[发明专利]基于稀疏约束的强度关联成像高速三维重构系统及方法

摘要

一种基于稀疏约束的强度关联成像高速三维重构系统，包括数据采集单元、信号处理机、高速存储器、GPU并行计算控制器、GPU计算卡组、三维处理机、三维成像显示器。数据采集单元由CCD和PMT构成，GPU计算卡组由多块GPU计算卡并联构成。本发明可实现准实时强度关联成像三维图像重构，具有计算速度快、信噪比高、成本低和功耗小的特点，可应用于可见光及X光强度关联成像。

主权项

利用基于稀疏约束的强度关联成像高速三维重构系统进行高速三维重构的方法，该系统构成包括数据采集单元、信号处理机、高速存储器、GPU并行计算控制器、GPU计算卡组、三维处理机、三维成像显示器；所述的数据采集单元由CCD和光电倍增管PMT构成，所述的GPU计算卡组由多块GPU计算卡并联构成；所述的信号处理机、GPU并行计算控制器、三维处理机与高速存储器之间采用高速光缆连接，所述的GPU计算卡组与GPU并行计算控制器通过PCI‑E总线连接，所述的三维成像显示器与三维处理机相连接；所述的数据采集单元将采集到的数据输入信号处理机，信号处理机对采集数据进行噪声过滤处理后，将有效数据传递到高速存储器进行存储；所述的GPU并行计算控制器从高速存储器读取有效数据进行并行计算预处理后，传递到GPU计算卡组的多个GPU计算卡，GPU计算卡组完成并行计算后将计算结果返回到GPU并行计算控制器，GPU并行计算控制器进行并行计算后处理之后将结果数据发送到高速存储器进行存储；所述的三维处理机从高速存储器读取结果数据后进行三维降噪合成，并通过三维成像显示器完成结果显示；其特征在于，该方法包括以下步骤：<1>获取强度关联成像三维重构数据矩阵：强度关联成像中，进行m次测量，CCD采集到的数据为二维参考图像构成的参考序列{Ir1,…,Iri,…Irm}，光电倍增管PMT采集到的数据为一维信号数据构成的信号序列{It1,…,Iti,…Itm}，其中i＝1,2,3,…,m；对于参考序列{Ir1,…,Iri,…Irm}，每帧二维参考图像Iri的像素数为n，用矩阵A来表示参考序列，一帧二维参考图像构成A的一行，则矩阵A为m行n列；对于信号序列{It1,…,Iti,…Itm}，每帧一维信号数据Iti包含k个元素，用矩阵Y来表示信号序列，一帧一维信号数据构成矩阵Y的一行，则矩阵Y为m行k列矩阵；将参考数据矩阵A和信号数据矩阵Y输入信号处理机；<2>进行噪声过滤处理：求信号数据矩阵Y每一列的平均值，得到1行k列的向量，将此向量归一化后，得到1行k列的向量Ys，对Ys的k个元素逐个判断，若小于门限阈值Ts则视为噪声，Ts∈(0,1)，剔除矩阵Y对应的列，得到新的矩阵Ynew为m行K列，其中K<k；求矩阵Ynew每一行的平均值，得到m行1列的向量Ym，将矩阵Ynew的每一列Yj(j＝1,2,3,…,K)与Ym做运算|Yj‑Ym|./Ym，得到m行K列的矩阵Ya，对Ya的m×K个元素逐个判断，若小于门限阈值Ta则视为噪声，Ta∈(0,0.5)，矩阵Ynew对应的元素置0；对矩阵Ynew的每一行作判断，剔除矩阵Ynew的全0行和矩阵A对应的行，得到有效数据：M行K列的信号数据矩阵Y’和M行n列的参考数据矩阵A’，其中M<m；将参考数据矩阵A’和信号数据矩阵Y’存储到高速存储器；<3>并行计算预处理：由GPU并行计算控制器从高速存储器读取参考数据矩阵A’和信号数据矩阵Y’，根据A’和Y’按下列公式计算参数μ：其中μ0∈(0,1)；对M行n列的参考数据矩阵A’进行数据分割，GPU计算卡的数目为N，则将参考数据矩阵A’分割为N块，每块对应一个GPU计算卡，每个分块矩阵A’GPU的大小为M/N行n列；将参数μ和信号数据矩阵Y’传递到每个GPU计算卡，将分块矩阵A’GPU传递到对应的GPU计算卡；<4>进行并行计算：在多个GPU计算卡上同时对分块矩阵A’GPU进行稀疏变换，其变换公式为：其中，代表稀疏变换；在多个GPU计算卡上同时根据Anew、Y’和μ求解X’：X′=min12||Y′-AnewX′||l22+μ||X′||l1,]]>具体算法为：令作为目标函数，X’初值设为0，沿方向搜索，即其中α0＝1，循环终止条件为：将每个GPU计算卡求得的n/N行K列的矩阵X’返回到GPU并行计算控制器；<5>进行并行计算后处理：对多个GPU计算卡返回的矩阵X’进行数据合并，得到完整的n行K列的结果数据矩阵X’；对完整的n行K列的结果数据矩阵X’进行反稀疏变换获取三维重构目标的实空间表达矩阵X，其变换公式为：其中，代表逆稀疏变换；将结果数据n行K列的矩阵X存储到高速存储器；<6>进行三维降噪合成：利用所述的三维处理机从高速存储器读取结果数据矩阵X，对矩阵X的每一行搜索最大值，记录下此位置和此位置的值，得到n行1列的位置向量P和n行1列的值向量V，将P向量和V向量归一化后以hsv真彩格式表示，P向量对应色度，V向量对应亮度，饱和度设为1，即得第三维以颜色表示的三维目标真彩图。