文物数字化对于文物的研究、保护具有重要意义。传统的数字化技术多采用三维激光扫描技术,但该技术不能展示物体的内部结构信息。CT(Computed Tomography)技术,即计算机断层成像技术,可以在无损的情况下通过断层灰度图像呈现物体的内部结构,因此CT技术被逐渐应用于文物数字化领域。CT技术的核心是图像重建算法,主要分为两种:解析法与迭代法。解析法可以在较短时间内重建出较为理想的图像,但对投影数据的完备性要求较高,且抗噪性较弱。迭代法不仅抗噪性强,并且适合于不完备投影情况下的图像重建,因此迭代算法逐渐成为CT图像重建中的研究热点。代数重建算法(Algebraic Reconstruction Techniques,ART)是一种典型的迭代算法。在ART算法中,投影系数的计算方法对重建质量与重建速度都有很大的影响。传统的线积分模型通过计算射线与像素相交长度确定像素对投影的贡献,这种系统矩阵下多采用Siddon算法来计算投影系数。由于Siddon投影算法使用近邻插值,重建效果并不理想。而同属于线积分模型的Joseph投影算法采用线性插值,相较于Siddon算法重建效果更为理想,但Joseph算法计算量大,重建速度较慢。针对该问题,本文通过快速投影算法的设计和并行加速来实现基于Joseph快速投影算法的ART算法快速图像重建,论文的主要工作如下:(1)提出了一种二维扇形束Joseph快速投影算法。传统Joseph算法计算投影系数效率较低,本文提出了一种根据距离增量求投影系数的方法。通过二维坐标系下的直线方程,计算出在X/Y方向上每经过相同距离时另一方向的增量,并用其与像素边长作比较以判断射线穿过像素的情况。该方法可以快速计算权因子及对应的像素索引。实验结果表明,该方法可以将ART算法的重建速度提高一倍,且在投影的计算上取得了接近4倍的加速比。(2)提出了一种三维锥束情况下快速Joseph投影算法。通过三维坐标系下的射线方程,先确定射线在XOY平面上的投影方向,以及射线与重建区域边界相交情况。再计算XOY平面上,在投影方向上每经过相同距离时的距离增量,使用该增量与体素尺寸比较从而确定射线与同层体素相交情况,并使用双线性插值计算对应体素的权因子。再根据XOY平面上的距离增量确定Z方向上的距离增量,并用其与体素尺寸作比较,判断射线是否与下一层体素相交。实验结果表明,相较于采用传统Joseph算法的ART算法,采用该算法的ART算法在整体重建上取得了2.2倍的加速比,在投影的计算上取得了4倍的加速比。(3)提出了一种多核加速的锥束ART算法快速并行图像重建。虽然本文对投影算法作出改进,但ART算法重建速度仍然较慢。针对该问题,本文使用Open MP技术对基于Joseph投影算法的锥束ART算法进行多核并行加速。按照探测器平面的射线数进行任务划分,并且为了解决各线程间负载不均衡的问题,预先计算每个角度下每条射线相交的体素数,使用相交体素数平均划分计算任务。实验结果表明,在六核情况下,相较于串行ART算法取得了4倍以上的加速比。