一種用于圖像分析的高性能計算框架方法及系統技術方案
【技術實現步驟摘要】
一種用于圖像分析的高性能計算框架方法及系統
本專利技術涉及生物信息學以及高性能計算異構并行加速
，特別是涉及一種用于圖像分析的高性能計算框架方法及系統。
技術介紹
在生物信息學，尤其是發育學的研究中，分析的生物數據往往是通過各種具有諸如雙光子、共聚焦、超分辨等技術的顯微鏡采集得到的熒光圖像。對于這些熒光圖像，可以使用多種圖像分析與處理技術，通過對圖像中的細胞進行觀測、追蹤與分析，進而分析在相應的組織以及器官的生長發育過程中，細胞的生長以及變化過程。而圖像分析與處理的過程，通常需要根據待分析數據的實際情況，使用多種圖像處理操作。在圖像處理與研究中，經常使用的圖像處理操作有圖像對準、圖像去噪、反卷積、圖像分割、目標檢索、興趣域追蹤、圖像建模等操作。對于每一種圖像處理操作，都對應著大量的算法與方法可供選擇。多種圖像處理操作組合在一起，就形成一個圖像處理的流程。圖像經過不同的圖像處理步驟的逐步處理，可以產生截然不同的結果。在實踐中，對于一個實際的圖像分析問題，往往需要根據實際問題和圖像自身的特點，選擇合適的圖像處理操作，并組合使用多種圖像處理與分析技術與算法，形成自身需要的圖像處理過程，才可以得到比較滿意的處理效果，進而從中分析出數據采集者需要的信息。這就導致對于不同的圖像處理與分析任務，開發人員都會開發與之相對應的處理過程，來處理和分析自己采集得到的圖像數據。然而實際上，分析不同數據的圖像處理過程中，往往有大量的步驟或者處理是重復的，但是由于開發人員彼此之間的交流非常有限，導致不同的圖像處理操作的復用性非常低。即使采用相同的技術或者算法實現的圖像處理操作，...
【技術保護點】
一種用于圖像分析的高性能計算框架系統，其特征在于，該框架系統包括：第一接收模塊，用于接收用戶向集群提交待處理的圖像文件以及圖像處理任務要求；第一分析模塊，用于根據集群配置，并結合任務調度與管理機制，生成單時間點細胞分割任務列表，并根據該任務列表、該圖像文件和該圖像處理任務要求，分析得出需要處理的全部的單時間點的細胞分割任務；第一分配模塊，用于根據該任務調度與管理機制、集群包含的節點的數目，將該細胞分割任務分配到每個對應的計算節點；第一階段模塊，用于根據該細胞分割任務的設置和該計算節點的實際情況，組裝符合該計算節點特點的第一圖像處理流水線，執行細胞分割任務，生成單時間點細胞分割結果；第一提交模塊，用于向計算框架提交該單時間點細胞分割結果；第一判斷模塊，用于根據該任務調度與管理機制，判斷當前總體的圖像分割任務列表是否為空，如果不為空，則根據各個節點的當前情況，進行新的任務調度與分配，直到該圖像分割任務列表為空，全部的任務執行完成為止，如果為空，則調用第二分析模塊；第二分析模塊，用于根據集群配置，并結合任務調度與管理機制，生成多時間點細胞追蹤的任務列表，并根據該任務列表、該圖像文件和該圖像處...
【技術特征摘要】
1.一種用于圖像分析的高性能計算框架系統，其特征在于，該框架系統包括：第一接收模塊，用于接收用戶向集群提交待處理的圖像文件以及圖像處理任務要求；第一分析模塊，用于根據集群配置，并結合任務調度與管理機制，生成單時間點細胞分割任務列表，并根據該任務列表、該圖像文件和該圖像處理任務要求，分析得出需要處理的全部的單時間點的細胞分割任務；第一分配模塊，用于根據該任務調度與管理機制、集群包含的節點的數目，將該細胞分割任務分配到每個對應的計算節點；第一階段模塊，用于根據該細胞分割任務的設置和該計算節點的實際情況，組裝符合該計算節點特點的第一圖像處理流水線，執行細胞分割任務，生成單時間點細胞分割結果；第一提交模塊，用于向計算框架提交該單時間點細胞分割結果；第一判斷模塊，用于根據該任務調度與管理機制，判斷當前總體的圖像分割任務列表是否為空，如果不為空，則根據各個節點的當前情況，進行新的任務調度與分配，直到該圖像分割任務列表為空，全部的任務執行完成為止，如果為空，則調用第二分析模塊；第二分析模塊，用于根據集群配置，并結合任務調度與管理機制，生成多時間點細胞追蹤的任務列表，并根據該任務列表、該圖像文件和該圖像處理任務要求，分析得出需要處理的全部的多時間點的細胞追蹤任務；匯總模塊，用于匯總屬于該圖像處理任務的多個該細胞分割結果；第二分配模塊，用于根據該任務調度與管理機制、集群包含的節點的數目，將該細胞追蹤任務分配到每個對應的計算節點；第二階段模塊，用于根據該細胞追蹤任務的設置和該計算節點的實際情況，組裝符合該計算節點特點的第二圖像處理流水線，對匯總的多個該細胞分割結果，執行細胞追蹤任務，生成細胞追蹤結果；建立模塊，用于根據該細胞追蹤結果，建立世系關系圖；第二提交模塊，用于向計算框架提交該細胞追蹤結果與世系關系圖；第二判斷模塊，用于根據該任務調度與管理機制，判斷當前總體的細胞追蹤任務列表是否為空，如果不為空，則根據各個節點的當前情況，進行新的任務調度與分配，直到該細胞追蹤任務列表為空，全部的任務執行完成為止，如果為空匯總并保存全部的數據結果，終止整體框架的運行，其中數據結果包括細胞分割結果、細胞追蹤結果與世系關系圖。2.如權利要求1所述的用于圖像分析的高性能計算框架系統，其特征在于，該第一階段模塊，包括：讀取模塊，用于讀取單個時間點的三維立體圖像棧，對該圖像棧中的每一個體像素分配一個索引，并將每一個該體像素編入一個索引編號隊列；中值濾波模塊，用于讀取該圖像棧中的每一個該體像素的亮度值，并對該圖像棧中的每一個圖像進行中值濾波操作并發送給候選點提取模塊，其中該中值濾波操作包括，去除該圖像中的椒鹽噪聲和圖像平滑；候選點提取模塊，用于對該圖像棧中亮度值大于用戶指定閾值的體像素進行提取，生成候選點集合；分水嶺分割模塊，用于接收該候選點集合，并對該候選點集合使用三維分水嶺算法進行候選點圖像分割，生成超體像素集合；聚合聚類模塊，用于分析該超體像素集合，根據不同超體像素間的最低亮度差值與鄰接區域亮度值的差值，建立系統樹圖；系統樹圖分割模塊，用于根據用戶指定的超體像素允許合并的亮度差值，對該系統樹圖進行分割，生成單個時間點細胞分割結果；第一保存模塊，用于接收該細胞分割結果，并將細胞分割結果進行保存。3.如權利要求2所述的用于圖像分析的高性能計算框架系統，其特征在于，該中值濾波模塊，包括圖像輸入接口模塊、圖像輸出接口模塊以及計算節點環境檢測模塊，其中，計算節點環境檢測模塊，用于讀取當前計算節點的運行環境，并根據該環境加載對應的加速優化代碼；圖像輸入接口模塊、圖像輸出接口模塊，分別用于用戶輸入圖像和輸出處理之后的圖像。4.如權利要求1所述的用于圖像分析的高性能計算框架系統，其特征在于，該第二階段模塊，包括：準備模塊，用于匯總該細胞分割結果，準備進行多個時間點的細胞追蹤分析；高斯模型初始化模塊，用于將每個該細胞分割結果作為一個高斯混合模型進行分析，生成對應的高斯混合模型；高斯模型推導模塊，用于對該高斯混合模型進行參數推導，獲得跨越時間點的細胞追蹤信息和推導高斯混合模型；細胞分裂檢測模塊，用于使用大津閾值法對于該高斯模型包含的超體像素進行分析，形成對應的子高斯混合模型，并將所有的該高斯混合模型匯總，作為細胞分裂信息；規則庫優化模塊，用于對該高斯混合模型、該推導高斯混合模型和該子高斯混合模型進行分析判斷，去除其中不符合條件的模型，保留符合條件的合格高斯混合模型；世系生成模塊，用于根據該合格高斯混合模型、該細胞追蹤信息以及該細胞分裂信息，建立每一次細胞分裂的世系關系圖；第二保存模塊，用于保存得到的該細胞追蹤信息、該細胞分裂信息以及該世系關系圖。5.如權利要求4所述的用于圖像分析的高性能計算框架系統，其特征在于，該規則庫優化模塊中的分析判斷，具體為，將該高斯混合模型、該推導高斯混合模型和該子高斯混合模型與用戶指定高斯混合模型尺寸閾值、模型持續時間閾值，以及細胞分裂產生的子模型...
【專利技術屬性】
技術研發人員：譚光明，苑魯峰，
申請(專利權)人：中國科學院計算技術研究所，
類型：發明
國別省市：北京,11
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