ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ МЕТОДОМ МАКСИМАЛЬНОГО ПРАВДОПОДОБИЯ C ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОРА И БИБЛИОТЕКИ OpenGL

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Создание быстрых параллельных итерационных статистических алгоритмов на основе использования графических ускорителей является важной и актуальной задачей, имеющей большое научное и практическое значение. Рассматривается алгоритм, основанный на методе максимизации математического ожидания максимального правдоподобия (maximum likelihood expectation maximization MLEM). MLEM является численным методом определения оценки максимального правдоподобия и, начиная с его первого применения в области реконструкции изображений в 1982 г., остается одним из наиболее популярных статистических методов реконструкции изображений, являясь фундаментом для многих других подходов. Предложена оригинальная версия параллельного алгоритма MLEM, которая обеспечивает глобальную сходимость итерационного алгоритма. Для распараллеливания алгоритма используется метод текстурных отображений при помощи графической библиотеки OpenGL. Параллельный алгоритм описан максимально подробно. Приведены примеры нескольких реконструкций изображений изделий алюминиевого литья. Полученный результат можно применить для неразрушающего контроля различных промышленных изделий, в том числе для контроля литейных изделий.

Об авторах

С. А Золотарев

ГНУ «Институт прикладной физики НАН Беларуси

Email: sergei.zolotarev@gmail.com
Минск, Беларусь

О. В Таруат

Белорусский национальный технический университет

Email: ahmedtharwat6773@gmail.com
Минск, Беларусь

Список литературы

  1. Rizo P., Grangeat P., Sire P., Lemasson P., Melennec P. Comparison of three-dimensional x-ray conebeam reconstruction algorithms with circular source trajectories // J. Opt. Soc. Amer. 1991. V. 8. No. 10. P. 1639—1648.
  2. Cabral B., Cam N., Foran J. Accelerated volume rendering and tomographic reconstruction using texture mapping hardware // Symposium on Volume Visualization. 1994. P. 91—98.
  3. Mueller K., Yagel R., Wheller J.J. Anti-aliased 3-D cone-beam reconstruction of low-contrast objects with algebraic methods // IEEE Trans. Med. Imag. 1999. V. 18. P. 519—537.
  4. Segal M., Korobkin C., van Widenfelt R., Foran J., Haeberli P.E. Fast shadows and lighting effects using texture mapping // SIGGRAPH’92. 1992. V. 26. P. 249—252.
  5. Gordon R., Bender R., Herman G.T. Algebraic reconstruction techniques (ART) for three-dimensional electron microscopy and X-ray photography // J. Theor. Biol. 1970. No. 29. P. 471—481.
  6. Lange K., Fessler J.A. Globally convergent algorithms for maximum a posteriori transmission tomography // Image Processing, IEEE Transactions. 1995. V. 4. No. 10. P. 1430—438.
  7. De Man B., Qi J. Statistical Methods for Image Reconstruction / 2009 IEEE Nuclear Science Symposium — Short Course Documents, Orlando, FL, USA. 2009. 27 p.
  8. Andersen A.H., Kak A.C. Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique (SART): a superior implementation of the ART algorithm // Journal of Ultrasonic Imaging. 1984. V. 6. No. 1. P. 81—94.
  9. Xu F., Mueller K. Accelerating popular tomographic reconstruction algorithms on commodity PC graphics hardware // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. V. 52. P. 654—657.
  10. Gengsheng Lawrence Zeng. Maximum-Likelihood Expectation-Maximization Algorithm vs. Windowed Filtered Backprojection Algorithm: A Case Study // Journal of nuclear medicine technology. June 2018. V. 46. No. 2.
  11. Dempster A., Laird N., Rubin D. Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm // J. R. Stat. Soc. 1977. No. 39. P. 1—38.
  12. Vardi Y., Shepp L.A., Kaufman L. A statistical-model for positron emission tomography // J. Am. Stat. Assoc. 1985. No. 80. P. 8—20.
  13. Эмиссионная томография: пер. с англ. / Ред. Д. Арневальд, М. Верник. М.: Техносфера, 2009.
  14. Золотарев С.А., Венгринович В.Л. Трехмерная итерационная томографическая реконструкция с использованием графических процессоров // Дефектоскопия. 2009. № 8. С. 82—94.
  15. Золотарев С.А., Мирзаванд М.А. Трехмерная реконструкция методом SART с минимизацией тотальной вариации // Системный анализ и прикладная информатика. 2015. № 3. С. 31—35.
  16. Золотарев С.А., Таруат А.Т., Биленко Э.Г. Итерационная реконструкция изображений алюминиевого литья с учетом априорной информации // Дефектоскопия. 2023. № 4. С. 46—55.
  17. Золотарев С.А., Таруат А.Т., Биленко Э.Г. Итерационная реконструкция изображения алюминиевого корпуса с учетом априорной информации // Неразрушающий контроль и диагностика. 2023. № 1. С. 46—52.
  18. Zolotarev S.A., Taruat Ahmed Talat Taufik, Bilenko E.G. Taking into account a priori information in the iterative reconstruction of images of foundry products // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series. 2023. V. 68. No. 3. P. 242—251.
  19. Артемьев В.М., Наумов А.О., Тиллак Г.-Р. Реконструкция динамических изображений в томографии процессов. Минск: Издательский центр БГУ, 2004. 168 с.
  20. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Adaptive image reconstruction applied to X-Ray tomography // Materialprufung. 1998. V. 40. No. 9. P. 342—345.
  21. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Adaptive image reconstruction with predictive model // Maximum Entrophy and Bayesian Methods. Eds. W. von der Linden e. a. Kluwer Academic Publishers, 1999. P. 123—130.
  22. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Recursive Tomographic Image Reconstruction Using a Kalman Filter Approach in the Time Domain // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. V. 34. P. 2073—2083.
  23. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Statistical Estimation theory Approach for the Dynamic Image Reconstruction / Proc. 2nd WorldCongress on Industrial Process Tomography. Hannover, Germany, August 2001. Hannover, 2001. P. 772—779.
  24. Naumov A., Khmarskiy P., Byshnev N., Piatrouski M. Methods and software for estimation of total electron content in ionosphere using GNSS observations // Engineering Applications. 2023. V. 2. No. 3. P. 243—253.
  25. Rizo P., Grangeat P., Sire P., Lemasson P., Melennec P. Comparison of three-dimensional x-ray conebeam reconstruction algorithms with circular source trajectories // J. Opt. Soc. Amer. 1991. V. 8. No. 10. P. 1639—1648.
  26. Cabral B., Cam N., Foran J. Accelerated volume rendering and tomographic reconstruction using texture mapping hardware // Symposium on Volume Visualization. 1994. P. 91—98.
  27. Mueller K., Yagel R., Wheller J.J. Anti-aliased 3-D cone-beam reconstruction of low-contrast objects with algebraic methods // IEEE Trans. Med. Imag. 1999. V. 18. P. 519—537.
  28. Segal M., Korobkin C., van Widenfelt R., Foran J., Haeberli P.E. Fast shadows and lighting effects using texture mapping // SIGGRAPH’92. 1992. V. 26. P. 249—252.
  29. Gordon R., Bender R., Herman G.T. Algebraic reconstruction techniques (ART) for three-dimensional electron microscopy and X-ray photography // J. Theor. Biol. 1970. No. 29. P. 471—481.
  30. Lange K., Fessler J.A. Globally convergent algorithms for maximum a posteriori transmission tomography // Image Processing, IEEE Transactions. 1995. V. 4. No. 10. P. 1430—438.
  31. De Man B., Qi J. Statistical Methods for Image Reconstruction / 2009 IEEE Nuclear Science Symposium — Short Course Documents, Orlando, FL, USA. 2009. 27 p.
  32. Andersen A.H., Kak A.C. Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique (SART): a superior implementation of the ART algorithm // Journal of Ultrasonic Imaging. 1984. V. 6. No. 1. P. 81—94.
  33. Xu F., Mueller K. Accelerating popular tomographic reconstruction algorithms on commodity PC graphics hardware // IEEE Trans. Nucl. Sci. 2005. V. 52. P. 654—657.
  34. Gengsheng Lawrence Zeng. Maximum-Likelihood Expectation-Maximization Algorithm vs. Windowed Filtered Backprojection Algorithm: A Case Study // Journal of nuclear medicine technology. June 2018. V. 46. No. 2.
  35. Dempster A., Laird N., Rubin D. Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm // J. R. Stat. Soc. 1977. No. 39. P. 1—38.
  36. Vardi Y., Shepp L.A., Kaufman L. A statistical-model for positron emission tomography // J. Am. Stat. Assoc. 1985. No. 80. P. 8—20.
  37. Emission tomography: trans. from English / Ed. D. Arnewald, M. Wernick. M.: Tekhnosphere, 2009. In Russian
  38. Zolotarev S.A., Vengrinovich V.L. Three-dimensional and iterative tomographic reconstruction using graphic processors // Defectoscopya. 2009. No. 8. P. 82—94. In Russian.
  39. Zolotarev S.A., Mirzavand M.A. Three-dimensional reconstruction using the SART method with minimization of total variation // System analysis and applied informatics. 2015. No. 3. P. 31—35. In Russian.
  40. Zolotarev S.A., Taruat A.T., Bilenko E.G. Iterative reconstruction of aluminum casting images taking into account a priori information // Defectoscopya. 2023. No. 4. P. 46—55. In Russian.
  41. Zolotarev S.A., Taruat A.T., Bilenko E.G. Iterative reconstruction of an image of an aluminum body taking into account a priori information // Non-destructive testing and diagnostics. 2023. No. 1. P. 46—52. In Russian.
  42. Zolotarev S.A., Taruat Ahmed Talat Taufik, Bilenko E.G. Taking into account a priori information in the iterative reconstruction of images of foundry products // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series. 2023. V. 68. No. 3. P. 242—251.
  43. Artemiev V., Naumov A., Tillack G.-R. Adaptive image reconstruction applied to X-Ray tomography // Materialprufung. 1998. V. 40. No. 9. P. 342—345.
  44. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Adaptive image reconstruction applied to X-Ray tomography // Materialprufung. 1998. V. 40. No. 9. P. 342—345.
  45. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Adaptive image reconstruction with predictive model // Maximum Entrophy and Bayesian Methods. Eds. W. von der Linden e. a. Kluwer Academic Publishers, 1999. P. 123—130.
  46. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Recursive Tomographic Image Reconstruction Using a Kalman Filter Approach in the Time Domain // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. V. 34. P. 2073—2083.
  47. Artemiev V.M., Naumov A.O., Tillack G.-R. Statistical Estimation theory Approach for the Dynamic Image Reconstruction / Proc. 2nd WorldCongress on Industrial Process Tomography. Hannover, Germany, August 2001. Hannover, 2001. P. 772—779.
  48. Naumov A., Khmarskiy P., Byshnev N., Piatrouski M. Methods and software for estimation of total electron content in ionosphere using GNSS observations // Engineering Applications. 2023. V. 2. No. 3. P. 243—253.

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах