基于Wintel和P4架构的大型工业CT图像快速重建实现研究

0　引言

作为一种无损检测手段,大型工业CT在飞机发动机等内部缺陷的检查方面具有重要的作用。但由于检查对象尺寸大、图像分辨率高的原因,其图像数据非常巨大。例如为得到一幅波音747发动机的CT断层扫描图像,其重建数据矩阵将达到4096×4096点阵。如采用通用的卷积反投影算法,使用基于PIII 733处理器的微机进行重建耗时将超过2h。可见大型工业CT图像重建数据量的庞大,为了达到尽可能快的速度,一般需要采用具有特殊硬件处理能力的专用工作站。然而随着PC机,尤其是其核心部件Intel奔腾系列处理器的高速发展,特别是近来主频高达1.5GHz的P4处理器的推出,通用微机的计算和处理性能已经接近专用工作站系统,而随着视窗2000操作系统的问世,其图像处理能力进一步增强。基于P4架构的Wintel体系所具有的优越的性价比,促使我们对在其上实现大型工业CT图像快速重建的可能性进行研究。如可能采用廉价通用软硬件体系代替昂贵的专用工作站,那么根据摩尔定律,在不远的将来,基于PC平台的大型工业CT图像重建系统就可能会成为现实。

1　基于Wintel架构的CT重建算法

由于卷积反投影法的重建速度快、精度高,是目前广泛应用的成熟算法。故在Wintel架构下,我们考虑也选用该算法对大型工业CT平行束投影重建进行研究。以二维CT平行束投影重建图像为例,粒子投影数据采用解析模拟获得。忽略实际CT扫描中将会出现的各种噪声、误差以及散射、多色射线能谱硬化等因素。所设计的图像重建程序包括主流程模块、数据构建模块、过滤窗构建模块、反投影重建模块、图像显示模块。该算法的实现流程如图1所示。

2　P4处理器对快速重建的支持

P4处理器由于采用了新的NetBurst微处理器体系结构,采用了新的超级流水线、快速处理引擎、执行跟踪缓存、高级传输缓存、高级动态执行、数据流单指令多数据扩展等技术,再加上算术逻辑单元(ALU)以双倍的时钟速度运行,使其浮点运算速率比PIII大为提高。再配上Intel针对其开发的高速系统总线、850系列芯片组,以及其专有的软件加速包,使得其算术运算性能跃上了一个新的台阶,从而极大的提高了CT图像重建的速度。例如对卷积反投影算法中耗时最多的加法、乘法以及数据存取过程,如果分别取16个、80个、9个时钟周期计,PIII 667配合133MHz总线的处理时间为24、120、13ns。而P4处理器由于配有双通道RDRAM,以及高速缓存跟踪技术,其数据传输速率可达3. 2GB/s,对于P4 1. 5G配合400MHz总线的系统来说,处理时间平均可以降低60%。这就意味着可将CT重建时间缩短一半。此外,P4中所采用的数据流单指令多数据扩展技术拥有许多单指令多数据整数运算指令和单指令多数据双精度浮点指令。如果充分应用这些指令来优化图像重建过程,将进一步缩短重建时间。