include/ir.h

   1 /* FILE IDENTIFICATION
   2  *
   3  *      Name:         ir.h          Header File for Image Reconstruction System
   4  *      Programmer:   Kevin Rosenberg
   5  *      Date Started: 7-1-84
   6  *      Last Change:  1-20-85
   7  */
   8
   9 #ifndef IR_H
  10 #define IR_H
  11
  12 #ifdef MPI_CT
  13 #define MPI_MAX_PROCESS 128
  14 struct mpi_ct_st
  15 {
  16   int my_rank;
  17   int nproc;
  18   int base_local_work_units;
  19   int remainder_work_units;
  20   int local_work_units[MPI_MAX_PROCESS];
  21   int start_work_unit[MPI_MAX_PROCESS];
  22   MPI_Comm comm;
  23 };
  24
  25 extern struct mpi_ct_st mpi_ct;
  26 void mpi_ct_calc_work_units(const unsigned int global_work_units);
  27 #endif
  28
  29
  30 struct histo_st {
  31     int *b;                     /* Histogram array (# of elements in each bin) */
  32     int nbin;                   /* Number of histogram bins */
  33     double xmin, xmax, xinc;    /* Limits of histogram boundaries */
  34 };
  35
  36 typedef struct histo_st HISTOGRAM;
  37
  38 /*---------------------------------------------------------------------------*/
  39
  40 #define POINTS_PER_CIRCLE  36
  41
  42 #define MAXREMARK       99
  43 #define LENREMARK       (MAXREMARK+1)
  44 #define IMAGE_VAL       FMTX_2D         /* use 2d floating point matrix */
  45 #define IMAGE_ELEM_TYPE DT_FLOAT        /* use floats for images */
  46 typedef float IMAGE_ELEM_VAL;           /* use floats for image storing */
  47
  48 struct image_st {
  49     IMAGE_VAL v;                        /* values of voxels in matrix form */
  50     SDF_2D *dfp_2d;                     /* Pointer to disk image file */
  51     int nx, ny;                         /* size of voxel matrix */
  52     double xmin, xmax, ymin, ymax;      /* extent of voxel matrix in pic coord */
  53     char remark[LENREMARK];             /* description of voxel data */
  54     float calctime;                     /* time to calculate voxels in seconds */
  55 };
  56
  57 struct object_st {
  58     int type;                      /* object type (box, ellipse, etc) */
  59     double atten;                  /* X-ray attenuation coefficient */
  60     double cx,cy;                  /* center of object */
  61     double u,v;                    /* size of object */
  62     double rot;                    /* object rotation angle (in radians) */
  63     double *x, *y;                 /* ptr to array of points in obj world coord */
  64     int pts;                       /* number of points in outline arrays */
  65     double xmin, xmax, ymin, ymax; /* object limits */
  66     double radius;                 /*   "   */
  67     struct {                       /* transform matrices        */
  68         GRFMTX_2D p_to_o;          /* map from pic to standard obj coords */
  69         GRFMTX_2D o_to_p;          /* map from std object coords to pic coords */
  70     } xform;
  71     struct object_st *next;       /* pointer to next object in picture */
  72 };
  73
  74 typedef struct object_st OBJECT;
  75
  76 struct pic_st {                    /* Picture structure */
  77     OBJECT *objlist;               /* object list */
  78     int type;
  79     int numobj;                    /* number of objects in picture */
  80     double xmin, xmax, ymin, ymax; /* extent of objects in object coordinates */
  81     double radius;                 /*     " "    */
  82 };
  83
  84 typedef struct image_st  IMAGE;
  85 typedef struct pic_st    PICTURE;
  86
  87 #define P_OBJECTS       0       /* Picture made of objects */
  88 #define P_UNIT_PULSE    1       /* Special picture, not made of objects */
  89 #define P_FILTER        9       /* defined only by a type */
  90
  91 /*----------------------------------------------------------------------*/
  92 /*                              RAYSUM SYMBOLS                          */
  93 /*----------------------------------------------------------------------*/
  94
  95 /* Ray sums are collected along an array of ndet detectors.  The data
  96  * for these detectors is stored in the structure DETECTARRAY
  97  */
  98
  99 #define DETECT_TYPE float
 100
 101 struct detarray_st {
 102   DETECT_TYPE *detval;  /* Pointer to array of values recorded by detector */
 103   int ndet;                     /* Number of detectors in array */
 104   double view_angle;    /* View angle in radians */
 105 };
 106
 107 struct detect_st {
 108   int ndet;                     /* Number of detectors in array */
 109   int nview;                    /* Number of rotated views */
 110   int nsample;                  /* Number of rays per detector */
 111   double detlen;                /* Total length of detector array */
 112   double rotlen;                /* Rotation angle length in radians (norm 2PI) */
 113   double det_inc;               /* Increment between centers of detectors */
 114   double rot_inc;               /* Increment in rotation angle between views */
 115   double radius;                /* Radius of rotation.  Distance from */
 116                                 /*   center of pic to center of det */
 117   double piclen;                /* Maximum Length of picture or area of interest */
 118   struct {
 119     double xd1,yd1,xd2,yd2;     /* Coordinates of detector endpoints */
 120     double xs1,ys1,xs2,ys2;     /* Coordinates of source endpoints */
 121     double angle;               /* Starting angle */
 122   } init;
 123 };
 124
 125 struct raysum_st {
 126   int fd;
 127   int file_mode;
 128   int header_size;
 129   struct detarray_st **view;    /* Pointer to array of detarray_st pointers */
 130
 131   char remark[LENREMARK];       /* description of raysum data */
 132   double calctime;              /* time required to calculate raysums */
 133
 134   int ndet;                     /* number of detectors in array */
 135   int nview;                    /* number of rotated views */
 136   double rot_start;             /* starting view rotation */
 137   double rot_inc;               /* angle between rotations */
 138   double det_start;             /* distance of beginning detector to center */
 139                                 /*    of picture */
 140   double det_inc;               /* increment between detectors */
 141   double piclen;                /* Length of picture edge (pic is square) */
 142 };
 143
 144 typedef struct detarray_st DETARRAY;
 145 typedef struct detect_st   DETECTOR;
 146 typedef struct raysum_st   RAYSUM;
 147
 148 /*----------------------------------------------------------------------*/
 149 /*                              USER SYMBOLS                            */
 150 /*----------------------------------------------------------------------*/
 151
 152 /* codes for object types, passed to add_obj() */
 153
 154 #define O_RECTANGLE  1
 155 #define O_TRIANGLE   2
 156 #define O_ELLIPSE    3
 157 #define O_SECTOR     4
 158 #define O_SEGMENT    5
 159
 160 /* Codes for Coordinate Types      */
 161 /* Defines coords for inside_obj() */
 162
 163 #define OBJ_COORD -1            /* Normalized Object Coordinates */
 164 #define PIC_COORD -2            /* User's Picture Coordinates */
 165
 166 /* Codes for Filter types */
 167
 168 #define W_BANDLIMIT     1       /* filter types for genfilter() */
 169 #define W_SINC          2
 170 #define W_G_HAMMING     3
 171 #define W_COSINE        4
 172 #define W_TRIANGLE      5
 173
 174 #define W_A_BANDLIMIT   11      /* filters times abs() of function */
 175 #define W_A_SINC        12
 176 #define W_AG_HAMMING    13
 177 #define W_A_COSINE      14
 178
 179 #define W_SHEPP         21
 180
 181 /* function domains */
 182
 183 #define O_FREQ_STR      "freq"
 184 #define O_SPATIAL_STR   "spatial"
 185
 186 #define D_FREQ          1       /* Domain names */
 187 #define D_SPATIAL       2
 188
 189 /* function symmetry */
 190
 191 #define FUNC_EVEN       1       /* function types, f[-n] = f[n] */
 192 #define FUNC_ODD        2       /* f[-n] = -f[n] */
 193 #define FUNC_BOTH       3       /* function has both odd & even components */
 194
 195 /* interpolation methods */
 196
 197 #define I_NEAREST       1       /* Interpolation methods */
 198 #define I_LINEAR        2       /* Linear interpolation */
 199 #define I_BSPLINE       3
 200 #define I_1BSPLINE      3       /* 1st order B-Spline */
 201 #define I_2BSPLINE      4
 202 #define I_3BSPLINE      5
 203
 204 /* Constants for sizing picture */
 205
 206 #define PERCENT_PIC_SIZE_INCR   0.0     /* Fractional increase in picture */
 207                                         /* limits compared to object size */
 208 #define N_EXTRA_DETECTORS         4     /* Number of extra detectors */
 209                                         /* widths when calculating detlen */
 210
 211 #define DET_PARALLEL 1
 212 #define DET_FAN      2
 213
 214 #define O_TRACE_NONE_STR     "none"
 215 #define O_TRACE_TEXT_STR     "text"
 216 #define O_TRACE_PIC_STR      "pic"
 217 #define O_TRACE_RAYS_STR     "rays"
 218 #define O_TRACE_PLOT_STR     "plot"
 219 #define O_TRACE_CLIPPING_STR "clipping"
 220
 221
 222 #define TRACE_NONE     0                /* No tracing */
 223 #define TRACE_TEXT     1                /* Minimal status */
 224 #define TRACE_PIC      2                /* Show picture */
 225 #define TRACE_RAYS     3                /* Show all rays */
 226 #define TRACE_PLOT     4                /* Plot raysums */
 227 #define TRACE_CLIPPING 5                /* Plot clipping */
 228
 229 #define O_PIC_HERMAN    1               /* Herman head phantom */
 230 #define O_PIC_ROWLAND   2               /* Rowland head phantom */
 231 #define O_PIC_BROWLAND  3               /* Bordered Rowland head phantom */
 232 #define O_PIC_UNITPULSE 4               /* Unit pulse phantom */
 233
 234 #define O_PIC_HERMAN_STR    "herman"
 235 #define O_PIC_ROWLAND_STR   "rowland"
 236 #define O_PIC_BROWLAND_STR  "browland"
 237 #define O_PIC_UNITPULSE_STR "unitpulse"
 238
 239 #define O_INTERP_NEAREST_STR  "nearest"
 240 #define O_INTERP_LINEAR_STR   "linear"
 241 #define O_INTERP_BSPLINE_STR  "bspline"
 242
 243 #define O_FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR "abs_bandlimit"
 244 #define O_FILTER_ABS_SINC_STR      "abs_sinc"
 245 #define O_FILTER_ABS_COS_STR       "abs_cos"
 246 #define O_FILTER_ABS_HAMMING_STR   "abs_hamming"
 247 #define O_FILTER_SHEPP_STR         "shepp"
 248 #define O_FILTER_BANDLIMIT_STR     "bandlimit"
 249 #define O_FILTER_SINC_STR          "sinc"
 250 #define O_FILTER_COS_STR           "cos"
 251 #define O_FILTER_HAMMING_STR       "hamming"
 252 #define O_FILTER_TRIANGLE_STR      "triangle"
 253
 254 #define O_BPROJ_TRIG   1
 255 #define O_BPROJ_TABLE  2
 256 #define O_BPROJ_DIFF   3
 257 #define O_BPROJ_DIFF2  4
 258 #define O_BPROJ_IDIFF2 5
 259
 260 #define O_BPROJ_TRIG_STR     "trig"
 261 #define O_BPROJ_TABLE_STR    "table"
 262 #define O_BPROJ_DIFF_STR     "diff"
 263 #define O_BPROJ_DIFF2_STR    "diff2"
 264 #define O_BPROJ_IDIFF2_STR   "idiff2"
 265
 266 #define RS_TRACE_ROW_TITLE      1
 267 #define RS_TRACE_ROW_TITLE2     2
 268 #define RS_TRACE_ROW_PHANT_ID   4
 269 #define RS_TRACE_ROW_CHROMATIC  7
 270 #define RS_TRACE_ROW_SCATTER    8
 271 #define RS_TRACE_ROW_PHOT_STAT  9
 272 #define RS_TRACE_ROW_NDET       12
 273 #define RS_TRACE_ROW_NVIEW      13
 274 #define RS_TRACE_ROW_SAMPLES    14
 275 #define RS_TRACE_ROW_CURR_VIEW  17
 276 #define RS_TRACE_ROW_ATTEN      18
 277
 278
 279 /*----------------------------------------------------------------------*/
 280 /*                      GRAY SCALE STRUCTURES                           */
 281 /*----------------------------------------------------------------------*/
 282
 283 #define GS_MAX_CELL_SIZE   4
 284
 285 typedef int GS_BITMASK[4][4];
 286
 287 struct greyscale_st {
 288     int dev;                            /* Device to output to */
 289     int (*dotfunc)(int x, int y, int color);                    /* Pointer to dot function for device */
 290     int cur_x, cur_y;                   /* Current cell location */
 291     int nxcell, nycell;                 /* size of cell in pixels */
 292     int xmin, ymin;                     /* starting position of grey scale */
 293     int num_color;                      /* Number of primary colors available */
 294     int num_intens;                     /* Number of intensities available */
 295     int max_level;                      /* gs levels range from 0 to max_level */
 296     char *fg_color_tbl;                 /* Hold foreground color for each level */
 297     char *bg_color_tbl;                 /* Holds background color */
 298     char *level_sub_tbl;                /* Holds value to subtract for level */
 299                                         /* before accessing bit mask */
 300     GS_BITMASK *bm;                     /* Holds grey-scale bit mask */
 301     struct greyscale_st *next_dev;      /* Pointer to next open device */
 302                                         /* == NULL when no more devices */
 303 };
 304
 305 typedef struct greyscale_st GREYSCALE;
 306
 307
 308 /* From reconstr.c */
 309 IMAGE *image_reconst (IMAGE *im, RAYSUM *rs, int filt_type, double filt_param, int interp_type, int interp_param, const int backproj_type, int ir_trace);
 310
 311 /* From bproj.c */
 312 void backproj_init (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const int bproj_method);
 313 int  backproj_calc (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t, const double view_angle,
 314                     const int interp_type, const int bproj_method);
 315 void backproj_term (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const int bproj_method);
 316
 317 void backproj_init_trig (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 318 int  backproj_calc_trig (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 319                          const double view_angle, const int interp_type);
 320 void backproj_term_trig (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 321 void backproj_init_table (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 322 int  backproj_calc_table (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 323                           const double view_angle, const int interp_type);
 324 void backproj_term_table (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 325 void backproj_init_d (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 326 int  backproj_calc_d (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 327                       const double view_angle, const int interp_type);
 328 void backproj_term_d (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 329 void backproj_init_d2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 330 int  backproj_calc_d2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 331                        const double view_angle, const int interp_type);
 332 void backproj_term_d2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 333 void backproj_init_id (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 334 int  backproj_calc_id (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 335                        const double view_angle, const int interp_type);
 336 void backproj_term_id (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 337 void backproj_init_id2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 338 int  backproj_calc_id2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 339                         const double view_angle, const int interp_type);
 340 void backproj_term_id2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 341
 342 void usage (const char *program);
 343 int main(const int argc, char * const argv[]);
 344
 345
 346
 347 /* bspline.c */
 348 int bspline(int samples, int zoom_factor, int spline_order, double input[], double output[]);
 349 /* clip.c */
 350 int inside_obj(const OBJECT *obj, double x, double y, const int coord_type);
 351 int clipsegment(double *x1, double *y1, double *x2, double *y2, const double u, const double v);
 352 int clipsector(double *x1, double *y1, double *x2, double *y2, const double u, const double v);
 353 int clipcircle(double *x1, double *y1, double *x2, double *y2, const double cx, const double cy, const double radius, double t1, double t2);
 354 int cliptriangle(double *x1, double *y1, double *x2, double *y2, const double u, const double v, const int clip_xaxis);
 355 /* convolve.c */
 356 double convolve(const double f1[], const double f2[], const double dx, const int n, const int np, const int func_type);
 357 double convolve_both(const double f1[], const double f2[], const double dx, const int n, const int np);
 358 /* ctsub.c */
 359 OBJECT *alloc_obj(int n);
 360 void dminmax(const double array[], const int pts, double *xmin, double *xmax);
 361 void rotate2d(double x[], double y[], int pts, double angle);
 362 void xlat2d(double x[], double y[], int pts, double xoffset, double yoffset);
 363 void scale2d(double x[], double y[], int pts, double xfact, double yfact);
 364 int circle_pts(double theta);
 365 /* filt.c */
 366 const char *interp_name_of(int interp_type);
 367 const char *filter_name_of(int filt_type);
 368 int interp_select(void);
 369 int filter_select(double *filt_param);
 370 double d_filtfunc(int filt_type, double x, double bw, double param, int n);
 371 double filter_freq(int filt_type, double u, double bw, double param);
 372 double a_filtfunc(int filt_type, double x, double bw, double param);
 373 double sinc(double x, double mult);
 374 double abscos_int(double u, double w);
 375 double *filter_generate(int filt_type, double bw, double xmin, double xmax, int n, double param, int domain, int numint);
 376 void image_filter_init(IMAGE *im, int domain, double bw, int filt_type, double filt_param, int opt_trace);
 377 /* im_draw.c */
 378 void image_show(IMAGE *im, int nxcell, int nycell, double densmin, double densmax, bool disp_scale);
 379 int image_paint(int dev, IMAGE *im, int xmin, int ymin, int nxcell, int nycell, double densmin, double densmax, bool disp_scale);
 380 int gs_image(GREYSCALE *gs, IMAGE *im, double densmin, double densmax, bool disp_scale);
 381 void paint_cscale(GREYSCALE *gs, int nx, int ny);
 382 GREYSCALE *gs_init(int dev, int xmin, int ymin, int nxcell, int nycell);
 383 void gs_pixel(GREYSCALE *gs, int x, int y, int gs_level);
 384 void gs_set_pos(GREYSCALE *gs, int x, int y);
 385 void gs_set_at_addr(GREYSCALE *gs, int gs_level);
 386 void gs_set_color_scale(void);
 387 /* image.c */
 388 IMAGE *image_create(const char *fname, const int nx, const int ny);
 389 int image_clear(IMAGE *im);
 390 int image_save(IMAGE *im);
 391 IMAGE *image_load(const char *fname);
 392 /* ir_vars.c */
 393 /* options.c */
 394 int opt_set_trace(const char *optarg, const char *program);
 395 const char *name_of_picture(const int picnum);
 396 int opt_set_picture(const char *optarg, const char *program);
 397 int opt_set_interpolation(const char *optarg, const char *program);
 398 int opt_set_filter(const char *optarg, const char *program);
 399 const char *name_of_filter(const int filter);
 400 int opt_set_filter_domain(const char *optarg, const char *program);
 401 const char *name_of_filter_domain(const int domain);
 402 int opt_set_backproj(const char *optarg, const char *program);
 403 const char *name_of_backproj(const int backproj);
 404 /* pic.c */
 405 PICTURE *select_pic(void);
 406 PICTURE *create_pic_from_file(const char *fname);
 407 PICTURE *create_pic(const int picnum);
 408 PICTURE *init_pic(void);
 409 int add_objs_kb(PICTURE *pic);
 410 int add_objs_file(PICTURE *pic, const char *fname);
 411 void addobject(PICTURE *pic, const int type, const double cx, const double cy,
 412                const double u, const double v, const double rot, const double atten);
 413 int makeobjpts(OBJECT *obj);
 414 void makeobjxform(OBJECT *obj);
 415 void calc_arc(double x[], double y[], const int pts, const double xcent, const double ycent,
 416               const double r, const double start, const double stop);
 417 void calc_ellipse(double x[], double y[], const int pts, const double u, const double v);
 418 void prt_pic(PICTURE *pic);
 419 void show_pic(const PICTURE *pic);
 420 void draw_pic(const PICTURE *pic);
 421 /* pic2image.c */
 422 void pic_to_image(const PICTURE *pic, IMAGE *im, const int col_start, const int col_count,
 423                   const int nsample, const int trace);
 424 /* ray.c */
 425 void rs_trace_showprm (const char *label, const char *fmt, int row, int color, ...);
 426 DETECTOR *detect_create(const PICTURE *pic, int ndet, int nview, int nsample, const double rot_anglen);
 427 void detect_free(DETECTOR *det);
 428 int raysum_collect(RAYSUM *rs, const DETECTOR *det, const PICTURE *pic, const int start_view,
 429                    const int trace, const int unit_pulse);
 430 void rayview(const PICTURE *pic, DETARRAY *darray, const DETECTOR *det,
 431              const double xd1, const double yd1, const double xd2, const double yd2,
 432              const double xs1, const double ys1, const double xs2, const double ys2, const int unit_pulse);
 433 double calc_rsum(const PICTURE *pic, const double x1, const double y1, const double x2, const double y2);
 434 double calc_objsum(const OBJECT *obj, const double x1, const double y1, const double x2, const double y2);
 435 int clipobj(const OBJECT *obj, double *x1, double *y1, double *x2, double *y2);
 436 /* rayio.c */
 437 RAYSUM *raysum_create(const char *fname, const int nview, const int ndet, const int in_memory);
 438 RAYSUM *raysum_create_from_det(const char *fname, const DETECTOR *det, const int in_memory);
 439 RAYSUM *raysum_open(const char *filename);
 440 void raysum_alloc_views(RAYSUM *rs);
 441 void raysum_free(RAYSUM *rs);
 442 int raysum_is_open(RAYSUM *rs);
 443 int raysum_close(RAYSUM *rs);
 444 int raysum_read_header(RAYSUM *rs);
 445 int raysum_write_header(RAYSUM *rs);
 446 int raysum_read(RAYSUM *rs);
 447 int raysum_write(RAYSUM *rs);
 448 DETARRAY *detarray_alloc(const int n);
 449 void detarray_free(DETARRAY *darray);
 450 int detarray_read(RAYSUM *rs, DETARRAY *darray, const int view_num);
 451 int detarray_write(RAYSUM *rs, const DETARRAY *darray, const int view_num);
 452 int raysum_print(const RAYSUM *rs);
 453 /* phantom.c */
 454 void herm_head(PICTURE *pic);
 455 void row_head(PICTURE *pic);
 456 void row_bord_head(PICTURE *pic);
 457 /* xform.c */
 458 void indent_mtx2(GRFMTX_2D m);
 459 void xlat_mtx2(GRFMTX_2D m, const double x, const double y);
 460 void scale_mtx2(GRFMTX_2D m, const double sx, const double sy);
 461 void rot_mtx2(GRFMTX_2D m, const double theta);
 462 void mult_mtx2(GRFMTX_2D m1, GRFMTX_2D m2, GRFMTX_2D result);
 463 void xform_mtx2(GRFMTX_2D m, double *x, double *y);
 464
 465 #endif