網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算在工業(yè)CT圖像重建中的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、傳統(tǒng)并行計(jì)算技術(shù)依賴于專用、大型的并行計(jì)算機(jī)，其基本特征是采用內(nèi)存共享方式，因此它有計(jì)算效率高的顯著特點(diǎn)；但傳統(tǒng)大型并行機(jī)的編程復(fù)雜、可擴(kuò)展性差、價(jià)格昂貴，主要應(yīng)用于諸如天氣預(yù)報(bào)等專業(yè)領(lǐng)域。隨著微處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，可利用通用網(wǎng)絡(luò)，如局域網(wǎng)(Local Area Network, LAN)將一組高性能工作站或高檔PC機(jī)，按某種結(jié)構(gòu)連接起來(lái)而構(gòu)建的工作站機(jī)群(Cluster of Workstations, COW)將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通

2、訊技術(shù)與傳統(tǒng)并行計(jì)算技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成了一類新的并行計(jì)算技術(shù)——網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算。因其具有系統(tǒng)性價(jià)比高、編程方便、可擴(kuò)展性好、能充分利用現(xiàn)有資源等突出優(yōu)點(diǎn)，而得到廣泛的應(yīng)用。 在網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算領(lǐng)域，并行算法(包括針對(duì)網(wǎng)絡(luò)多機(jī)系統(tǒng)的并行計(jì)算流程和任務(wù)調(diào)度策略等)和軟件（包括多機(jī)間數(shù)據(jù)通訊和擁塞處理等）的許多研究尚處于探索階段，技術(shù)上還不成熟。研究一般的通用并行算法難度極大，而且在具體應(yīng)用時(shí)，通常也不能直接使用。因此，針對(duì)具體體系結(jié)構(gòu)的實(shí)

3、際應(yīng)用，進(jìn)行并行算法的研究可望得到較大的發(fā)展。 在計(jì)算機(jī)斷層成像(Computerized Tomography, CT)領(lǐng)域，能檢測(cè)大型工業(yè)構(gòu)件的高能X射線工業(yè)CT機(jī)對(duì)航空、航天等領(lǐng)域有著明顯的重要性。當(dāng)工業(yè)CT機(jī)檢測(cè)對(duì)象為大型工業(yè)構(gòu)件并且要求高分辨率時(shí)，重建圖像的像素點(diǎn)陣巨大，計(jì)算量大大增加，從而使圖像重建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。另一方面，當(dāng)遇到投影數(shù)據(jù)采集不全等情況時(shí)，現(xiàn)今在工業(yè)CT中普遍采用的濾波反投影(Filter Back-Pro

4、jection, FBP)算法重建出的圖像很難達(dá)到人們對(duì)圖像質(zhì)量的要求；此時(shí)，一般選用諸如同時(shí)代數(shù)重建算法(Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique, SART)等代數(shù)重建算法。但相對(duì)FBP來(lái)說(shuō)，SART的重建時(shí)間大大增加，在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，很難得到實(shí)際應(yīng)用。為此，本論文把新興的網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算技術(shù)引入工業(yè)CT圖像重建中。 本論文以新興的COW為主要研究對(duì)象，詳細(xì)討論了并

5、行處理技術(shù)和工業(yè)CT技術(shù)；重點(diǎn)討論了并行算法、負(fù)載平衡策略和并行算法的一個(gè)設(shè)計(jì)模型――C3(Computation, Communication, Congestion)模型，以及工業(yè)CT的理論基礎(chǔ)和掃描檢測(cè)方式。在重點(diǎn)研究了串行SART算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了并行SART算法；通過(guò)詳細(xì)討論現(xiàn)今并行計(jì)算中最為常用的負(fù)載平衡策略，并針對(duì)本文的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)預(yù)分配負(fù)載策略。通過(guò)討論本論文的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，搭建了基于局域網(wǎng)絡(luò)的并行計(jì)

6、算平臺(tái)；在此平臺(tái)上，采用主從(Master/Slave)模式設(shè)計(jì)了該應(yīng)用問(wèn)題的軟件結(jié)構(gòu)；在VC++6.0環(huán)境下設(shè)計(jì)開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算可視化管理平臺(tái)和并行SART算法軟件；最后，通過(guò)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)，分析討論了并行SART算法的加速比和效率。 通過(guò)理論分析和實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)證明了本文設(shè)計(jì)的并行SART算法、自適應(yīng)預(yù)分配負(fù)載策略以及網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算平臺(tái)能有效的提高SART的時(shí)間效率，對(duì)提高SART在工業(yè)CT中的實(shí)際應(yīng)用有重用意義；對(duì)其它類似