搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

并行化叠层成像算法研究

肖俊 李登宇 王雅丽 史祎诗

引用本文:
Citation:

并行化叠层成像算法研究

肖俊, 李登宇, 王雅丽, 史祎诗

Ptychographical algorithm of the parallel scheme

Xiao Jun, Li Deng-Yu, Wang Ya-Li, Shi Yi-Shi
PDF
导出引用
  • 叠层成像是定量相位恢复技术的重要研究方向,它通过照明探针的交叠式扫描,使用叠层迭代相位恢复算法对待测样品进行恢复,但成像效率与成像质量之间的矛盾等问题已成为其瓶颈之一. 本文从叠层成像迭代恢复算法的基本原理入手,提出了基于CPU和GPU的两种分块复振幅重建并行算法,并通过模拟实验研究了不同待测样品尺寸、不同分块、不同孔径数目对并行加速效果的影响. 模拟实验结果表明:两种并行算法可正确地恢复出样品的复振幅信息,并且显著提升了重建速度,使得重建耗时比传统叠层成像算法有了数量级的下降,在一定程度上解决了成像效率与成像质量之间的矛盾,有望实现准实时成像,为叠层成像在相关领域更广泛的应用提供了一定的技术指导. 实验结果同时表明:在最优分块时,并行重建加速比与样品的大小有关,样品越大,加速效果越明显;同一个样品在不同分块下重建会得到不同的加速比,这与硬件设备密切相关,而成像中孔径的数目不会对并行加速比产生明显的影响.
    Phychography is an important technique in the quantitative phase imaging research domain, which employs the illuminating probes to scan the specimen in an overlapped requirement, and the reconstruction is conducted by using the ptychographic iterative engine. But the contradiction between the imaging efficiency and quality has become a bottleneck for its wide applications. In this paper, we start with the fundamental principle of the iterative algorithms for ptychographical imaging, and propose two parallel schemes based on CPU and GPU, besides the influences of the specimen size, the number of blocks and illuminating beams on the speedup of the two schemes are investigated via simulation experiment. The result shows that the complex amplitude of the specimen can be correctly reconstructed, meanwhile, the speed is significantly improved, which reduces the time consumed by one order of magnitude. This improvement solves the above contradiction, so that we can expect to achieve quasi-real-time imaging. The experimental data also indicate that 1) in optimal partition, parallel speedup is related to the size of the specimen, bigger size is corresponding to more obvious acceleration; 2) the same specimen under different partitions will speed up to different extents, which is closely related to the experimental hardware, however the number of illuminating beams has no significant effect on the speedup.
      通信作者: 王雅丽, wangyali2003@163.com
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号:2014CB931900)、国家自然科学基金(批准号:61350014,61307018,61471338)、中国科学院青年创新促进会(批准号:2015361)和中国科学院大学校长基金、中国科学院科教结合教育创新项目.
      Corresponding author: Wang Ya-Li, wangyali2003@163.com
    • Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2014CB931900), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61350014, 61307018, 61471338), the Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences (Grant No. 2015361), the President Foundation of University of Chinese Academy of Sciences, the Fusion Foundation of Research and Education of Chinese Academy of Sciences, China.
    [1]

    Hoppe W 1969 Acta Cryst. A 25 495

    [2]

    Hoppe W 1969 Acta Cryst. A 25 508

    [3]

    Rodenburg J M, Faulkner H M L 2004 Appl. Phys. Lett. 85 4795

    [4]

    Faulkner H M L, Rodenburg J M 2004 Phys. Rev. Lett. 93 023903

    [5]

    Maiden A M, Rodenburg J M 2009 Ultramicroscopy. 109 1256

    [6]

    HumphryMJ, Kraus B, Hurst A C, Maiden A M, Rodenburg J M 2012 Nature Commun. 3 730

    [7]

    Wang Y L, Shi Y S, Li T, Gao Q K, Xiao J, Zhang S G 2013 Acta Phys. Sin. 62 064206 (in Chinese) [王雅丽, 史祎诗, 李拓, 高乾坤, 肖俊, 张三国 2013 62 064206]

    [8]

    Shi Y S, Wang Y L, Zhang S G 2013 Chin. Phys. Lett. 30 054203

    [9]

    Shi Y S, Li T, Wang Y L, Gao Q K, Zhang S G, Li H S 2013 Opt. Lett. 38 1425

    [10]

    Shi Y S, Wang Y L, Li T, Gao Q K, Wan H, Zhang S G, Wu Z B 2013 Chin. Phys. Lett. 30 074203

    [11]

    Cai J J, Li M S, Zheng F {2007 Computer Technology and Development 10 87 (in Chinese) [蔡佳佳, 李名世, 郑锋 2007 计算机技术与发展 10 87]

    [12]

    Hu X Y, Cao X L, Guo H, Chen J {2012 Chin. J. Comput. Phys. 29 522 (in Chinese) [胡晓燕, 曹小林, 郭红, 陈军 2012 计算物理 29 522]

    [13]

    Frigo M, Johnson S G 1998 Acoustics Speech and Signal Processing. Proceedings of the 1998 IEEE International Conference Seattle WA, May 12-15, 1998 p1381

    [14]

    Dong L, Ge W C, Chen K L {2010 Information Technology 4 11 (in Chinese) [董荦, 葛万成, 陈康力 2010 信息技术 4 11]

    [15]

    Yang X, Li X Y, Li J G, Ma J, Zhang L, Yang J, Du Q Ye {2014 Spectroscopy and Spectral Analysis 34 498 (in Chinese) [杨雪, 李学友, 李家国, 马骏, 张力, 杨健, 杜全叶 2014 光谱学与光谱分析 34 498]

    [16]

    Li S, Wang J, Sun H 2008 Optics and Precision Engineering 16 2414 (in Chinese) [李仕, 王晶, 孙辉 2008 光学精密工程 16 2414]

  • [1]

    Hoppe W 1969 Acta Cryst. A 25 495

    [2]

    Hoppe W 1969 Acta Cryst. A 25 508

    [3]

    Rodenburg J M, Faulkner H M L 2004 Appl. Phys. Lett. 85 4795

    [4]

    Faulkner H M L, Rodenburg J M 2004 Phys. Rev. Lett. 93 023903

    [5]

    Maiden A M, Rodenburg J M 2009 Ultramicroscopy. 109 1256

    [6]

    HumphryMJ, Kraus B, Hurst A C, Maiden A M, Rodenburg J M 2012 Nature Commun. 3 730

    [7]

    Wang Y L, Shi Y S, Li T, Gao Q K, Xiao J, Zhang S G 2013 Acta Phys. Sin. 62 064206 (in Chinese) [王雅丽, 史祎诗, 李拓, 高乾坤, 肖俊, 张三国 2013 62 064206]

    [8]

    Shi Y S, Wang Y L, Zhang S G 2013 Chin. Phys. Lett. 30 054203

    [9]

    Shi Y S, Li T, Wang Y L, Gao Q K, Zhang S G, Li H S 2013 Opt. Lett. 38 1425

    [10]

    Shi Y S, Wang Y L, Li T, Gao Q K, Wan H, Zhang S G, Wu Z B 2013 Chin. Phys. Lett. 30 074203

    [11]

    Cai J J, Li M S, Zheng F {2007 Computer Technology and Development 10 87 (in Chinese) [蔡佳佳, 李名世, 郑锋 2007 计算机技术与发展 10 87]

    [12]

    Hu X Y, Cao X L, Guo H, Chen J {2012 Chin. J. Comput. Phys. 29 522 (in Chinese) [胡晓燕, 曹小林, 郭红, 陈军 2012 计算物理 29 522]

    [13]

    Frigo M, Johnson S G 1998 Acoustics Speech and Signal Processing. Proceedings of the 1998 IEEE International Conference Seattle WA, May 12-15, 1998 p1381

    [14]

    Dong L, Ge W C, Chen K L {2010 Information Technology 4 11 (in Chinese) [董荦, 葛万成, 陈康力 2010 信息技术 4 11]

    [15]

    Yang X, Li X Y, Li J G, Ma J, Zhang L, Yang J, Du Q Ye {2014 Spectroscopy and Spectral Analysis 34 498 (in Chinese) [杨雪, 李学友, 李家国, 马骏, 张力, 杨健, 杜全叶 2014 光谱学与光谱分析 34 498]

    [16]

    Li S, Wang J, Sun H 2008 Optics and Precision Engineering 16 2414 (in Chinese) [李仕, 王晶, 孙辉 2008 光学精密工程 16 2414]

  • [1] 黄宇航, 陈理想. 基于未训练神经网络的分数傅里叶变换成像.  , 2024, 73(9): 094201. doi: 10.7498/aps.73.20240050
    [2] 齐乃杰, 何小亮, 吴丽青, 刘诚, 朱健强. 探测器光电特性对叠层相干衍射成像的影响.  , 2023, 72(15): 154202. doi: 10.7498/aps.72.20230603
    [3] 麻永俊, 李睿晅, 李逵, 张光银, 钮津, 麻云凤, 柯长军, 鲍捷, 陈英爽, 吕春, 李捷, 樊仲维, 张晓世. 基于高次谐波X射线光源的三维纳米相干衍射成像技术.  , 2022, 71(16): 164205. doi: 10.7498/aps.71.20220976
    [4] 周静, 张晓芳, 赵延庚. 一种基于图像融合和卷积神经网络的相位恢复方法.  , 2021, 70(5): 054201. doi: 10.7498/aps.70.20201362
    [5] 吴迪, 蒋子珍, 喻欢欢, 张晨爽, 张娇, 林丹樱, 于斌, 屈军乐. 基于分数阶螺旋相位片的定量相位显微成像.  , 2021, 70(15): 158702. doi: 10.7498/aps.70.20201884
    [6] 葛银娟, 潘兴臣, 刘诚, 朱健强. 基于相干调制成像的光学检测技术.  , 2020, 69(17): 174202. doi: 10.7498/aps.69.20200224
    [7] 王大勇, 李兵, 戎路, 赵洁, 王云新, 翟长超. 连续太赫兹波双物距叠层定量相衬成像.  , 2020, 69(2): 028701. doi: 10.7498/aps.69.20191310
    [8] 李元杰, 何小亮, 孔艳, 王绶玙, 刘诚, 朱健强. 基于电子束剪切干涉的PIE成像技术研究.  , 2017, 66(13): 134202. doi: 10.7498/aps.66.134202
    [9] 戚俊成, 陈荣昌, 刘宾, 陈平, 杜国浩, 肖体乔. 基于迭代重建算法的X射线光栅相位CT成像.  , 2017, 66(5): 054202. doi: 10.7498/aps.66.054202
    [10] 张义招, 包芸. 三维湍流Rayleigh-Bénard热对流的高效并行直接求解方法.  , 2015, 64(15): 154702. doi: 10.7498/aps.64.154702
    [11] 林晨森, 陈硕, 李启良, 杨志刚. 耗散粒子动力学GPU并行计算研究.  , 2014, 63(10): 104702. doi: 10.7498/aps.63.104702
    [12] 刘宏展, 纪越峰. 一种基于角谱理论的改进型相位恢复迭代算法.  , 2013, 62(11): 114203. doi: 10.7498/aps.62.114203
    [13] 刘诚, 潘兴臣, 朱健强. 基于光栅分光法的相干衍射成像.  , 2013, 62(18): 184204. doi: 10.7498/aps.62.184204
    [14] 杨振亚, 郑楚君. 基于压缩传感的纯相位物体相位恢复.  , 2013, 62(10): 104203. doi: 10.7498/aps.62.104203
    [15] 王雅丽, 史祎诗, 李拓, 高乾坤, 肖俊, 张三国. 可见光域叠层成像中照明光束的关键参量研究.  , 2013, 62(6): 064206. doi: 10.7498/aps.62.064206
    [16] 范家东, 江怀东. 相干X射线衍射成像技术及在材料学和生物学中的应用.  , 2012, 61(21): 218702. doi: 10.7498/aps.61.218702
    [17] 江浩, 张新廷, 国承山. 基于菲涅耳衍射的无透镜相干衍射成像.  , 2012, 61(24): 244203. doi: 10.7498/aps.61.244203
    [18] 廖臣, 刘大刚, 刘盛纲. 三维电磁粒子模拟并行计算的研究.  , 2009, 58(10): 6709-6718. doi: 10.7498/aps.58.6709
    [19] 黄燕萍, 祁春媛. 用相位恢复方法测量多孔光纤的三维折射率分布.  , 2006, 55(12): 6395-6398. doi: 10.7498/aps.55.6395
    [20] 于 斌, 彭 翔, 田劲东, 牛憨笨. 硬x射线同轴相衬成像的相位恢复.  , 2005, 54(5): 2034-2037. doi: 10.7498/aps.54.2034
计量
  • 文章访问数:  6328
  • PDF下载量:  441
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-29
  • 修回日期:  2016-05-22
  • 刊出日期:  2016-08-05

/

返回文章
返回
Baidu
map