周艷巧

技術領域

本發明屬于X射線CT技術領域，特別涉及一種基于異構平臺的CT圖像三維重建加速方法及其裝置。

背景技術

X射線計算機斷層成像(Computed Tomography，CT)是一種由物體的X射線投影來反求其衰減分布的技術，涵蓋核物理、數學、計算機、精密儀器等多個學科。由于CT可以在非接觸、不破壞的條件下得到物體內部的高精度三維結構信息，因此自Hounsfield成功研制第一臺CT以來，CT已在無損檢測、醫學診斷、材料分析等領域得到廣泛應用。

在實際應用中，錐束CT高分辨率三維重建所需的計算資源和存儲資源都非常大，隨著重建規模的增加，重建的存儲需求和計算量迅速增加，在很多情況下，很難滿足實際應用的需求，以重建算法中通用的反投影計算為例：設待重建三維圖像的各維尺寸都為N，則相應反投影的計算復雜度將高達O(N4)，重建一個分辨率為10243的三維圖像，計算將循環10995億次，在普通PC機上完成如此大的計算量是非常耗時的，難以滿足實際應用的要求。因此，錐束CT重建過程加速是當前工程人員亟需解決的問題，針對CT重建算法設計相應的加速平臺和加速策略具有重要的實際意義，是工業CT技術在實際應用中急需解決的一個難點問題。

發明內容

針對現有技術中的不足，本發明提供一種基于異構平臺的CT圖像三維重建加速方法及其裝置，針對CT重建算法的特性，結合FPGA、GPU等通用加速器件性能并基于異構加速平臺實現，在盡量減少損失精度的前提下提高其重建速度，性能穩定，加速效果理想。

按照本發明所提供的設計方案，一種基于異構平臺的CT圖像三維重建加速方法，異構平臺包含主機及異構OpenCL計算設備，該加速方法包含如下內容：對FDK重建算法進行算粒分解，分析各個算粒的并行計算流程；通過異構平臺中的主機及異構OpenCL計算設備對各個算粒進行加速優化處理。

上述的，所述的主機為運行主程序的CPU，OpenCL計算設備包含運行內核程序的異構容器GPU和FPGA，CPU、GPU及FPGA之間通過PCI-E總線相通信，主程序通過定義上下文來管理內核程序的運行。

優選的，對FDK重建算法進行算粒分解，包含：根據FDK算法內容，分解為：用于對投影數據進行加權的投影加權算粒，用于對加權后的投影數據進行濾波的濾波算粒，用于將濾波后的投影數據反投影到重建物體上的反投影算粒，及用于對反投影結果進行歸約處理的歸約算粒。

優選的，根據FDK重建算法公式：

通過對公式中積分的拆分及離散化，分為：

投影加權算粒，表示為：其中，p'(θ,u,v)表示旋轉分度為θ時對投影數據進行加權后的數據，為加權系數；

濾波算粒，表示為：其中，d_f(θ,u,v)為濾波后的數據，h(u)為濾波算子的單位沖激響應，[-u_m,u_m]表示探測器每一行采集的2m個數據；

反投影算粒，表示為：其中，f(x,y,z,θ)表示重建物體在旋轉分度為θ時投影點對f(x,y,z)的貢獻值；

歸約算粒，表示為：其中，φ_max為重建物體旋轉一周時離散采得的投影分度數。

上述的，對各個算粒進行加速優化處理，包含：采用FPGA對投影加權算粒進行并行處理，通過異步傳輸至GPU，在傳輸過程中同時對濾波算粒進行處理；結合反投影時各體素點的數據并行操作，在GPU內按體素點對反投影算粒進行多線程并行反投影計算。

優選的，根據FDK重建算法中重建區域在旋轉軸方向上行的各層投影數據和探測器投影數據縱軸方向上的各行數據的投影對應關系，采用分塊重建策略，沿旋轉軸方向將待重建區域分成若干塊，重建其中一塊時從外部存儲器取出對應的投影數據進行重建操作。

優選的，采用FPGA對投影加權算粒進行并行處理，包含：將全局存儲器分割為2塊bank，通過負載分配實現隨機存取存儲器的訪問均衡；通過常數存儲器存儲需要多次重復計算的中間變量。

優選的，在GPU內按體素點對反投影算粒進行多線程并行反投影計算，包含：采用基于體素驅動方式，按重建體數據輸出對GPU進行任務劃分；將計算中與體素無關的變量進行分離和合并，并在反投影前計算出來存儲于GPU的常數存儲器中，反投影計算時，直接讀取常數存儲器中的變量參與計算；優化內核程序中一次反投影的張數。