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螺旋锥束CT三维重建中高速流水线DHT的硬件设计与实现

作　者: 汪建南
导　师: 张岩
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 螺旋锥束CT Katsevich算法 DHT FPGA
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 38次
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内容摘要


随着多层螺旋CT(Computed Tomography)的出现,医用CT正在向着螺旋锥束CT转变。用螺旋锥束扫描方式重建得到的图像具有扫描速度快、空间分辨率高等优点,但由于这种成像方式在理论上比较复杂,技术实现也有相当大的难度,尤其在实现的速度方面一直是个难以突破的瓶颈,其中希尔伯特滤波和反投影成像是制约实时性的两个关键步骤。本文是对其中希尔伯特滤波部分做的探索性研究。本文作为螺旋锥束CT(CBCT)三维重建的FPGA硬件加速系统的一部分,研究了Katsevich精确重建算法中滤波部分离散希尔伯特变换的实现方法,提出了高速流水线硬件结构。通过对以此课题为背景的探索,同时提出了离散希尔伯特变换的高速硬件设计方法,并在FPGA平台上成功实现。本文研究内容主要包含以下三个部分:首先,深入研究了螺旋锥束CT Katsevich算法成像过程中的关键步骤,并对希尔伯特滤波及其三种实现方法作了深入剖析和对比,阐述了选取傅里叶变换的方法实现离散希尔伯特变换的理由。其次,对傅里叶变换的几种快速算法进行了展开比较,最终提出使用Winograd算法和CORDIC算法实现流水线DHT,并对具体实现方法进行了深入探讨,最终完成各个部分的设计工作,功能仿真通过。最后在基于Xilinx公司Virtex-5系列XC5VLX50T FPGA器件的ISE10.1环境中实现了其硬件结构。最终仿真正确,综合结果Slice使用率约为50%,最高工作频率可达200MHz,并将整个设计在ML-561开发板上测试通过。本文设计的高速流水线结构的离散希尔伯特变换,具有较大的实际意义,为今后螺旋锥束CT三维图像重建的整体实时实现提供了良好条件,并且在实时性和成本上都有一定的优势,具备良好的应用前景。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-13
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 国内外相关技术发展历史和现状  9-11
  1.3 本课题研究的目的及意义  11-12
  1.4 本文主要研究内容  12-13
第2章 Katsevich三维重建算法及DHT的实现方式  13-29
  2.1 引言  13-14
  2.2 CBCT原理介绍  14-15
  2.3 螺旋锥束CT中的Katsevich算法  15-22
    2.3.1 Katsevich算法的基本概念  16-19
    2.3.2 Katsevich螺旋CT非移变FBP算法  19-22
  2.4 离散希尔伯特变换滤波的实现方式  22-28
    2.4.1 希尔伯特变换的定义  22-23
    2.4.2 Hartley变换实现DHT  23-24
    2.4.3 脉动阵列实现DHT  24-27
    2.4.4 FFT实现DHT  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章 高速流水线结构DHT的设计  29-44
  3.1 流水线结构DHT的基本设计原理  29-30
    3.1.1 硬件结构设计  29-30
  3.2 DHT中FFT/IFFT的设计  30-43
    3.2.1 离散傅里叶变换的基本原理  30
    3.2.2 离散傅里叶变换的快速算法  30-34
    3.2.3 离散傅里叶变换的实现方式  34-36
    3.2.4 Winograd小点FFT快速算法  36-38
    3.2.5 CORDIC角度旋转算法  38-41
    3.2.6 基于Winograd算法和CORDIC算法的FFT/IFFT设计  41-43
  3.3 基于Winograd算法和CORDIC算法的DHT  43
  3.4 本章小结  43-44
第4章 DHT中各模块的RTL设计和功能仿真  44-51
  4.1 FFT-4 和FFT-8 模块的设计  44-47
  4.2 倒序存储器的设计  47
  4.3 基于CORDIC的旋转因子乘法模块实现  47-49
  4.4 总体仿真及综合分析  49-50
  4.5 本章小结  50-51
第5章 基于Xilinx ML-561 开发板的FPGA测试平台的搭建和实现  51-61
  5.1 FPGA硬件平台  51-55
    5.1.1 FPGA硬件平台的总体设计  52-53
    5.1.2 UART接口设计  53-55
  5.2 测试结构及性能分析  55-60
    5.2.1 高速全流水结构DHT的综合结果分析  55-56
    5.2.2 系统测试结果的DHT运算速度分析  56-60
  5.3 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-65
附录1 FFT-4 和FFT-8 模块的部分RTL代码  65-70
攻读硕士学位期间发表的论文  70-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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