CT图像重建在矿井测量中的应用.docVIP

CT图像重建在矿井测量中的应用 　　[摘 要] CT图像重建技术自问世以来得到了越来越广泛的应用。CT图像重建技术的广泛应用反过来又推动了对它的研究，使它得到进一步的发展。在过去30年的发展过程中，它基本上经历了五次大的变革。CT的这些发展变化主要体现在两个方面，一是提高扫描速度，二是改善图像的质量。Radon于1917年提出了著名的Radon变换，然而，直到计算机出现以后才实现了傅里叶变换及卷积的快速计算，这一成果才引起人们足够的注意。Radon变换理论现在已经成为CT重建技术的重要基础，这一技术不仅可以应用于医学成像，也同样适用于远程成像等许多图象处理学科。迄今为止，人们已经开发出基于Radon变换的多种比较成熟的重建算法。 　　[关键词] CT图像重建； 矿井测量； 生产安全； 应用 　　一 CT图像重建系统的组建原理 　　CT图像重建算法多种多样，但通常情况下采用最多的是滤波反投影算法，因此下面只讨论此类算法的加速技术。 　　滤波反投影是把某一视角下测得的投影数据做一维傅里叶变换，对上述结果乘以滤波函数Ⅳ（P）；IPI，再做傅里叶反变换，得到修正的投影数据，然后进行反投影。将各个视角下的反投影值进行累加，得重建后的图像。 　　计算时间最长的是反投影，滤波次之，我们主要研究这两部分的加速。有些CT扫描方式不同，比如扇束CT和锥束CT，它们的滤波反投影算法有一定的差异。但是当采用相同的重建加速技术时，其基本方法和最终效果是相似的，我们就不细致的区分了。 　　普通PC上的加速技术包含几何参数法、对称法和Intel SIMD指令优化法三种。 　　（1）几何参数表法 　　在反投影过程中要频繁地使用三角函数，其输入变量由射线扫描时的几何位置确定，如果程序中直接调用三角函数将非常耗时。因此可以在反投影前先行确定三角函数的值，将所有计算出的值存入一张参数表中，反投影时根据几何位置直接查参数表。采用几何参数表方法可明显地减少反投影时间，加速比至少在1 0倍以上。这种方法不会消耗太多内存，也不会与其他方法冲突，在实际应用中基本上都要采用。 　　（2）对称法 　　利用反投影算法的对称性，只计算出部分图像数据并对称得到其它图像数据。对于扇束CT扫描，具有一定关系的四幅投影的反投影运算可同时完成，从而减少最外层循环次数到N/4（N是投影的幅数），这样计算量仅为原来的四分之一，达到优化的目的14J。最后综合所有重建结果生成一幅完整的图像。 　　（3）Intel SIMD指令优化法 　　Intel公司在奔腾系列CPU上相继增加了MMX、SSE、SSE2指令集，其中SSE指令集引入了8个全新的1 28位XMM寄存器，能够一次执行4个紧缩单精度浮点数操作，同时引入了m64与m128数据之间的转换指令，求倒数指令，求平方根指令等。这些指令非常适合滤波和反投影这样浮点运算量大的应用场合。 　　Intel SlMD指令优化技术可以使图像的重建速度提高约5倍。此技术适合细粒度的并行运算，主要优化反投影和卷积循环算法的最内层代码。图1显示了将投影数据进行卷积的流程。优点是不需要添加任何其它硬件设备，现在AMD公司生产的通用CPU芯片也支持此指令集。而且升级效果好，随着CPU频率的提高，不需要改变代码即可提高程序的执行速度。但这种优化的能力是有限度的，用户不可能扩展CPU硬件结构，当把CPU潜力挖尽时，代码就不可能再优化了。 　　采用集群系统的并行重建。集群计算机系统由若干个独立的计算机节点，通过高速互连系统连接而成的网络系统。集群技术逐渐成为高性能并行计算的主流技术。计算机节点可以是台式机、工作站或服务器，其数量可以是几台也可以是成百上千台。当前专业的集群系统主要有机架式和刀片式两种架构，一般用户也可以根据实际情况把若干台普通PC机连接起来组成集群系统。图2显示的是IBM公司研制的H20型刀片集群机，机箱内通过千兆交换机连接了8块可方便拔插的刀片服务器，一个机箱最大可扩展到14块刀片。集群系统适合粗粒度的并行运算，由于卷积和反投影程序中投影数据的相关性低，容易把投影数据拆开分成几块运算，所以重建的过程就是把投影数据分成几块，分别发送到集群系统的不同节点并行计算，最后累积各计算节点的重建结果即可。 　　二 CT图像重建在矿井测量中的应用 　　某煤矿井下工作面退尺长约820m，面宽为140m。的无线电波透视CT图像重建技术的出现检测地质异常带的脸。主要内容包括延伸到巷道揭露缺口超过1.0m故障；巷道揭露煤层变薄区（M 1.0m范围内隐伏地质异常体工作面发现。 　　在岩体地下电磁波的传播，各种岩石、矿石的电力将是不同的，他们对电磁波能量的吸收，对电磁波的吸收效果的高低电阻率油层，当波遇到故障方向的接口，电磁波在界面产生反射和