實(shí)時(shí)圖像重建與可視化工作站配置方案2015

一 工業(yè)CT的圖像重建與可視化技術(shù)介紹
工業(yè)CT實(shí)時(shí)圖像重建與可視化及分析，是對工業(yè)零件復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損傷測量，獲取數(shù)據(jù)重建圖像（斷層成像），得到其內(nèi)部和外部組成部分的尺寸進(jìn)而給出空間的關(guān)聯(lián)性。工業(yè)CT并非對測量物作“視覺”上的成像，而是利用對X光照射并穿過受測物體時(shí)強(qiáng)度衰變的分析，反算出受測物體內(nèi)部的衰變系數(shù)，是用三維圖像的方式表示內(nèi)部的衰變系數(shù)的分布。工業(yè)CT的主要特點(diǎn)是無損傷測量、精度高、與功能強(qiáng)大的軟件配合應(yīng)用于質(zhì)量檢測、結(jié)構(gòu)分析、材料分析、空間紋理分析以及CAD和CAE。

尼康儀器的工業(yè)CT掃描檢測站 XT H 160圖片

1.1 應(yīng)用領(lǐng)域
工業(yè)CT當(dāng)初應(yīng)用于工業(yè)零件的檢測；隨著硬件和軟件技術(shù)的提高，它的應(yīng)用圍已經(jīng)擴(kuò)展到相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域，以下是主要應(yīng)用領(lǐng)域
 汽車工業(yè)
 Electrical connectors電子器件
 Injection nozzles 油氣噴嘴，燃?xì)鈬娮?br />  感應(yīng)器-比如氧氣感應(yīng)器
 半透明面板 LED 光管
 高壓沖模鑄件，如渦輪壓縮機(jī)
 航空航天
 渦輪葉片冷卻孔位置與尺寸
 組件的裂紋分析
 葉片檢測與厚度（wall thickness）分析

 注塑模型
- 復(fù)雜塑料組件
- 柔軟、半透明材料，通常無法通過光學(xué)成像測量
- 塑料零件的超聲波焊接檢測

 制藥與醫(yī)療Pharmaceutical/medical
 分藥儀器
 醫(yī)療儀器醫(yī)療裝置檢測
 微小塑料組件
 骨頭結(jié)構(gòu)，骨架機(jī)構(gòu)

 博物館，考古研究，玉石鑒定
 材料鑒定也分析(例如結(jié)構(gòu), 氣孔率, 裂紋也瑕疵)
 古生物學(xué)，如骨架，骨棒, 化石
 地質(zhì)與土壤分析
 考古學(xué)
 玉石與古瓷鑒定及裂紋瑕疵檢測
 

1.2  工業(yè)CT主要檢測項(xiàng)目
 瑕疵缺損檢驗(yàn)Defect checks
 滲透與多孔分析Porosity analyses
 組裝、裝配、材料結(jié)構(gòu)性缺損檢驗(yàn)
 損傷分析
 材料檢驗(yàn)
 維度測量
 逆向工程
 幾何形狀擬合分析與比較
 外部與內(nèi)部表面的CAD對比
 澆鑄（金屬）與澆注（塑料）的后期處理與分析

1.3 實(shí)現(xiàn)手段

 2D和3D圖像處理、 非線性優(yōu)化、 （大量）數(shù)據(jù)的可視化、 動態(tài)模擬
 
 
 

1.4 算法分析
 CT重建算法分析（主要算法：濾波反投影法和迭代法）
 2D和3D圖像處理算法分析
 數(shù)據(jù)可視化算法分析
 非線性優(yōu)化算法分析
 動態(tài)模擬算法分析#p#page_title#e#

二．圖像重建常規(guī)算法與計(jì)算架構(gòu)

2.1 最佳實(shí)時(shí)圖像重建的計(jì)算架構(gòu)

        圖像重建最初的數(shù)學(xué)思想來自上世紀(jì)出捷克數(shù)學(xué)家Radon提出的變換與逆變換，用平直的語言可以簡述為，一個(gè)在高維空間的物體，如果知道它在低一維空間的投影，那么就能夠推算出這個(gè)物體在高維空間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這里所說的重建是指物體對X-光透射的衰減系數(shù)的數(shù)字圖像表示。

圖像重建的算法在數(shù)學(xué)上可分為代數(shù)重建法(ART)，迭代重建算法，和解析重建算法。世界上第一臺在臨床上實(shí)用的CT掃描儀是使用代數(shù)重建法實(shí)現(xiàn)的。迭代算法是用一系列的近似計(jì)算以逐漸逼近的方式來獲得圖像，在圖像重建開始以前，假定圖像是均勻密度的，圖像重建的每一步都是將上一步重建圖像的計(jì)算投影與實(shí)際測量所得的投影進(jìn)行比較，用實(shí)際投影與計(jì)算投影之差來修正圖像。每一步都使圖像更接近原來物體，經(jīng)若干次修正后可以獲得滿意的圖像。其特點(diǎn)運(yùn)算工作量極大。今天，無論是工業(yè)CT還是醫(yī)學(xué)CT都是以解析算法為主。在以下的討論中我們僅限于解析算法

 早期圖像重建的模型和工作是對二維區(qū)域進(jìn)行的，先是對平行投影，繼而是對扇形投影，利用探測器得到的投影數(shù)據(jù)對二維區(qū)域做“恢復(fù)”，基本原理是將投影數(shù)據(jù)應(yīng)用于傅立葉切片原理，再利用傅立葉逆變換。由于傅立葉逆變換的計(jì)算復(fù)雜性為O(N^2  log⁡N) ，為了提高運(yùn)算速度，人們采用了反投影濾波方法，使計(jì)算復(fù)雜降至O(N^2)，從量級上而言這是最佳結(jié)果了。

反投影濾波法在二維圖像重建的成功應(yīng)用鼓勵了科學(xué)家將其用于三維的情形。三維圖像重建的理論基礎(chǔ)是三維空間的Radon變換和逆變換；然而Radon逆變換在三維空間中并沒有類似二維空間中的傅立葉切片那樣的原理拿來直接應(yīng)用。感謝數(shù)學(xué)和醫(yī)學(xué)物理學(xué)家們的工作，他們成功地反投影濾波法用于三維空間，發(fā)現(xiàn)逆變換可以通過用（加權(quán)）的二維探測器數(shù)據(jù)對掃描軌道的變化關(guān)系來表達(dá)，解決了理論和應(yīng)用間的阻隔。

在實(shí)際應(yīng)用中，三維X-光透射有環(huán)形和螺旋形掃描兩種，后者主要是為解決物體在軸向大尺寸帶來的問題，在圖像快速甚至實(shí)時(shí)重建過程中，二者對工作站的要求并不單純體現(xiàn)在硬件的獨(dú)立指標(biāo)上，而是在硬件之間的協(xié)調(diào)配合與參數(shù)優(yōu)化上。在工業(yè)CT應(yīng)用中，以環(huán)形掃描為主；而最新趨勢的醫(yī)學(xué)圖像重建設(shè)備無疑是以螺旋掃描為主，其中的考慮因素包括人體軸向尺寸和射線劑量。

重建計(jì)算的復(fù)雜性取決于投影探測器的分辨率M×M、體素的分辨率N×N×N，以及放射源沿軌跡的分辨率Λ。如果 max(Λ,〖 M〗^2)<N^3 的話，無論何種算法所能做到的最佳情形是O(N^3)。

在解決了圖像重建的理論和算法模型之后，人們面臨的問題是如何實(shí)現(xiàn)高速，甚至實(shí)時(shí)的重建系統(tǒng)。下面我們將討論圖形重建對工作站硬件配置的要求。

 

2.2 實(shí)時(shí)圖像重建的硬件配置特點(diǎn)

2.2.1 實(shí)時(shí)圖像重建的最佳計(jì)算架構(gòu)---CPU+GPU混合計(jì)算模式

今天，幾乎所有的開發(fā)商在圖像重建的軟件開發(fā)上無不最大限度地利用現(xiàn)有的硬件特點(diǎn)，最大程度地實(shí)現(xiàn)并行化計(jì)算。由于并行計(jì)算對算法的依賴性，實(shí)現(xiàn)高效快速的圖像重建在硬件上不能簡單地理解為追求高配置；硬件的配置是基于軟件算法基礎(chǔ)之上的，要兼顧到軟件的設(shè)計(jì)架構(gòu)是斷層重建為主導(dǎo)還是投影平面的計(jì)算為主導(dǎo)，在當(dāng)前以錐形束掃描（CBCT）反投影濾波（FBP）算法為市場主導(dǎo)的現(xiàn)實(shí)下尤為重要。
目前計(jì)算機(jī)發(fā)展?fàn)顩r是，基于X86架構(gòu)的圖形工作站硬件，CPU核數(shù)數(shù)量有限（最大道60個(gè)），GPU流處理器提供2000~20000個(gè)，CPU其強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算處理能力，使得實(shí)時(shí)圖像重建數(shù)據(jù)處理的不二之選，如果采用CPU+GPU混合模式，利用CPU對復(fù)雜邏輯以及大數(shù)據(jù)量操作運(yùn)算能力，和GPU對相對簡單而“獨(dú)立”的數(shù)據(jù)進(jìn)行浮點(diǎn)并行計(jì)算驚人的速度，實(shí)時(shí)圖像重建進(jìn)入商用成為可能

 
 
 
上述問題從探測器所在的透射平面到重建平面的投影變換并可以通過GPU的并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)，如此一來計(jì)算復(fù)雜性降至O(N^3)，要做到實(shí)時(shí)重建，當(dāng)然，所有這些軟件都是在一般的指導(dǎo)原則下開發(fā)的，并不針對某一具體CPUs+GPUs組合，這就為客戶在選定應(yīng)用軟件的前提下如何選擇圖像工作站提出了難題
 

2.2.2 圖像重建工作站硬件配置特點(diǎn)
GPU計(jì)算卡 通常實(shí)時(shí)圖像重建軟件都是基于GPU架構(gòu)開發(fā)的，開發(fā)工具通用性強(qiáng)的Open CL，所以才用Nvidia和ATI架構(gòu)為主高端顯卡，以VGStudio MAX為例：推薦型號Nvidia Q6000、GTX680，ATI Radeon HD7970以上，另外涉及到迭代算法，每個(gè)GPU計(jì)算卡的接口帶寬一定保證最大化

CPU: 圖像數(shù)據(jù)生成過程中大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和壓縮和部分算法的多核計(jì)算出來，所以圖像重建優(yōu)化很好的應(yīng)用，需要更多cpu核數(shù)和更高頻率

內(nèi)存：容量計(jì)算大致依據(jù) 基于體素（X*Y*Z）和投影分辨率（x*y）以及投影數(shù)量
內(nèi)存計(jì)算公式：size of memory=（volume size*4）+（projetions size* number of projections*4）
例如：
Volume  1024*1024*1024
Size of one projection：1024*1024
Number of projections：720
Size of memory =(1024*1024*1024*4)+(1024*1024*720*4)=7,314,866,176=7.315GB

2.3 圖像數(shù)據(jù)可視化與分析硬件配置特點(diǎn)
以著名的VGStudio /VGStudioMax軟件為例，應(yīng)用軟件要求，

內(nèi)存：創(chuàng)建和裝入完整項(xiàng)目需要足夠大的內(nèi)存，保證可視化和分析，通常是最大數(shù)據(jù)集的2倍以上，
例如1:  1024*1024分辨率的切片1024個(gè)，其可視化需要 1024^3=2GB , 由此推斷
可視化需要的內(nèi)容容量2*2GB=4GB
專業(yè)數(shù)據(jù)分析： 8~16GB

例如2:  2048*2048分辨率的切片2048個(gè)，其可視化需要 2048^3=16GB , 由此推斷
可視化需要的內(nèi)容容量2*16GB=4GB
專業(yè)數(shù)據(jù)分析： 64~96GB

CPU 切片的裝入過程的解壓縮、可視化的幾何計(jì)算、數(shù)據(jù)分析的圖像處理中幾個(gè)計(jì)算，推薦使用頻率盡最大可能高的多核處理器，

圖卡  承擔(dān)復(fù)雜三維圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)可視化和分析，對圖像高精度和實(shí)時(shí)要求，高端CUDA架構(gòu)為主的顯卡

虛擬內(nèi)存和硬盤  涉及到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示要求，圖像數(shù)據(jù)讀寫用SATA的io帶寬是不夠的，推薦SSD

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三． 基于圖像重建與可視化應(yīng)用的工作站配置方案
UltraLAB擁有完美和領(lǐng)先的工作站硬件架構(gòu)，具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)計(jì)算與圖形處理加速技術(shù)能力，滿足實(shí)時(shí)圖像重建與可視化分析對工作站硬件配置需求，當(dāng)你需要一臺處理復(fù)雜圖像重建工作站，我們量身定制出具有高效、精準(zhǔn)的圖形工作站，滿足圖像重建的各種復(fù)雜算法的計(jì)算需求，保證在計(jì)算過程的各個(gè)環(huán)節(jié)無瓶頸，讓你感受到無與倫比的專業(yè)性和高性能、高可靠，完美打造大型實(shí)時(shí)圖像重建計(jì)算應(yīng)用最佳工作站硬件平臺

3.1 UltraLAB H470極速工作站配置方案（高效型）
UltraLAB H470定位于對cpu頻率極限要求的應(yīng)用，如復(fù)雜三維CAD、GIS、建模、圖像處理、可視化、視景仿真、金融實(shí)時(shí)計(jì)算等應(yīng)用，該系列產(chǎn)品配備目前最新單路架構(gòu)的intel 超高頻處理器、高io的內(nèi)存和硬盤架構(gòu)，做到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)瓶頸降到最低。

 
 

 產(chǎn)品特點(diǎn)
擁有高達(dá)8核超高頻計(jì)算能力和全速雙GPU計(jì)算架構(gòu)，先進(jìn)的計(jì)算架構(gòu)和完美的優(yōu)化技術(shù)（高性能優(yōu)化技術(shù)、CPU超頻技術(shù)、全速CPU+GPU混合計(jì)算架構(gòu)、系統(tǒng)盤的實(shí)時(shí)加速技術(shù)），滿足實(shí)時(shí)圖像重建計(jì)算應(yīng)用需要

 

 
 

3.2UltraLAB H600極速工作站配置方案（高性能型）
UltraLAB H600定位于對cpu頻率極限要求的應(yīng)用，如超大規(guī)模或復(fù)雜三維CAD、GIS、建模、圖像處理、可視化、視景仿真、金融實(shí)時(shí)計(jì)算等，該系列產(chǎn)品配備目前雙路架構(gòu)的intel Xeon超高頻處理器、大容量內(nèi)存、高io的內(nèi)存和海量高速存儲系統(tǒng)架構(gòu)，做到海量應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)瓶頸降到最低。

 
產(chǎn)品特點(diǎn)：
配備12核超高頻intel Xeon處理器(12核)、2塊圖卡或GPU卡、超低延遲低高讀硬盤和網(wǎng)卡，先進(jìn)的計(jì)算架構(gòu)和完美的優(yōu)化技術(shù)（高性能優(yōu)化技術(shù)、CPU超頻技術(shù)、全速CPU+GPU混合計(jì)算架構(gòu)、海量存儲高速讀寫與安全防護(hù)技術(shù)），滿足對極限計(jì)算、閃電讀寫要求實(shí)時(shí)處理極強(qiáng)的應(yīng)用， ，提供極計(jì)算處理的圖形工作站

 
產(chǎn)品配置規(guī)格
 
 

3.3 UltraLAB GX600圖像處理工作站配置方案（極致型）
UltraLAB GX系列工作站是定位于超高分辨率、超精細(xì)畫質(zhì)的圖形設(shè)計(jì)、圖像處理等應(yīng)用，擁有全新雙intel Xeon處理器和圖卡、多GPU計(jì)算卡以及高讀寫帶寬海量存儲的高性能計(jì)算硬件架構(gòu)，為大型復(fù)雜三維模型實(shí)時(shí)生成、三維CAD、三維GIS、海量圖形圖像實(shí)時(shí)處理、超高精度的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、4K視頻編輯合成等，提供全新、高效、性能優(yōu)異的計(jì)算設(shè)備。

 
 

產(chǎn)品特點(diǎn)
配備16核高頻intel Xeon處理器、4塊圖卡或GPU卡、超低延遲低高讀硬盤和網(wǎng)卡，先進(jìn)的計(jì)算架構(gòu)和完美的優(yōu)化技術(shù)（高性能優(yōu)化技術(shù)、全速CPU+GPU混合計(jì)算架構(gòu)、海量存儲高速讀寫與安全防護(hù)技術(shù)），滿足對海量數(shù)據(jù)高速計(jì)算、閃電讀寫要求實(shí)時(shí)處理極強(qiáng)的應(yīng)用，提供最強(qiáng)大的CPU+GPU混合計(jì)算處理的圖形工作站

 
 

產(chǎn)品配置規(guī)格