基于二级并行架构的颗粒全息图快速重建方法

浦世亮，金其文，陈晓锋，毛 慧，吴学成*

(1.杭州海康威视数字技术股份有限公司，杭州 310051；2.浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310027)

引 言

全息术作为一种3维照像技术，自发明以来经过记录介质的更新换代，由光学全息发展为数字全息，并广泛地应用在流场和颗粒场测量领域[1-2]。数字全息技术测量颗粒场的优势在于可同时测量3维空间中的颗粒位置、形貌、粒径参量，结合粒子图像/轨迹测速(particle image/trackingvelocimetry,PIV/PTV)还可进一步测量速度、旋转等参量。然而数字全息技术的重建过程需要大量的计算时间，全息图数量越多、分辨率越高、重建截面越多，计算耗时也迅速增加。这限制了全息技术应用于工业过程中颗粒场实时在线监测[3]。

为了提高全息重建的速度，国内外的研究人员已经开展了相关的研究工作。加快重建速度一般可以从两方面着手：一方面是采用性能更强的计算硬件，比如采用图形处理单元(graphics processing unit,GPU)[4-7]和大规模可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)[8]；另一方面是优化重建算法和并行架构，比如采用多线程编译框架(open multi-processing,OpenMP)。其中，GPU技术由于具有开发过程更为简单和可移植性更强的优点[9]，已经被广泛使用，一般需要搭配NVIDIA显卡的统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)[10]。

快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)是全息重建中的主要耗时算法，MASUDA等人[8]设计的全息PTV系统，FFT 由FPGA芯片完成，对于256×256的全息图，重建100个截面的时间为266ms。ZHANG等人[11]比较了CPU和GPU进行全息重建的计算性能，使用OpenMP多线程技术进行算法优化，重建速度显著增加。YAMAMOTO等人[12]发展了一种用于高速全息3维成像的专用计算机，包括4个计算模块，重建速度相比于普通计算机提高了68倍。……