CPU-GPU协同计算在MOC中子输运异构并行计算中的应用研究

特征线方法（MOC）可以精确求解任意几何的中子输运方程,但该方法收敛慢、计算时间长。本研究基于空间区域分解和特征线并行技术,采用MPI+OpenMP/CUDA编程模型,实现了适用于中央处理器-图形处理器（CPU-GPU）异构系统的二维MOC异构并行算法。为充分利用异构系统中的CPU和GPU计算资源,实现CPU-GPU协同计算,提出动态任务分配模型,根据CPU和GPU的计算能力合理分配计算任务。数值验证结果表明:程序具有良好的计算精度;动态任务分配模型能根据硬件性能给出最佳任务分配方案;5异构节点（包含20块GPU）并行时,相对MPI+CUDA并行模式,采用CPU-GPU协同计算后,程序整体效率提升达到14%。      

锥束CT图像矩形包围盒快速重建

针对传统锥束CT重建存在大量冗余计算的问题,建立了锥束CT图像矩形包围盒快速重建方法。该方法将重建空间限定为三维矩形包围盒,大大减少了待重建体素的数量,接着将Z线优先算法反投影部分的计算移植到GPU上加速重建。实验结果表明:该方法显著提高了锥束CT图像的重建速度,可推广应用于采用类似算法重建的CT系统。     

异构系统三维高保真堆芯中子输运计算程序ALPHA研发进展

ALPHA是哈尔滨工程大学核动力仿真研究中心研发的基于异构系统的三维高保真堆芯中子输运计算程序。ALPHA程序基于性能优化的二维特征线装载图形处理单元（GPU）并行计算核心,基于MPI+CUDA混合编程模型实现粗细粒度的异构系统多节点并行并应用通信掩盖优化。ALPHA的共振计算模型采用原创的细群 子群二级离散策略并采用多群求解核心适配异构系统。ALPHA采用MOC EX实现三维全堆芯中子输运异构并行计算及GPU并行的粗网有限差分加速。数值结果表明,ALPHA程序在保证计算精度的前提下,具备较高的并行效率和一定的可扩展性,有望实现数值反应堆中中子学计算的轻量化与工程化应用。     

基于ADMM的多GPU快速DBT迭代精准重建

为实现高效率的DBT精准重建,本文提出了基于ADMM优化算法的多GPU快速DBT迭代重建算法。本方法选取全变差作为正则化项,应用ADMM法求解目标函数,并采用多GPU加速策略对算法进行加速。实验表明,与传统的带有正则化约束的凸集投影(POCS)迭代重建模式相比,本方法在图像噪声平滑、特征边缘保留和计算效率提高等方面均取得了上佳效果。     

利用CUDA技术实现锥束CT图像快速重建

锥束CT三维重建算法的计算量和传输量巨大,仅利用CPU来计算,无法满足实时、快速、准确重建的要求,根据图形处理器运算能力强、存储带宽大的特点,研究了一种不需要学习图形API,就可以在图形处理器上实现三维重建算法的快速运算的方法。该方法采用基于统一计算设备架构的图形处理器,通过这种新架构的编程模式,利用图形处理器中的流处理器来加快滤波和反投影计算,实现了FDK算法的重建加速,与利用图形API的重建方法相比,开发门槛较低。对于尺寸为5123的单精度浮点数据格式的图像,重建时间可以缩短到一分钟以内,并且GPU与计算机的传输时间小于1秒。实验结果表明与仅利用CPU的重建方法相比,本文提出的图像加速方法得到了较高的时间加速比。     

锥束CT的改进FDK算法及加速实现

锥束CT成像中,FDK重建算法得到广泛应用。提出一种可以扩大锥束CT旋转轴方向重建体积的FDK方法。在反投影步骤中,对重建物体的每个体素点被反投影的总次数进行计算,之后进行权重计算,最终得到三维重建图像。同时,采用CUDA技术,利用GPU对改进的FDK算法进行并行计算加速实现,提高重建效率。实验结果表明,改进的FDK算法可以增大重建体积,重建更多物体信息,采用CUDA技术后,速度大幅度提升。     

基于基图像TV模型的CT射束硬化校正方法

X射线CT中,X射束硬化导致重建图像中出现伪影,严重影响了图像质量。论文深入分析了射束硬化对原始投影数据的影响,并提出了一种基于基图像TV模型的射束硬化校正方法。该方法首先依据射束硬化的物理特征建立了带有可调参数的初步校正模型;其次,在不同的可调参数条件下,原始投影数据经该模型预处理变换得到多组预处理投影序列;再次,分别对预处理投影序列进行重建得到一系列校正基图像;最后,将基图像的线性组合作为最终重建图像。其中,加权系数的最优解是以最终重建图像的全变分(Total Variation,TV)函数作为目标函数,通过迭代法求得。为验证该算法,对真实的铝柱体模和工业检测件进行了实验,结果表明,该算法对射束硬化引起的杯状和条状伪影均有显著的抑制效果。     

基于模拟点源测量的多针孔SPECT精确迭代重建

高分辨率单光子发射计算机断层成像（SPECT）是临床和小动物影像的重要技术之一。对SPECT的系统传输矩阵进行建模,并结合于迭代重建算法中,是提高系统空间分辨率的有效手段。本文基于实验室自主研发的多针孔小动物SPECT系统,研究了一种蒙特卡罗模拟和解析模型相结合的系统传输矩阵精确计算方法。该方法是基于多点源模拟的投影数据,结合数据再估计方法和高斯拟合方法提取点扩展函数（PSF）特征参数,并结合解析形式的系统物理模型,从而计算任意位置的精确PSF。通过对四点源模拟投影数据分别用纯解析方法和蒙特卡罗模拟与解析模型相结合的方法进行计算,并对所得的系统传输矩阵进行重建对比,验证了蒙特卡罗模拟与解析模型相结合方法对图像分辨率的改善效果。进一步比较了不同点源排列的重建效果,获得了优化的点源排布方案。相对于基于实验方法测量系统传输矩阵,本方法能以更合理的代价实现系统传输矩阵的精确建模,并能有效提高系统空间分辨率。     

平板探测器CT系统调校及参数获取方法

为了解决平板探测器CT系统存在结构偏差、参数偏离设计值,影响重建质量的难题,提出了一种基于简单模型和少量DR投影的平板探测器CT系统调校和参数获取方法。该方法采用一个正交金属细丝模型,通过设计一系列的投影,依据投影图像对系统结构进行调整并进行简单计算,即可完成偏差校正及参数获取。计算和实验表明,通过该方法得到的系统参数误差小于0.5%,满足使用要求,重建图像质量很高。     

平板X射线源重叠投影的线性迭代重建

为解决平板X射线源多个射线源同时照射时产生的投影重叠问题带来的图像重建困难,本研究提出了一种基于平板X射线源重叠投影的CT图像重建方法。该方法引入线性修正因子修正投影重叠带来的非线性,然后使用联合代数重建算法(SART)实现CT图像的重建。实验表明,该方法可以实现平板X射线源重叠投影直接重建CT图像,但是随着平板X射线源阵列数增大,重建图像质量下降。     

基于DSP技术的工业CT重建软件设计

提出了基于现代数字信号处理器(DSP)技术进行CT重建软件设计.在实际的CT软件设计过程中,利用TI的C6701 DSP芯片的硬件处理系统,建立了基于DSP硬件系统的CT算法重建软件,该软件全部使用与DSP硬件系统相关的DSP汇编语言进行编程.并利用TI的C6701 EVM开发板,通过输入CT数据进行计算,得出的CT图像满足实际要求.     

静态CT行包安检系统关键技术研究

本文介绍了安检用静态CT技术的基本原理,对基于超顺排碳纳米管技术的冷阴极X射线源、基于光子计数技术的多能谱X射线成像技术和安检用静态CT系统图像重建算法等进行了研究。冷阴极X射线源由基于超顺排碳纳米管技术的冷阴极X射线管、两套高压系统和1个控制系统组成,在130 kV以下可稳定工作。研制并测试了一款具有三能谱成像功能的光子计数型X射线探测器系统。对安检用静态CT系统图像重建算法进行了讨论,提出了一种解决方法。安检用静态CT系统关键技术的研究为安检用静态CT系统的研制提供了技术基础。     

SSE指令集在60Co集装箱CT系统图像重建算法中的应用

利用SsE指令集，对原有^60Co集装箱CT系统图像重建算法进行优化，包括程序的并行化处理及指令预取优化。实验表明，在硬件条件不变的情况下，图像重建耗时从24s降到10s，且对图像质量没有影响。     

基于硬件实现的锥束CT图像重建系统的存储机制设计

为了实现三维锥束CT图像重建加速系统的小型化,建立了基于FPGA的三维图像重建系统。并对该系统中所采用的FDK重建算法所需的数据存储量和数据传输量以及由SDRAM、SRAM和FPGA内部缓存组成的存储系统的数据吞吐率进行了研究。首先,根据FDK算法的滤波与反投影两个步骤介绍了三维锥束CT图像重建系统的数据规模。接着,介绍了一种以SDRAM为外部主存,以SRAM为外部缓存和以FPGA内部SRAM资源作为内部高速缓存的存储机制。然后,介绍了该存储机制的实现方法以及测试方法。最后对该三维图像重建系统的数据吞吐能力进行了测试,并将之与FDK算法所需的数据传输量进行了对比分析。试验结果表明:该存储机制的数据连续存取速度为151.9MB/s,数据随机存取速度为100MB/s,基本满足小规模的三维图像重建的数据存储与传输带宽的要求。     

Pin Power Reconstruction Methods of the Few-Group BWR Core Simulator NEREUS

An improved pin power reconstruction method has been incorporated in the few-group nodal BWR core simulator NEREUS, which is based on the analytic polynomial nodal method. With the analytic polynomial nodal method, accurate node surface fluxes are available, which are used later to reconstruct pin powers. The intranodal homogeneous thermal flux is corrected using a semi-empirical proportional relation between surface transition components of the homogeneous and heterogeneous fluxes. This correction method is effective for BWR calculations, especially for controlled assemblies or mixed loading of off-set assemblies. A unified model accounting for effects of spectral histories, caused by spectral interactions between fuel assemblies and the control blade insertion, was also developed for intranodal burnup correction. The change in pin powers due to the control blade history can be predicted well, without laborious assembly depletion calculations with control blade insertion. R-factors used in critical power ratio calculations are also reconstructed from the pin powers. The NEREUS pin power reconstruction method was verified against heterogeneous multi-assembly depletion calculations.     

锥束CT扫描方式对ART算法图像重建的影响研究

平板探测器锥束CT的扫描方式对ART(Algebraic Reconstruction Techniques)算法图像重建会产生影响.本文用128×128×128三维Shepp-Logan头部模型作为仿真对象,探讨了不同源-扫描中心距离、投影数、缺角度下扫描方式对图像重建的影响.结果表明,源-扫描中心距离与扫描中心-探...     

基于半扇束扫描的CT图像迭代重建算法

为解决探测器尺寸受限导致的CT图像重建区域面积受限以及X射线辐射剂量较大问题,提出一种半扇束扫描模式下的CT图像迭代重建算法。该算法将探测器水平偏置,稀疏角度下采集物体投影数据,利用ART-TV迭代算法对投影数据进行重建,达到预设迭代次数后,输出重建图像。实验结果表明:半扫描可扩大重建面积,降低探测器成本;利用迭代重建算法,降低剂量的同时重建优质CT图像。