题目：X射线工业CT并行重建系统设计与优化技术研究

图像重建技术是工业CT研究领域中的一项关键技术，它具有计算密集与存储密集并存的特点，要求有更高性能的计算系统作为支撑。为提高工业CT系统检测效率，扩展系统应用领域，论文对并行重建系统设计与实现进行研究，充分利用计算机资源、有效发挥资源协同作用，实现工业CT快速检测。研究思路如下：分析研究的问题，对比现有方法的优缺点，在此基础上，提出作者的解决方法，通过实验验证，针对工程应用中遇到的问题对系统进行优化实现，最后得出研究结论。本文以DR/ICT集成检测技术为背景，采取理论研究与多套系统集成实践相结合的方法，进行了以下问题的研究：1．建立了工业CT并行重建系统模型建立了基于C/S结构的工业CT并行重建系统模型－LTPCT模型，在满足图像质量的前提下，根据模型指导定义工业CT重建系统。系统模型实现的两个关键技术是：数据采集预处理子系统采用流水线技术，重建子系统采用并行计算技术。在DRICTITS-450系统上进行验证，证明此模型对工程应用具有指导意义。2．提出系统过程流水线实现的设计方法为提高系统处理效率，提出数据采集预处理子系统流水线设计方法，基于消息通信模式进行软件实现，达到了缩短系统处理时间的目的。在DRICTITS-450系统上采用流水线处理比未采用时系统效率提高18%左右，并且减少了后续并行重建过程中数据分发带来的大规模通信时间开销，证明此设计方法能够充分利用系统资源，有效地提高了系统处理效率。3. 提出基于共享内存的FDK-M重建算法FDK-M算法使用系统内存映射，重建所需投影数据分别存储在内存和存储器中，进行滤波反投影运算时，CPU直接访问内存或者虚拟内存中的投影数据。对比两种算法执行过程中的数据输入输出速度，重建尺寸为1024×1024的断层图像，在使用全部投影数据重建的情况下，FDK-M算法比FDK-F(传统FDK算法)快17倍，有效地缩短了重建时间。FDK-M算法提供了一种快速访问投影数据的方式，有利于在并行化过程中减少频繁进行文件操作带来的系统开销，避免并行程序访问过程中打开相同图像文件造成的冲突。4. 基于MPI模型的工业CT并行重建设计、实现及优化在并行处理计算机或集群系统下，基于消息传递模型(MPI)的方法，按照不同视角投影数据和重建目标层数进行任务划分，对并行重建系统进行设计并实现工程应用。并行重建图像与串行算法结果一致并且获得了理想的加速比。在系统优化过程中，提出适合MPI模型并行重建的负载平衡算法－基于动态任务分配表的集中式调度DWDLB算法(Dynamic Work Distribution based Load Balancing)，系统效率提高20％左右。工程应用表明该实现具有良好的加速比和效率，适合工业CT检测应用。5. 提出了基于多层次计算模型的工业CT并行重建设计与优化方法在对OpenMP并行模型实现研究的基础上，提出基于MPI和OpenMP多层次模型并行重建系统设计方法，并进行了优化实现，包括模型的分析与比较、工程实现、最佳节点个数设计以及负载平衡优化。对于SMP集群系统下多层模型并行重建过程中出现的负载不平衡问题，提出权重轮循均衡与响应速度均衡相结合的负载平衡WRRTR(Weighted Round Response Time Robin)算法，充分利用了集群的计算能力，为工业CT重建提供了高性能的计算环境。本文研究成果已成功应用于“工业射线DR/ICT一体化技术Liming-DR/ICT450系统”DRICTITS-450系统、中国特种设备检测研究中心项目“工业射线数字影像检测试验系统研制”CSEI-XIS系统和本实验室建设的系统中。