電鏡三維圖像重構的方法及系統技術方案

本發明專利技術提供了一種電鏡三維圖像重構的方法及系統，其中，電鏡三維圖像重構的方法包括：中央處理器(CPU)將要進行迭代重構圖像中的物體分成切片，構建所述CPU與眾核(MIC)處理器協同計算的框架；所述CPU調用所述框架中的所有設備多線程并行地獲得各自當前切片的重構圖像值和測量投影圖像值，根據所述重構圖像值和所述測量投影圖像值依次通過重投影算法和背投影算法計算出當前切片的最終重構圖像值，直至計算出所有切片的最終重構圖像值。上述實現電鏡三維圖像重構的方法及系統，通過CPU和MIC協同計算，極大地加速了迭代重構方法的執行，從而可以快速地完成圖像重構任務。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及圖像重構技術，尤其涉及一種電鏡三維圖像重構的方法及系統。
技術介紹
英特爾(Intel)公司推出的眾核(Many Integrated Core,MIC)處理器,跟通用的多核至強處理器相比，MIC眾核架構具有更小的內核和硬件線程，眾核處理器計算資源密度更高，片上通信開銷顯著降低，更多的晶體管和能量，能 夠勝任更為復雜的并行應用。IntelMIC產品基于X86架構,基于重核的眾核處理器,包含50個以上的核心，以及512bit的向量位寬，雙精性能超過lTFlops。MIC擁有極其靈活的編程方式，MIC卡可以作為一個處理器存在，也可以被看作是一個獨立的節點。基本的MIC編程模型是將MIC看作一個處理器，中央處理單元(CPU)根據程序的指令，將一部分代碼運行在MIC端。此時存在兩類設備，即CPU端和MIC眾核處理器端。電子斷層三維重構技術(Electron Tomography, ET)是從一個物體的二維投影圖經過重構獲取物體內部結構的技術，通過獲取多個不同角度的二維投影圖進行反向重構出所研究對象的三維結構。圖像重構無論是在醫學診斷，還是在生物樣品的成像，以及在地表層析成像等諸多領域中都有著廣泛的應用。目前，采用迭代重構圖像方法實現圖像重構，該迭代法可以表述成-M= P，其中A為非奇異矩陣，X為未知數向量，P為已知向量，迭代法求解目標在于確定X的數值。在迭代重構圖像方法中，A為加權因子，P為投影得到的圖像像素值，X則為需要重構的圖像的像素值。圖I說明了采用迭代重構圖像方法實現圖像重構的過程，該方法通過賦O值或隨機值或背投影方法獲取用于迭代過程中的初值X (0)，然后經過多次的重投影和背投影的迭代過程，來求得最后滿足精度要求的重構圖像的像素值。聯合迭代重構(simultaneousIterative Reconstruction Technique, SIRT)算法在所有圖像重構算法中重構效果較好，但其運算量巨大，因此需要提高運算效率，來滿足快速圖像重構的需求。
技術實現思路
本專利技術提供了一種電鏡三維圖像重構的方法及系統，以克服現有圖像重構速度較慢的缺陷。本專利技術提供了一種電鏡三維圖像重構的方法，該方法包括中央處理器(CPU)將要進行迭代重構圖像中的物體分成切片，構建所述CPU與眾核(MIC)處理器協同計算的框架；所述CPU調用所述框架中的所有設備多線程并行地獲得各自當前切片的重構圖像值和測量投影圖像值，根據所述重構圖像值和所述測量投影圖像值依次通過重投影算法和背投影算法計算出當前切片的最終重構圖像值，直至計算出所有切片的最終重構圖像值。優選地，所述CPU將要進行迭代重構圖像中的物體分成切片，包括所述CPU根據所述物體的大小將所述物體分成切片，切片的數目為該物體寬度的像素值。優選地，所述CPU構建所述CPU與眾核(MIC)處理器協同計算的框架，包括所述CPU將連接在同一單節點服務器的所述CPU與多個MIC處理器作為協調計算的框架，該框架中所有設備的數目為CPU的數目和MIC處理器的數目之和。 優選地，所述方法還包括所述所有設備分別在獲得各自當前切片的所述重構圖像值和所述測量投影圖像值之后，執行上鎖操作。優選地，所述CPU調用所述框架中的所有設備多線程并行地獲得各自當前切片的重構圖像值和測量投影圖像值，根據所述重構圖像值和所述測量投影圖像值依次通過重投影算法和背投影算法計算出當前切片的最終重構圖像值，包括所述MIC處理器或所述CPU根據獲得的所述當前切片的初始重構圖像值X(O)或上次迭代得到的重構圖像值x(k-l)進行重投影得到計算投影圖像值；根據所述X(O)或x(k-l)得到所述測量投影圖像值，根據所述計算投影圖像值和所述測量投影圖像值進行背投影得到重構圖像值X (k)，通過多次的重投影和背投影操作得到滿足精度要求的所述當前切片的重構圖像值，其中，所述初始重構圖像值X(O)通過賦初值或隨機值或背投影方法獲得，k為大于I的整數。本專利技術還提供了一種電鏡三維圖像重構的系統，該系統包括中央處理器(CPU)，用于將要進行迭代重構圖像中的物體分成切片，構建所述CPU與眾核(MIC)處理器協同計算的框架；多線程并行地向所述框架中的所有設備發送調用請求，以及在接收到所述調用請求后，獲得當前切片的重構圖像值和測量投影圖像值，并根據所述重構圖像值和所述測量投影圖像值依次通過重投影算法和背投影算法計算出當前切片的最終重構圖像值，直至計算出所有切片的最終重構圖像值；以及所述MIC處理器，用于在接收到所述調用請求后，獲得當前切片的重構圖像值和測量投影圖像值，并根據所述重構圖像值和所述測量投影圖像值依次通過重投影算法和背投影算法計算出當前切片的最終重構圖像值，直至計算出所有切片的最終重構圖像值。優選地，所述CPU，具體用于根據所述物體的大小將所述物體分成切片，切片的數目為該物體寬度的像素值。優選地，所述CPU，具體用于將連接在同一單節點服務器的所述CPU與多個MIC處理器作為協調計算的框架，該框架中所有設備的數目為CPU的數目和MIC處理器的數目之和。優選地，所述CPU，還用于在獲得當前切片的所述重構圖像值和所述測量投影圖像值之后，執行上鎖操作；所述MIC處理器，還用于在獲得當前切片的所述重構圖像值和所述測量投影圖像值之后，執行上鎖操作。優選地，所述MIC處理器，具體用于根據獲得的所述當前切片的初始重構圖像值X(O)或上次迭代得到的重構圖像值x(k-l)進行重投影得到計算投影圖像值；根據所述X(O)或x(k-l)得到所述測量投影圖像值，根據所述計算投影圖像值和所述測量投影圖像值進行背投影得到重構圖像值X (k)，通過多次的重投影和背投影操作得到滿足精度要求的所述當前切片的重構圖像值，其中，所述初始重構圖像值X(O)通過賦初值或隨機值或背投影方法獲得，k為大于I的整數；或者所述CPU，具體用于根據獲得的所述當前切片的初始重構圖像值X(O)或上次迭代得到的重構圖像值x(k-l)進行重投影得到計算投影圖像值；根據所述X(O)或x(k-l)得到所述測量投影圖像值，根據所述計算投影圖像值和所述測量投影圖像值進行背投影得到重構圖像值X (k)，通過多次的重投影和背投影操作得到滿足精度要求的所述當前切片的重構圖像值，其中，所述初始重構圖像值X (O)通過賦初值或隨機值或背投影方法獲得，k為大于I的整數。上述實現電鏡三維圖像重構的方法及系統，通過CPU和MIC協同計算，極大地加速了迭代重構方法的執行，從而可以快速地完成圖像重構任務。附圖說明 圖I為現有采用迭代重構圖像方法實現圖像重構的流程圖；圖2為本專利技術CPU+MIC協同計算框架的示意圖；圖3為本專利技術物體投影過程示意圖；圖4為本專利技術CPU+MIC協同計算過程的示意圖；圖5為本專利技術電鏡三維圖像重構的系統的結構示意圖。具體實施例方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下文中將結合附圖對本專利技術的實施例進行詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。本專利技術首先分析用SIRT串行方法進行電鏡三維圖像重構的性能瓶頸以及將串行方法移植到其他高性能平臺上的難度，找到耗時的熱點代碼，測試其在電鏡三維圖像重構的整個過程中所占的時間比例以及分析提高本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電鏡三維圖像重構的方法，其特征在于，該方法包括：中央處理器(CPU)將要進行迭代重構圖像中的物體分成切片，構建所述CPU與眾核(MIC)處理器協同計算的框架；所述CPU調用所述框架中的所有設備多線程并行地獲得各自當前切片的重構圖像值和測量投影圖像值，根據所述重構圖像值和所述測量投影圖像值依次通過重投影算法和背投影算法計算出當前切片的最終重構圖像值，直至計算出所有切片的最終重構圖像值。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧曉偉，張清，
申請(專利權)人：浪潮北京電子信息產業有限公司，
類型：發明
國別省市：