基于GPU的光柵相襯成像的相位恢復(fù)和CT重建算法的研究.pdf

1、本論文的研究?jī)?nèi)容是基于光柵相襯成像系統(tǒng)CT重建的并行加速計(jì)算。主要包括兩大方面內(nèi)容：一為整套光柵相襯成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及該系統(tǒng)相襯成像的優(yōu)勢(shì)；二為數(shù)據(jù)處理過(guò)程中使用在GPU上執(zhí)行的CUDA C編程模型來(lái)實(shí)現(xiàn)并行加速。
　　整套光柵相襯成像系統(tǒng)的搭建是在上海光源的X射線成像與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用線站即13W線站進(jìn)行。該系統(tǒng)主要共包括三大部分：樣品臺(tái)及其控制、光柵干涉儀位移臺(tái)及其相關(guān)控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中第一部分中樣品臺(tái)的移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)主要通過(guò)N

2、port5610串口來(lái)與Kohzu電機(jī)連接來(lái)操作。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之初，可以運(yùn)用水平儀初步調(diào)整樣品放上去之后的高度，盡量保證待拍攝樣品部分的高度與X射線光源等高。光柵系統(tǒng)包括兩塊光柵：相位光柵G1和分析光柵G2。在光柵相襯實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，兩塊光柵分別通過(guò)光柵位移臺(tái)能夠做橫向、縱向或旋轉(zhuǎn)移動(dòng)以便調(diào)整光柵位置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括探測(cè)器以及與之連接的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等，主要包括一個(gè)CCD探測(cè)器，一塊數(shù)據(jù)采集卡和一臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)構(gòu)成。根據(jù)需要，有時(shí)候?qū)嶒?yàn)也使用

3、SCMOS相機(jī)進(jìn)行拍攝。
　　跟傳統(tǒng)吸收成像方式相比，光柵相襯成像系統(tǒng)根據(jù)X射線波前的相位信息進(jìn)行CT重建，對(duì)于弱吸收物質(zhì)如血管或軟組織來(lái)說(shuō)，相位信息明顯比吸收信息明顯。因而對(duì)于弱吸收物質(zhì)而言，相襯成像的圖像空間分辨率和密度分辨率會(huì)優(yōu)于傳統(tǒng)吸收成像。相比于基于傳播距離的相襯成像更適用于比較薄的樣品，光柵相襯成像適用的樣品范圍會(huì)更廣。而衍射增強(qiáng)相襯成像和晶體干涉法對(duì)晶體要求特別高，因而光柵相襯成像系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)始越來(lái)越廣泛。
　

4、　光柵相襯成像的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按照實(shí)驗(yàn)原理，需要得到強(qiáng)度曲線。一般而言采用相位步進(jìn)法來(lái)進(jìn)行相位恢復(fù)，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生比較大的數(shù)據(jù)量。同時(shí)，CT重建的濾波反投影算法（Filtered Back Projection,FBP）需要完整角度的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。因而，基于光柵相襯成像系統(tǒng)的CT重建的數(shù)據(jù)處理量是比較大的。GPU（Graphic Processor Unit）作為一種多重流處理器多線程處理單元，能夠很好的進(jìn)行并行運(yùn)算。使用基于GP

5、U的CUDA C程序來(lái)完成此CT重建，相比于基于CPU的標(biāo)準(zhǔn)C程序，將會(huì)得到比較好的加速比效果。
　　在重建過(guò)程中，本論文采用GPU并行加速的方法來(lái)進(jìn)行相位恢復(fù)和FBP濾波反投影重建，根據(jù)數(shù)據(jù)尺寸的不同，在保障圖像質(zhì)量的情況下，與同Visual Studio2010平臺(tái)下的標(biāo)準(zhǔn)C程序相比，實(shí)現(xiàn)了一定程度的加速比。并且，隨著圖像尺寸的增加即數(shù)據(jù)量的增加，加速比也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。這意味著，基于GPU的并行加速尤其適合于做大規(guī)模的數(shù)據(jù)