电镜三维图像重构的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种电镜三维图像重构的方法及系统，其中，电镜三维图像重构的方法包括：中央处理器(CPU)将要进行迭代重构图像中的物体分成切片，构建所述CPU与众核(MIC)处理器协同计算的框架；所述CPU调用所述框架中的所有设备多线程并行地获得各自当前切片的重构图像值和测量投影图像值，根据所述重构图像值和所述测量投影图像值依次通过重投影算法和背投影算法计算出当前切片的最终重构图像值，直至计算出所有切片的最终重构图像值。上述实现电镜三维图像重构的方法及系统，通过CPU和MIC协同计算，极大地加速了迭代重构方法的执行，从而可以快速地完成图像重构任务。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像重构技术，尤其涉及一种电镜三维图像重构的方法及系统。
技术介绍
英特尔(Intel)公司推出的众核(Many Integrated Core,MIC)处理器,跟通用的多核至强处理器相比，MIC众核架构具有更小的内核和硬件线程，众核处理器计算资源密度更高，片上通信开销显著降低，更多的晶体管和能量，能 够胜任更为复杂的并行应用。IntelMIC产品基于X86架构,基于重核的众核处理器,包含50个以上的核心，以及512bit的向量位宽，双精性能超过lTFlops。MIC拥有极其灵活的编程方式，MIC卡可以作为一个处理器存在，也可以被看作是一个独立的节点。基本的MIC编程模型是将MIC看作一个处理器，中央处理单元(CPU)根据程序的指令，将一部分代码运行在MIC端。此时存在两类设备，即CPU端和MIC众核处理器端。电子断层三维重构技术(Electron Tomography, ET)是从一个物体的二维投影图经过重构获取物体内部结构的技术，通过获取多个不同角度的二维投影图进行反向重构出所研究对象的三维结构。图像重构无论是在医学诊断，还是在生物样品的成像，以及在地表层析成像等诸多领域中都有着广泛的应用。目前，采用迭代重构图像方法实现图像重构，该迭代法可以表述成-M= P，其中A为非奇异矩阵，X为未知数向量，P为已知向量，迭代法求解目标在于确定X的数值。在迭代重构图像方法中，A为加权因子，P为投影得到的图像像素值，X则为需要重构的图像的像素值。图I说明了采用迭代重构图像方法实现图像重构的过程，该方法通过赋O值或随机值或背投影方法获取用于迭代过程中的初值X (0)，然后经过多次的重投影和背投影的迭代过程，来求得最后满足精度要求的重构图像的像素值。联合迭代重构(simultaneousIterative Reconstruction Technique, SIRT)算法在所有图像重构算法中重构效果较好，但其运算量巨大，因此需要提高运算效率，来满足快速图像重构的需求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种电镜三维图像重构的方法及系统，以克服现有图像重构速度较慢的缺陷。本专利技术提供了一种电镜三维图像重构的方法，该方法包括中央处理器(CPU)将要进行迭代重构图像中的物体分成切片，构建所述CPU与众核(MIC)处理器协同计算的框架；所述CPU调用所述框架中的所有设备多线程并行地获得各自当前切片的重构图像值和测量投影图像值，根据所述重构图像值和所述测量投影图像值依次通过重投影算法和背投影算法计算出当前切片的最终重构图像值，直至计算出所有切片的最终重构图像值。优选地，所述CPU将要进行迭代重构图像中的物体分成切片，包括所述CPU根据所述物体的大小将所述物体分成切片，切片的数目为该物体宽度的像素值。优选地，所述CPU构建所述CPU与众核(MIC)处理器协同计算的框架，包括所述CPU将连接在同一单节点服务器的所述CPU与多个MIC处理器作为协调计算的框架，该框架中所有设备的数目为CPU的数目和MIC处理器的数目之和。 优选地，所述方法还包括所述所有设备分别在获得各自当前切片的所述重构图像值和所述测量投影图像值之后，执行上锁操作。优选地，所述CPU调用所述框架中的所有设备多线程并行地获得各自当前切片的重构图像值和测量投影图像值，根据所述重构图像值和所述测量投影图像值依次通过重投影算法和背投影算法计算出当前切片的最终重构图像值，包括所述MIC处理器或所述CPU根据获得的所述当前切片的初始重构图像值X(O)或上次迭代得到的重构图像值x(k-l)进行重投影得到计算投影图像值；根据所述X(O)或x(k-l)得到所述测量投影图像值，根据所述计算投影图像值和所述测量投影图像值进行背投影得到重构图像值X (k)，通过多次的重投影和背投影操作得到满足精度要求的所述当前切片的重构图像值，其中，所述初始重构图像值X(O)通过赋初值或随机值或背投影方法获得，k为大于I的整数。本专利技术还提供了一种电镜三维图像重构的系统，该系统包括中央处理器(CPU)，用于将要进行迭代重构图像中的物体分成切片，构建所述CPU与众核(MIC)处理器协同计算的框架；多线程并行地向所述框架中的所有设备发送调用请求，以及在接收到所述调用请求后，获得当前切片的重构图像值和测量投影图像值，并根据所述重构图像值和所述测量投影图像值依次通过重投影算法和背投影算法计算出当前切片的最终重构图像值，直至计算出所有切片的最终重构图像值；以及所述MIC处理器，用于在接收到所述调用请求后，获得当前切片的重构图像值和测量投影图像值，并根据所述重构图像值和所述测量投影图像值依次通过重投影算法和背投影算法计算出当前切片的最终重构图像值，直至计算出所有切片的最终重构图像值。优选地，所述CPU，具体用于根据所述物体的大小将所述物体分成切片，切片的数目为该物体宽度的像素值。优选地，所述CPU，具体用于将连接在同一单节点服务器的所述CPU与多个MIC处理器作为协调计算的框架，该框架中所有设备的数目为CPU的数目和MIC处理器的数目之和。优选地，所述CPU，还用于在获得当前切片的所述重构图像值和所述测量投影图像值之后，执行上锁操作；所述MIC处理器，还用于在获得当前切片的所述重构图像值和所述测量投影图像值之后，执行上锁操作。优选地，所述MIC处理器，具体用于根据获得的所述当前切片的初始重构图像值X(O)或上次迭代得到的重构图像值x(k-l)进行重投影得到计算投影图像值；根据所述X(O)或x(k-l)得到所述测量投影图像值，根据所述计算投影图像值和所述测量投影图像值进行背投影得到重构图像值X (k)，通过多次的重投影和背投影操作得到满足精度要求的所述当前切片的重构图像值，其中，所述初始重构图像值X(O)通过赋初值或随机值或背投影方法获得，k为大于I的整数；或者所述CPU，具体用于根据获得的所述当前切片的初始重构图像值X(O)或上次迭代得到的重构图像值x(k-l)进行重投影得到计算投影图像值；根据所述X(O)或x(k-l)得到所述测量投影图像值，根据所述计算投影图像值和所述测量投影图像值进行背投影得到重构图像值X (k)，通过多次的重投影和背投影操作得到满足精度要求的所述当前切片的重构图像值，其中，所述初始重构图像值X (O)通过赋初值或随机值或背投影方法获得，k为大于I的整数。上述实现电镜三维图像重构的方法及系统，通过CPU和MIC协同计算，极大地加速了迭代重构方法的执行，从而可以快速地完成图像重构任务。附图说明 图I为现有采用迭代重构图像方法实现图像重构的流程图；图2为本专利技术CPU+MIC协同计算框架的示意图；图3为本专利技术物体投影过程示意图；图4为本专利技术CPU+MIC协同计算过程的示意图；图5为本专利技术电镜三维图像重构的系统的结构示意图。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。本专利技术首先分析用SIRT串行方法进行电镜三维图像重构的性能瓶颈以及将串行方法移植到其他高性能平台上的难度，找到耗时的热点代码，测试其在电镜三维图像重构的整个过程中所占的时间比例以及分析提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电镜三维图像重构的方法，其特征在于，该方法包括：中央处理器(CPU)将要进行迭代重构图像中的物体分成切片，构建所述CPU与众核(MIC)处理器协同计算的框架；所述CPU调用所述框架中的所有设备多线程并行地获得各自当前切片的重构图像值和测量投影图像值，根据所述重构图像值和所述测量投影图像值依次通过重投影算法和背投影算法计算出当前切片的最终重构图像值，直至计算出所有切片的最终重构图像值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢晓伟，张清，
申请(专利权)人：浪潮北京电子信息产业有限公司，
类型：发明
国别省市：