[发明专利]一种基于SIRT算法且使用CPU+MIC协同计算模式的电镜三维重构方法

摘要

本发明提供一种基于SIRT算法且使用CPU+MIC协同计算模式的电镜三维重构方法，CPU端：负责将要进行迭代重构图像中的物体分成切片单元，向MIC卡传递重构所需要的值，CPU+MIC协同计算模式的框架搭建以及任务调度和参数初始化工作，而且在整个三维图像重构的计算任务CPU也会以Openmp多线程模式，依次通过重投影算法和背投影算法计算获取切片的重构图像值来动态参与；MIC众核协处理器：负责多线程并行地根据切片的重构图像值和测量获取的该切片投影图像值，依次通过重投影算法和背投影算法计算获取切片的重构图像值，在MIC卡上也采用openmp多线程的方式来运算。

主权项

一种基于SIRT算法且使用CPU+MIC协同计算模式的电镜三维重构方法，其特征在于包括CPU端， MIC众核协处理器端以及CPU+MIC协同计算模式，其中：CPU端：负责将要进行迭代重构图像中的物体分成切片单元，向MIC卡传递重构所需要的值，CPU+MIC协同计算模式的框架搭建以及任务调度和参数初始化工作，而且在整个三维图像重构的计算任务CPU也会以Openmp多线程模式，依次通过重投影算法和背投影算法计算获取切片的重构图像值来动态参与；MIC众核协处理器：负责多线程并行地根据切片的重构图像值和测量获取的该切片投影图像值，依次通过重投影算法和背投影算法计算获取切片的重构图像值，在MIC卡上也采用openmp多线程的方式来运算；    重构步骤如下：CPU端：将要进行迭代重构图像中的物体分成切片，向MIC卡上传递重构计算所需要的值，以openmp多线程模式，并行执行迭代重构图像，具体包括：根据物体的大小将该物体分成切片，切片的数目为该物体宽度的像素值SY，切片在投影图像上的元素数为N = SX*ANG_NUM，SX为该物体长度的像素值，ANG_NUM为该物体旋转角度的总数；切片在重构图像上的元素数为M = SX*SZ，SZ为该物体高度的像素值；CPU端将为图像数据的角度文件，thita文件在MIC卡上开辟空间，确定其输入输出类型并且将其值offload到MIC卡上， CPU负责CPU+MIC协同计算模式的框架搭建以及任务调度，具体步骤包括：单节点服务器采用由双路6核CPU和2块KNF MIC卡组成的桌面服务器，在CPU+MICs协同计算中，把双路CPU和MIC卡都作为计算设备，这样每个单节点就相当于有3个计算设备，每个设备通过一个OpenMP线程进行控制；假设单节点上，MIC卡的总数为M个，则节点上共M+1个设备，采用数据动态划分的方式，每次各个设备自动获取切片的输入数据，片数目>=1，数据处理完之后自动获取下一个切片数据，直到所有设备计算完成所有样本切片数据；在MIC 众核协处理器端：通过赋0值或随机值或背投影方法获取切片的初始的重构图像值X(0)，然后再通过重投影算法和背投影算法计算获取切片的重构图像值，具体步骤包括：根据赋初值得到的X(0)或上次迭代得到的X(k‑1)进行重新投影得到一个投影图像值P计；根据赋初值得到的X(0)或上次迭代得到的X(k‑1)，测量得到的投影图像值P测和重投影计算得到的投影图像值P计进行反向投影得到重构图像X(k)，背投影主要是进行X值的更新操作，通过多次的重投影和背投影操作可以得到满足精度要求的重构图像；在图像重构中，测量物体的投影图像像素值P测的过程中，记物体的长为SX，宽为SY，高为SZ，旋转角度的总数为ANG_NUM，垂直于Y方向的面即为切片，共SY个切片，重构的过程以切片为单位，即每次重构一个切片，重构SY个切片就可以重构出物体模型； 分析串行迭代法中的性能瓶颈，找到耗时的重投影和背投影的代码，测试其在整个程序中所占的时间比例；在每个切片的重构过程中，对于重投影过程，就是根据像素值x求得一个计算得到的投影值P测，P测共有SX*ANG_NUM个元素，这SX*ANG_NUM个元素的求解中没有任何的数据依赖性，以SX*ANG_NUM的并行度进行重投影算法的并行，在内核中，每个线程负责计算P测中的一个元素；在每个切片的重构过程中，对于背投影过程，也就是求重构图像像素值x的过程，该算法就是根据P计和P测通过背投影的方式求重构图像像素值x，对于每一个切片，x共有SX*SY个元素，这SX*SY个元素的求解中没有任何的数据依赖性，以SX*SY的并行度进行重投影算法的并行，在内核中，每个线程负责计算x中的一个元素。