include/ir.h

   1 /*****************************************************************************
   2 **  This is part of the CTSim program
   3 **  Copyright (C) 1983-2000 Kevin Rosenberg
   4 **
   5 **  $Id: ir.h,v 1.5 2000/05/02 20:00:25 kevin Exp $
   6 **  $Log: ir.h,v $
   7 **  Revision 1.5  2000/05/02 20:00:25  kevin
   8 **  *** empty log message ***
   9 **
  10 **  Revision 1.4  2000/05/02 15:31:39  kevin
  11 **  code cleaning
  12 **
  13 **  Revision 1.3  2000/04/29 23:24:29  kevin
  14 **  *** empty log message ***
  15 **
  16 **  Revision 1.2  2000/04/28 14:14:16  kevin
  17 **  *** empty log message ***
  18 **
  19 **  Revision 1.1.1.1  2000/04/28 13:02:43  kevin
  20 **  Initial CVS import for first public release
  21 **
  22 **
  23 **
  24 **  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  25 **  it under the terms of the GNU General Public License (version 2) as
  26 **  published by the Free Software Foundation.
  27 **
  28 **  This program is distributed in the hope that it will be useful,
  29 **  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  30 **  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  31 **  GNU General Public License for more details.
  32 **
  33 **  You should have received a copy of the GNU General Public License
  34 **  along with this program; if not, write to the Free Software
  35 **  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
  36 ******************************************************************************/
  37 /* FILE IDENTIFICATION
  38  *
  39  *      Name:         ir.h          Header File for Image Reconstruction System
  40  *      Programmer:   Kevin Rosenberg
  41  *      Date Started: 7-1-84
  42  *      Last Change:  1-20-85
  43  */
  44
  45 #ifndef IR_H
  46 #define IR_H
  47
  48 #ifdef MPI_CT
  49 #define MPI_MAX_PROCESS 128
  50 struct mpi_ct_st
  51 {
  52   int my_rank;
  53   int nproc;
  54   int base_local_work_units;
  55   int remainder_work_units;
  56   int local_work_units[MPI_MAX_PROCESS];
  57   int start_work_unit[MPI_MAX_PROCESS];
  58   MPI_Comm comm;
  59 };
  60
  61 extern struct mpi_ct_st mpi_ct;
  62 void mpi_ct_calc_work_units(const unsigned int global_work_units);
  63 #endif
  64
  65
  66 struct histo_st {
  67     int *b;                     /* Histogram array (# of elements in each bin) */
  68     int nbin;                   /* Number of histogram bins */
  69     double xmin, xmax, xinc;    /* Limits of histogram boundaries */
  70 };
  71
  72 typedef struct histo_st HISTOGRAM;
  73
  74 /*---------------------------------------------------------------------------*/
  75
  76 #define POINTS_PER_CIRCLE  36
  77
  78 #define MAXREMARK       99
  79 #define LENREMARK       (MAXREMARK+1)
  80 #define IMAGE_VAL       FMTX_2D         /* use 2d floating point matrix */
  81 #define IMAGE_ELEM_TYPE DT_FLOAT        /* use floats for images */
  82 typedef float IMAGE_ELEM_VAL;           /* use floats for image storing */
  83
  84 struct image_st {
  85     IMAGE_VAL v;                        /* values of voxels in matrix form */
  86     SDF_2D *dfp_2d;                     /* Pointer to disk image file */
  87     int nx, ny;                         /* size of voxel matrix */
  88     double xmin, xmax, ymin, ymax;      /* extent of voxel matrix in pic coord */
  89     char remark[LENREMARK];             /* description of voxel data */
  90     float calctime;                     /* time to calculate voxels in seconds */
  91 };
  92
  93 struct object_st {
  94     int type;                      /* object type (box, ellipse, etc) */
  95     double atten;                  /* X-ray attenuation coefficient */
  96     double cx,cy;                  /* center of object */
  97     double u,v;                    /* size of object */
  98     double rot;                    /* object rotation angle (in radians) */
  99     double *x, *y;                 /* ptr to array of points in obj world coord */
 100     int pts;                       /* number of points in outline arrays */
 101     double xmin, xmax, ymin, ymax; /* object limits */
 102     double radius;                 /*   "   */
 103     struct {                       /* transform matrices        */
 104         GRFMTX_2D p_to_o;          /* map from pic to standard obj coords */
 105         GRFMTX_2D o_to_p;          /* map from std object coords to pic coords */
 106     } xform;
 107     struct object_st *next;       /* pointer to next object in picture */
 108 };
 109
 110 typedef struct object_st OBJECT;
 111
 112 struct pic_st {                    /* Picture structure */
 113     OBJECT *objlist;               /* object list */
 114     int type;
 115     int numobj;                    /* number of objects in picture */
 116     double xmin, xmax, ymin, ymax; /* extent of objects in object coordinates */
 117     double radius;                 /*     " "    */
 118 };
 119
 120 typedef struct image_st  IMAGE;
 121 typedef struct pic_st    PICTURE;
 122
 123 #define P_OBJECTS       0       /* Picture made of objects */
 124 #define P_UNIT_PULSE    1       /* Special picture, not made of objects */
 125 #define P_FILTER        9       /* defined only by a type */
 126
 127 /*----------------------------------------------------------------------*/
 128 /*                              RAYSUM SYMBOLS                          */
 129 /*----------------------------------------------------------------------*/
 130
 131 /* Ray sums are collected along an array of ndet detectors.  The data
 132  * for these detectors is stored in the structure DETECTARRAY
 133  */
 134
 135 #define DETECT_TYPE float
 136
 137 struct detarray_st {
 138   DETECT_TYPE *detval;  /* Pointer to array of values recorded by detector */
 139   int ndet;                     /* Number of detectors in array */
 140   double view_angle;    /* View angle in radians */
 141 };
 142
 143 struct detect_st {
 144   int ndet;                     /* Number of detectors in array */
 145   int nview;                    /* Number of rotated views */
 146   int nsample;                  /* Number of rays per detector */
 147   double detlen;                /* Total length of detector array */
 148   double rotlen;                /* Rotation angle length in radians (norm 2PI) */
 149   double det_inc;               /* Increment between centers of detectors */
 150   double rot_inc;               /* Increment in rotation angle between views */
 151   double radius;                /* Radius of rotation.  Distance from */
 152                                 /*   center of pic to center of det */
 153   double piclen;                /* Maximum Length of picture or area of interest */
 154   struct {
 155     double xd1,yd1,xd2,yd2;     /* Coordinates of detector endpoints */
 156     double xs1,ys1,xs2,ys2;     /* Coordinates of source endpoints */
 157     double angle;               /* Starting angle */
 158   } init;
 159 };
 160
 161 struct raysum_st {
 162   int fd;
 163   int file_mode;
 164   int header_size;
 165   struct detarray_st **view;    /* Pointer to array of detarray_st pointers */
 166
 167   char remark[LENREMARK];       /* description of raysum data */
 168   double calctime;              /* time required to calculate raysums */
 169
 170   int ndet;                     /* number of detectors in array */
 171   int nview;                    /* number of rotated views */
 172   double rot_start;             /* starting view rotation */
 173   double rot_inc;               /* angle between rotations */
 174   double det_start;             /* distance of beginning detector to center */
 175                                 /*    of picture */
 176   double det_inc;               /* increment between detectors */
 177   double piclen;                /* Length of picture edge (pic is square) */
 178 };
 179
 180 typedef struct detarray_st DETARRAY;
 181 typedef struct detect_st   DETECTOR;
 182 typedef struct raysum_st   RAYSUM;
 183
 184 /*----------------------------------------------------------------------*/
 185 /*                              USER SYMBOLS                            */
 186 /*----------------------------------------------------------------------*/
 187
 188 /* codes for object types, passed to add_obj() */
 189
 190 #define O_RECTANGLE  1
 191 #define O_TRIANGLE   2
 192 #define O_ELLIPSE    3
 193 #define O_SECTOR     4
 194 #define O_SEGMENT    5
 195
 196 /* Codes for Coordinate Types      */
 197 /* Defines coords for inside_obj() */
 198
 199 #define OBJ_COORD -1            /* Normalized Object Coordinates */
 200 #define PIC_COORD -2            /* User's Picture Coordinates */
 201
 202 /* Codes for Filter types */
 203
 204 #define W_BANDLIMIT     1       /* filter types for genfilter() */
 205 #define W_SINC          2
 206 #define W_G_HAMMING     3
 207 #define W_COSINE        4
 208 #define W_TRIANGLE      5
 209
 210 #define W_A_BANDLIMIT   11      /* filters times abs() of function */
 211 #define W_A_SINC        12
 212 #define W_AG_HAMMING    13
 213 #define W_A_COSINE      14
 214
 215 #define W_SHEPP         21
 216
 217 /* function domains */
 218
 219 #define O_FREQ_STR      "freq"
 220 #define O_SPATIAL_STR   "spatial"
 221
 222 #define D_FREQ          1       /* Domain names */
 223 #define D_SPATIAL       2
 224
 225 /* function symmetry */
 226
 227 #define FUNC_EVEN       1       /* function types, f[-n] = f[n] */
 228 #define FUNC_ODD        2       /* f[-n] = -f[n] */
 229 #define FUNC_BOTH       3       /* function has both odd & even components */
 230
 231 /* interpolation methods */
 232
 233 #define I_NEAREST       1       /* Interpolation methods */
 234 #define I_LINEAR        2       /* Linear interpolation */
 235 #define I_BSPLINE       3
 236 #define I_1BSPLINE      3       /* 1st order B-Spline */
 237 #define I_2BSPLINE      4
 238 #define I_3BSPLINE      5
 239
 240 /* Constants for sizing picture */
 241
 242 #define PERCENT_PIC_SIZE_INCR   0.0     /* Fractional increase in picture */
 243                                         /* limits compared to object size */
 244 #define N_EXTRA_DETECTORS         4     /* Number of extra detectors */
 245                                         /* widths when calculating detlen */
 246
 247 #define DET_PARALLEL 1
 248 #define DET_FAN      2
 249
 250 #define O_TRACE_NONE_STR     "none"
 251 #define O_TRACE_TEXT_STR     "text"
 252 #define O_TRACE_PIC_STR      "pic"
 253 #define O_TRACE_RAYS_STR     "rays"
 254 #define O_TRACE_PLOT_STR     "plot"
 255 #define O_TRACE_CLIPPING_STR "clipping"
 256
 257
 258 #define TRACE_NONE     0                /* No tracing */
 259 #define TRACE_TEXT     1                /* Minimal status */
 260 #define TRACE_PIC      2                /* Show picture */
 261 #define TRACE_RAYS     3                /* Show all rays */
 262 #define TRACE_PLOT     4                /* Plot raysums */
 263 #define TRACE_CLIPPING 5                /* Plot clipping */
 264
 265 #define O_PIC_HERMAN    1               /* Herman head phantom */
 266 #define O_PIC_ROWLAND   2               /* Rowland head phantom */
 267 #define O_PIC_BROWLAND  3               /* Bordered Rowland head phantom */
 268 #define O_PIC_UNITPULSE 4               /* Unit pulse phantom */
 269
 270 #define O_PIC_HERMAN_STR    "herman"
 271 #define O_PIC_ROWLAND_STR   "rowland"
 272 #define O_PIC_BROWLAND_STR  "browland"
 273 #define O_PIC_UNITPULSE_STR "unitpulse"
 274
 275 #define O_INTERP_NEAREST_STR  "nearest"
 276 #define O_INTERP_LINEAR_STR   "linear"
 277 #define O_INTERP_BSPLINE_STR  "bspline"
 278
 279 #define O_FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR "abs_bandlimit"
 280 #define O_FILTER_ABS_SINC_STR      "abs_sinc"
 281 #define O_FILTER_ABS_COS_STR       "abs_cos"
 282 #define O_FILTER_ABS_HAMMING_STR   "abs_hamming"
 283 #define O_FILTER_SHEPP_STR         "shepp"
 284 #define O_FILTER_BANDLIMIT_STR     "bandlimit"
 285 #define O_FILTER_SINC_STR          "sinc"
 286 #define O_FILTER_COS_STR           "cos"
 287 #define O_FILTER_HAMMING_STR       "hamming"
 288 #define O_FILTER_TRIANGLE_STR      "triangle"
 289
 290 #define O_BPROJ_TRIG   1
 291 #define O_BPROJ_TABLE  2
 292 #define O_BPROJ_DIFF   3
 293 #define O_BPROJ_DIFF2  4
 294 #define O_BPROJ_IDIFF2 5
 295
 296 #define O_BPROJ_TRIG_STR     "trig"
 297 #define O_BPROJ_TABLE_STR    "table"
 298 #define O_BPROJ_DIFF_STR     "diff"
 299 #define O_BPROJ_DIFF2_STR    "diff2"
 300 #define O_BPROJ_IDIFF2_STR   "idiff2"
 301
 302 #define RS_TRACE_ROW_TITLE      1
 303 #define RS_TRACE_ROW_TITLE2     2
 304 #define RS_TRACE_ROW_PHANT_ID   4
 305 #define RS_TRACE_ROW_CHROMATIC  7
 306 #define RS_TRACE_ROW_SCATTER    8
 307 #define RS_TRACE_ROW_PHOT_STAT  9
 308 #define RS_TRACE_ROW_NDET       12
 309 #define RS_TRACE_ROW_NVIEW      13
 310 #define RS_TRACE_ROW_SAMPLES    14
 311 #define RS_TRACE_ROW_CURR_VIEW  17
 312 #define RS_TRACE_ROW_ATTEN      18
 313
 314
 315 /*----------------------------------------------------------------------*/
 316 /*                      GRAY SCALE STRUCTURES                           */
 317 /*----------------------------------------------------------------------*/
 318
 319 #define GS_MAX_CELL_SIZE   4
 320
 321 typedef int GS_BITMASK[4][4];
 322
 323 struct greyscale_st {
 324     int dev;                            /* Device to output to */
 325     int (*dotfunc)(int x, int y, int color);                    /* Pointer to dot function for device */
 326     int cur_x, cur_y;                   /* Current cell location */
 327     int nxcell, nycell;                 /* size of cell in pixels */
 328     int xmin, ymin;                     /* starting position of grey scale */
 329     int num_color;                      /* Number of primary colors available */
 330     int num_intens;                     /* Number of intensities available */
 331     int max_level;                      /* gs levels range from 0 to max_level */
 332     char *fg_color_tbl;                 /* Hold foreground color for each level */
 333     char *bg_color_tbl;                 /* Holds background color */
 334     char *level_sub_tbl;                /* Holds value to subtract for level */
 335                                         /* before accessing bit mask */
 336     GS_BITMASK *bm;                     /* Holds grey-scale bit mask */
 337     struct greyscale_st *next_dev;      /* Pointer to next open device */
 338                                         /* == NULL when no more devices */
 339 };
 340
 341 typedef struct greyscale_st GREYSCALE;
 342
 343
 344 /* From reconstr.c */
 345 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);
 346
 347 /* From bproj.c */
 348 void backproj_init (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const int bproj_method);
 349 int  backproj_calc (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t, const double view_angle,
 350                     const int interp_type, const int bproj_method);
 351 void backproj_term (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const int bproj_method);
 352
 353 void backproj_init_trig (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 354 int  backproj_calc_trig (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 355                          const double view_angle, const int interp_type);
 356 void backproj_term_trig (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 357 void backproj_init_table (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 358 int  backproj_calc_table (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 359                           const double view_angle, const int interp_type);
 360 void backproj_term_table (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 361 void backproj_init_d (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 362 int  backproj_calc_d (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 363                       const double view_angle, const int interp_type);
 364 void backproj_term_d (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 365 void backproj_init_d2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 366 int  backproj_calc_d2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 367                        const double view_angle, const int interp_type);
 368 void backproj_term_d2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 369 void backproj_init_id (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 370 int  backproj_calc_id (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 371                        const double view_angle, const int interp_type);
 372 void backproj_term_id (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 373 void backproj_init_id2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 374 int  backproj_calc_id2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im, const double *t,
 375                         const double view_angle, const int interp_type);
 376 void backproj_term_id2 (const RAYSUM *rs, IMAGE *im);
 377
 378 void usage (const char *program);
 379 int main(const int argc, char * const argv[]);
 380
 381
 382
 383 /* bspline.c */
 384 int bspline(int samples, int zoom_factor, int spline_order, double input[], double output[]);
 385 /* convolve.c */
 386 double convolve(const double f1[], const double f2[], const double dx, const int n, const int np, const int func_type);
 387 double convolve_both(const double f1[], const double f2[], const double dx, const int n, const int np);
 388 void rotate2d(double x[], double y[], int pts, double angle);
 389 void xlat2d(double x[], double y[], int pts, double xoffset, double yoffset);
 390 void scale2d(double x[], double y[], int pts, double xfact, double yfact);
 391 int circle_pts(double theta);
 392 /* filt.c */
 393 double d_filtfunc(int filt_type, double x, double bw, double param, int n);
 394 double filter_freq(int filt_type, double u, double bw, double param);
 395 double a_filtfunc(int filt_type, double x, double bw, double param);
 396 double sinc(double x, double mult);
 397 double abscos_int(double u, double w);
 398 double *filter_generate(int filt_type, double bw, double xmin, double xmax, int n, double param, int domain, int numint);
 399 void image_filter_init(IMAGE *im, int domain, double bw, int filt_type, double filt_param, int opt_trace);
 400 /* im_draw.c */
 401 void image_show(IMAGE *im, int nxcell, int nycell, double densmin, double densmax, bool disp_scale);
 402 int image_paint(int dev, IMAGE *im, int xmin, int ymin, int nxcell, int nycell, double densmin, double densmax, bool disp_scale);
 403 int gs_image(GREYSCALE *gs, IMAGE *im, double densmin, double densmax, bool disp_scale);
 404 void paint_cscale(GREYSCALE *gs, int nx, int ny);
 405 GREYSCALE *gs_init(int dev, int xmin, int ymin, int nxcell, int nycell);
 406 void gs_pixel(GREYSCALE *gs, int x, int y, int gs_level);
 407 void gs_set_pos(GREYSCALE *gs, int x, int y);
 408 void gs_set_at_addr(GREYSCALE *gs, int gs_level);
 409 void gs_set_color_scale(void);
 410 /* image.c */
 411 IMAGE *image_create(const char *fname, const int nx, const int ny);
 412 int image_clear(IMAGE *im);
 413 int image_save(IMAGE *im);
 414 IMAGE *image_load(const char *fname);
 415 /* ir_vars.c */
 416 /* options.c */
 417 int opt_set_trace(const char *optarg, const char *program);
 418 const char *name_of_picture(const int picnum);
 419 int opt_set_picture(const char *optarg, const char *program);
 420 int opt_set_interpolation(const char *optarg, const char *program);
 421 const char *name_of_interpolation(int interp_type);
 422 int opt_set_filter(const char *optarg, const char *program);
 423 const char *name_of_filter(const int filter);
 424 int opt_set_filter_domain(const char *optarg, const char *program);
 425 const char *name_of_filter_domain(const int domain);
 426 int opt_set_backproj(const char *optarg, const char *program);
 427 const char *name_of_backproj(const int backproj);
 428 /* phm.c */
 429 PICTURE *select_pic(void);
 430 PICTURE *create_pic_from_file(const char *fname);
 431 PICTURE *create_pic(const int picnum);
 432 PICTURE *init_pic(void);
 433 int add_objs_kb(PICTURE *pic);
 434 int add_objs_file(PICTURE *pic, const char *fname);
 435 void addobject(PICTURE *pic, const int type, const double cx, const double cy,
 436                const double u, const double v, const double rot, const double atten);
 437 int makeobjpts(OBJECT *obj);
 438 void makeobjxform(OBJECT *obj);
 439 void calc_arc(double x[], double y[], const int pts, const double xcent, const double ycent,
 440               const double r, const double start, const double stop);
 441 void calc_ellipse(double x[], double y[], const int pts, const double u, const double v);
 442 OBJECT *alloc_obj(void);
 443 void prt_pic(PICTURE *pic);
 444 void show_pic(const PICTURE *pic);
 445 void draw_pic(const PICTURE *pic);
 446 /* phm2image.c */
 447 void pic_to_image(const PICTURE *pic, IMAGE *im, const int col_start, const int col_count,
 448                   const int nsample, const int trace);
 449 int inside_obj(const OBJECT *obj, double x, double y, const int coord_type);
 450 /* ray.c */
 451 DETECTOR *detect_create(const PICTURE *pic, int ndet, int nview, int nsample, const double rot_anglen);
 452 void detect_free(DETECTOR *det);
 453 double calc_rsum(const PICTURE *pic, const double x1, const double y1, const double x2, const double y2);
 454 double calc_objsum(const OBJECT *obj, const double x1, const double y1, const double x2, const double y2);
 455 int clipobj(const OBJECT *obj, double *x1, double *y1, double *x2, double *y2);
 456 /* raycollect.c */
 457 int raysum_collect(RAYSUM *rs, const DETECTOR *det, const PICTURE *pic, const int start_view,
 458                    const int trace, const int unit_pulse);
 459 void rayview(const PICTURE *pic, DETARRAY *darray, const DETECTOR *det,
 460              const double xd1, const double yd1, const double xd2, const double yd2,
 461              const double xs1, const double ys1, const double xs2, const double ys2, const int unit_pulse);
 462 void rs_trace_showprm (const char *label, const char *fmt, int row, int color, ...);
 463 /* rayio.c */
 464 RAYSUM *raysum_create(const char *fname, const int nview, const int ndet);
 465 RAYSUM *raysum_create_from_det(const char *fname, const DETECTOR *det);
 466 RAYSUM *raysum_open(const char *filename);
 467 void raysum_alloc_views(RAYSUM *rs);
 468 void raysum_free(RAYSUM *rs);
 469 int raysum_is_open(RAYSUM *rs);
 470 int raysum_close(RAYSUM *rs);
 471 int raysum_read_header(RAYSUM *rs);
 472 int raysum_write_header(RAYSUM *rs);
 473 int raysum_read(RAYSUM *rs);
 474 int raysum_write(RAYSUM *rs);
 475 DETARRAY *detarray_alloc(const int n);
 476 void detarray_free(DETARRAY *darray);
 477 int detarray_read(RAYSUM *rs, DETARRAY *darray, const int view_num);
 478 int detarray_write(RAYSUM *rs, const DETARRAY *darray, const int view_num);
 479 int raysum_print(const RAYSUM *rs);
 480 /* phmstd.c */
 481 void herm_head(PICTURE *pic);
 482 void row_head(PICTURE *pic);
 483 void row_bord_head(PICTURE *pic);
 484
 485 #endif