libctsim/projections.cpp

   1 /*****************************************************************************
   2 ** FILE IDENTIFICATION
   3 **
   4 **   Name:         projections.cpp         Projection data classes
   5 **   Programmer:   Kevin Rosenberg
   6 **   Date Started: Aug 84
   7 **
   8 **  This is part of the CTSim program
   9 **  Copyright (C) 1983-2000 Kevin Rosenberg
  10 **
  11 **  $Id: projections.cpp,v 1.22 2000/08/25 15:59:13 kevin Exp $
  12 **
  13 **  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  14 **  it under the terms of the GNU General Public License (version 2) as
  15 **  published by the Free Software Foundation.
  16 **
  17 **  This program is distributed in the hope that it will be useful,
  18 **  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19 **  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  20 **  GNU General Public License for more details.
  21 **
  22 **  You should have received a copy of the GNU General Public License
  23 **  along with this program; if not, write to the Free Software
  24 **  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
  25 ******************************************************************************/
  26
  27 #include "ct.h"
  28
  29
  30 /* NAME
  31  *    Projections               Constructor for projections matrix storage
  32  *
  33  * SYNOPSIS
  34  *    proj = projections_create (filename, nView, nDet)
  35  *    Projections& proj         Allocated projections structure & matrix
  36  *    int nView                 Number of rotated view
  37  *    int nDet                  Number of detectors
  38  *
  39  */
  40
  41 Projections::Projections (const Scanner& scanner)
  42   : m_projData(0)
  43 {
  44   initFromScanner (scanner);
  45 }
  46
  47
  48 Projections::Projections (const int nView, const int nDet)
  49   : m_projData(0)
  50 {
  51   init (nView, nDet);
  52 }
  53
  54 Projections::Projections (void)
  55   : m_projData(0)
  56 {
  57   init (0, 0);
  58 }
  59
  60 Projections::~Projections (void)
  61 {
  62   deleteProjData();
  63 }
  64
  65
  66 void
  67 Projections::init (const int nView, const int nDet)
  68 {
  69   m_nView = nView;
  70   m_nDet = nDet;
  71   newProjData ();
  72 }
  73
  74 void
  75 Projections::initFromScanner (const Scanner& scanner)
  76 {
  77   deleteProjData();
  78   init (scanner.nView(), scanner.nDet());
  79
  80   m_phmLen = scanner.phmLen();
  81   m_rotInc = scanner.rotInc();
  82   m_detInc = scanner.detInc();
  83   m_rotStart = 0;
  84   m_detStart =  -(scanner.detLen() / 2) + (scanner.detInc() / 2);
  85 }
  86
  87 void
  88 Projections::setNView (int nView)  // used by MPI to reduce # of views
  89 {
  90   deleteProjData();
  91   init (nView, m_nDet);
  92 }
  93
  94 // NAME
  95 // newProjData
  96
  97 void
  98 Projections::newProjData (void)
  99 {
 100   if (m_projData)
 101     sys_error(ERR_WARNING, "m_projData != NULL [newProjData]");
 102
 103   if (m_nView > 0 && m_nDet) {
 104     m_projData = new DetectorArray* [m_nView];
 105
 106     for (int i = 0; i < m_nView; i++)
 107       m_projData[i] = new DetectorArray (m_nDet);
 108   }
 109 }
 110
 111
 112 /* NAME
 113  *   projections_free                   Free memory allocated to projections
 114  *
 115  * SYNOPSIS
 116  *   projections_free(proj)
 117  *   Projections& proj                          Projectionss to be deallocated
 118  */
 119
 120 void
 121 Projections::deleteProjData (void)
 122 {
 123   if (m_projData != NULL) {
 124     for (int i = 0; i < m_nView; i++)
 125       delete m_projData[i];
 126
 127     delete m_projData;
 128     m_projData = NULL;
 129   }
 130 }
 131
 132
 133 /* NAME
 134  *    Projections::headerWwrite         Write data header for projections file
 135  *
 136  */
 137
 138 bool
 139 Projections::headerWrite (fnetorderstream& fs)
 140 {
 141   kuint16 _hsize = m_headerSize;
 142   kuint16 _signature = m_signature;
 143   kuint32 _nView = m_nView;
 144   kuint32 _nDet = m_nDet;
 145   kuint32 _geom = m_geometry;
 146   kuint16 _remarksize = m_remark.length();
 147   kuint16 _year = m_year;
 148   kuint16 _month = m_month;
 149   kuint16 _day = m_day;
 150   kuint16 _hour = m_hour;
 151   kuint16 _minute = m_minute;
 152   kuint16 _second = m_second;
 153
 154   kfloat64 _calcTime = m_calcTime;
 155   kfloat64 _rotStart = m_rotStart;
 156   kfloat64 _rotInc = m_rotInc;
 157   kfloat64 _detStart = m_detStart;
 158   kfloat64 _detInc = m_detInc;
 159   kfloat64 _phmLen = m_phmLen;
 160
 161   fs.seekp(0);
 162   if (! fs)
 163     return false;
 164
 165   fs.writeInt16 (_hsize);
 166   fs.writeInt16 (_signature);
 167   fs.writeInt32 (_nView);
 168   fs.writeInt32 (_nDet);
 169   fs.writeInt32 (_geom);
 170   fs.writeFloat64 (_calcTime);
 171   fs.writeFloat64 (_rotStart);
 172   fs.writeFloat64 (_rotInc);
 173   fs.writeFloat64 (_detStart);
 174   fs.writeFloat64 (_detInc);
 175   fs.writeFloat64 (_phmLen);
 176   fs.writeInt16 (_year);
 177   fs.writeInt16 (_month);
 178   fs.writeInt16 (_day);
 179   fs.writeInt16 (_hour);
 180   fs.writeInt16 (_minute);
 181   fs.writeInt16 (_second);
 182   fs.writeInt16 (_remarksize);
 183   fs.write (m_remark.c_str(), _remarksize);
 184
 185   m_headerSize = fs.tellp();
 186   _hsize = m_headerSize;
 187   fs.seekp(0);
 188   fs.writeInt16 (_hsize);
 189   if (! fs)
 190       return false;
 191
 192   return true;
 193 }
 194
 195 /* NAME
 196  *    projections_read_header         Read data header for projections file
 197  *
 198  */
 199 bool
 200 Projections::headerRead (fnetorderstream& fs)
 201 {
 202   kuint16 _hsize, _signature, _year, _month, _day, _hour, _minute, _second, _remarksize = 0;
 203   kuint32 _nView, _nDet, _geom;
 204   kfloat64 _calcTime, _rotStart, _rotInc, _detStart, _detInc, _phmLen;
 205
 206   fs.seekg(0);
 207   if (! fs)
 208       return false;
 209
 210   fs.readInt16 (_hsize);
 211   fs.readInt16 (_signature);
 212   fs.readInt32 (_nView);
 213   fs.readInt32 (_nDet);
 214   fs.readInt32 (_geom);
 215   fs.readFloat64 (_calcTime);
 216   fs.readFloat64 (_rotStart);
 217   fs.readFloat64 (_rotInc);
 218   fs.readFloat64 (_detStart);
 219   fs.readFloat64 (_detInc);
 220   fs.readFloat64 (_phmLen);
 221   fs.readInt16 (_year);
 222   fs.readInt16 (_month);
 223   fs.readInt16 (_day);
 224   fs.readInt16 (_hour);
 225   fs.readInt16 (_minute);
 226   fs.readInt16 (_second);
 227   fs.readInt16 (_remarksize);
 228
 229   if (! fs) {
 230       sys_error (ERR_SEVERE, "Error reading header information , _remarksize=%d [projections_read_header]", _remarksize);
 231       return false;
 232   }
 233
 234   if (_signature != m_signature) {
 235     sys_error (ERR_SEVERE, "File %s does not have a valid projection file signature", m_filename.c_str());
 236     return false;
 237   }
 238
 239   char remarkStorage[_remarksize+1];
 240   fs.read (remarkStorage, _remarksize);
 241   if (! fs) {
 242     sys_error (ERR_SEVERE, "Error reading remark, _remarksize = %d", _remarksize);
 243     return false;
 244   }
 245   remarkStorage[_remarksize] = 0;
 246   m_remark = remarkStorage;
 247
 248   off_t _hsizeread = fs.tellg();
 249   if (!fs || _hsizeread != _hsize) {
 250       sys_error (ERR_WARNING, "File header size read %ld != file header size stored %ld [read_projections_header]\n_remarksize=%ld", (long int) _hsizeread, _hsize, _remarksize);
 251       return false;
 252   }
 253
 254   m_headerSize = _hsize;
 255   m_nView = _nView;
 256   m_nDet = _nDet;
 257   m_geometry = _geom;
 258   m_calcTime = _calcTime;
 259   m_rotStart = _rotStart;
 260   m_rotInc = _rotInc;
 261   m_detStart = _detStart;
 262   m_detInc = _detInc;
 263   m_phmLen = _phmLen;
 264   m_year = _year;
 265   m_month = _month;
 266   m_day = _day;
 267   m_hour = _hour;
 268   m_minute = _minute;
 269   m_second = _second;
 270
 271   m_label.setLabelType (Array2dFileLabel::L_HISTORY);
 272   m_label.setLabelString (m_remark);
 273   m_label.setCalcTime (m_calcTime);
 274   m_label.setDateTime (m_year, m_month, m_day, m_hour, m_minute, m_second);
 275
 276   return true;
 277 }
 278
 279 bool
 280 Projections::read (const char* filename)
 281 {
 282   frnetorderstream fileRead (filename, ios::in | ios::binary);
 283   m_filename = filename;
 284
 285   if (! fileRead)
 286     return false;
 287
 288   if (! headerRead (fileRead))
 289     return false;
 290
 291   deleteProjData ();
 292   newProjData();
 293
 294   for (int i = 0; i < m_nView; i++) {
 295     if (! detarrayRead (fileRead, *m_projData[i], i))
 296       break;
 297   }
 298
 299   fileRead.close();
 300   return true;
 301 }
 302
 303
 304 bool
 305 Projections::write (const char* filename)
 306 {
 307   frnetorderstream fs (filename, ios::out | ios::binary | ios::trunc | ios::ate);
 308   m_filename = filename;
 309   if (! fs) {
 310     sys_error (ERR_SEVERE, "Error opening file %s for output [projections_create]", filename);
 311     return false;
 312   }
 313
 314   time_t t = time(NULL);
 315   tm* lt = localtime(&t);
 316   m_year = lt->tm_year;
 317   m_month = lt->tm_mon;
 318   m_day = lt->tm_mday;
 319   m_hour = lt->tm_hour;
 320   m_minute = lt->tm_min;
 321   m_second = lt->tm_sec;
 322
 323   if (! headerWrite (fs))
 324       return false;
 325
 326   if (m_projData != NULL) {
 327     for (int i = 0; i < m_nView; i++) {
 328       if (! detarrayWrite (fs, *m_projData[i], i))
 329         break;
 330     }
 331   }
 332   if (! fs)
 333     return false;
 334
 335  fs.close();
 336
 337   return true;
 338 }
 339
 340 /* NAME
 341  *   detarrayRead               Read a Detector Array structure from the disk
 342  *
 343  * SYNOPSIS
 344  *   detarrayRead (proj, darray, view_num)
 345  *   DETARRAY *darray           Detector array storage location to be filled
 346  *   int      view_num          View number to read
 347  */
 348
 349 bool
 350 Projections::detarrayRead (fnetorderstream& fs, DetectorArray& darray, const int iview)
 351 {
 352   const int detval_bytes = darray.nDet() * sizeof(kfloat32);
 353   const int detheader_bytes = sizeof(kfloat64) /* view_angle */ + sizeof(kint32) /* nDet */;
 354   const int view_bytes = detheader_bytes + detval_bytes;
 355   const off_t start_data = m_headerSize + (iview * view_bytes);
 356   DetectorValue* detval_ptr = darray.detValues();
 357   kfloat64 view_angle;
 358   kuint32 nDet;
 359
 360   fs.seekg (start_data);
 361
 362   fs.readFloat64 (view_angle);
 363   fs.readInt32 (nDet);
 364   darray.setViewAngle (view_angle);
 365   //  darray.setNDet ( nDet);
 366
 367   for (unsigned int i = 0; i < nDet; i++) {
 368       kfloat32 detval;
 369       fs.readFloat32 (detval);
 370       detval_ptr[i] = detval;
 371   }
 372   if (! fs)
 373     return false;
 374
 375   return true;
 376 }
 377
 378
 379 /* NAME
 380  *   detarrayWrite                      Write detector array data to the disk
 381  *
 382  * SYNOPSIS
 383  *   detarrayWrite (darray, view_num)
 384  *   DETARRAY *darray                   Detector array data to be written
 385  *   int      view_num                  View number to write
 386  *
 387  * DESCRIPTION
 388  *       This routine writes the detarray data from the disk sequentially to
 389  *    the file that was opened with open_projections().  Data is written in
 390  *    binary format.
 391  */
 392
 393 bool
 394 Projections::detarrayWrite (fnetorderstream& fs, const DetectorArray& darray, const int iview)
 395 {
 396   const int detval_bytes = darray.nDet() * sizeof(float);
 397   const int detheader_bytes = sizeof(kfloat64) /* view_angle */ + sizeof(kint32) /* nDet */;
 398   const int view_bytes = detheader_bytes + detval_bytes;
 399   const off_t start_data = m_headerSize + (iview * view_bytes);
 400   const DetectorValue* const detval_ptr = darray.detValues();
 401   kfloat64 view_angle = darray.viewAngle();
 402   kuint32 nDet = darray.nDet();
 403
 404   fs.seekp (start_data);
 405   if (! fs) {
 406     sys_error (ERR_SEVERE, "Error seeking detectory array [detarrayWrite]");
 407     return false;
 408   }
 409
 410   fs.writeFloat64 (view_angle);
 411   fs.writeInt32 (nDet);
 412
 413   for (unsigned int i = 0; i < nDet; i++) {
 414     kfloat32 detval = detval_ptr[i];
 415     fs.writeFloat32 (detval);
 416   }
 417
 418   if (! fs)
 419     return (false);
 420
 421   return true;
 422 }
 423
 424 /* NAME
 425  *   prt_projections                    Print projections data
 426  *
 427  * SYNOPSIS
 428  *   prt_projections (proj)
 429  *   Projections& proj                  Projection data to be printed
 430  */
 431
 432 void
 433 Projections::printProjectionData (void)
 434 {
 435   printf("Projections Print\n\n");
 436   printf("Description: %s\n", m_remark.c_str());
 437   printf("nView = %d  nDet = %d\n", m_nView, m_nDet);
 438   printf("rotStart = %8.4f   rotInc = %8.4f\n", m_rotStart, m_rotInc);
 439   printf("detStart = %8.4f   detInc = %8.4f\n", m_detStart, m_detInc);
 440
 441   if (m_projData != NULL) {
 442       for (int ir = 0; ir < m_nView; ir++) {
 443           DetectorValue* detval = m_projData[ir]->detValues();
 444           for (int id = 0; id < m_projData[ir]->nDet(); id++)
 445               printf("%8.4f  ", detval[id]);
 446           printf("\n");
 447       }
 448   }
 449 }
 450
 451 void
 452 Projections::printScanInfo (void) const
 453 {
 454   printf ("Number of detectors: %d\n", m_nDet);
 455   printf ("    Number of views: %d\n", m_nView);
 456   printf ("             Remark: %s\n", m_remark.c_str());
 457   printf ("             phmLen: %f\n", m_phmLen);
 458   printf ("           detStart: %f\n", m_detStart);
 459   printf ("             detInc: %f\n", m_detInc);
 460   printf ("           rotStart: %f\n", m_rotStart);
 461   printf ("             rotInc: %f\n", m_rotInc);
 462 }
 463
 464
 465
 466 /* NAME
 467  *   Projections::reconstruct      Reconstruct Image from Projections
 468  *
 469  * SYNOPSIS
 470  *   im = proj.reconstruct (im, filt_type, filt_param, interp_type)
 471  *   IMAGE *im                  Output image
 472  *   int filt_type              Type of convolution filter to use
 473  *   double filt_param          Filter specific parameter
 474  *                              Currently, used only with Hamming filters
 475  *   int interp_type            Type of interpolation method to use
 476  *
 477  * ALGORITHM
 478  *
 479  *      Calculate one-dimensional filter in spatial domain
 480  *      Allocate & clear (zero) the 2d output image array
 481  *      For each projection view
 482  *          Convolve raysum array with filter
 483  *          Backproject raysums and add (summate) to image array
 484  *      end
 485  */
 486
 487 bool
 488 Projections::reconstruct (ImageFile& im, const char* const filterName, double filt_param, const char* const filterMethodName, const int zeropad, const char* filterGenerationName, const char* const interpName, int interpFactor, const char* const backprojectName, const int trace) const
 489 {
 490   double detInc = m_detInc;
 491   int n_filteredProj = m_nDet * interpFactor;
 492   double filteredProj [n_filteredProj];   // filtered projections
 493
 494 #ifdef HAVE_BSPLINE_INTERP
 495   int spline_order = 0, zoom_factor = 0;
 496   if (interp_type == I_BSPLINE) {
 497     zoom_factor = interpFactor;
 498     spline_order = 3;
 499     zoom_factor = 3;
 500     n_filteredProj = (m_nDet - 1) * (zoom_factor + 1) + 1;
 501   }
 502 #endif
 503
 504   double filterBW = 1. / detInc;
 505   ProcessSignal processSignal (filterName, filterMethodName, filterBW, m_detInc, m_nDet, filt_param, "spatial", filterGenerationName, zeropad, interpFactor, trace);
 506
 507   if (processSignal.fail()) {
 508       sys_error (ERR_SEVERE, "%s [Projections::reconstruct]", processSignal.failMessage().c_str());
 509       return false;
 510   }
 511
 512   if (trace)
 513     cout << "Reconstruct: filter="<<filterName<< ", interp="<<interpName<<", backproject="<<backprojectName<<endl;
 514
 515 #if HAVE_SGP
 516   int nVecFilter = processSignal.getNFilterPoints();
 517   double plot_xaxis [nVecFilter];                       // array for plotting
 518
 519   if (trace > TRACE_TEXT && nVecFilter > 0)  {
 520     int i;
 521     double f;
 522     double filterInc = processSignal.getFilterIncrement();
 523     for (i = 0, f = processSignal.getFilterMin(); i < nVecFilter; i++, f += filterInc)
 524       plot_xaxis[i] = f;
 525
 526     if (processSignal.getFilter()) {
 527       SGPDriver sgpDriver ("Filter Function");
 528       SGP sgp (sgpDriver);
 529       EZPlot ezplot (sgp);
 530
 531       ezplot.ezset ("title Filter Response");
 532       ezplot.addCurve (plot_xaxis, processSignal.getFilter(), nVecFilter);
 533       ezplot.plot();
 534       cio_put_str ("Press any key to continue");
 535       cio_kb_getc ();
 536     }
 537   }
 538   if (trace >= TRACE_TEXT) {
 539     printf ("nview=%d, ndet=%d, det_start=%.4f, detInc=%.4f\n", m_nView, m_nDet, m_detStart, m_detInc);
 540   }
 541 #endif  //HAVE_SGP
 542
 543   Backprojector bj (*this, im, backprojectName, interpName, interpFactor);
 544   if (bj.fail()) {
 545     sys_error (ERR_SEVERE, "%s [Projections::reconstruct]", bj.failMessage().c_str());
 546     return false;
 547   }
 548
 549   for (int iview = 0; iview < m_nView; iview++)  {
 550     if (trace >= TRACE_TEXT)
 551       printf ("Reconstructing view %d (last = %d)\n",  iview, m_nView - 1);
 552
 553     const DetectorArray& darray = getDetectorArray (iview);
 554     const DetectorValue* detval = darray.detValues();
 555
 556     processSignal.filterSignal (detval, filteredProj);
 557
 558 #ifdef HAVE_BSPLINE_INTERP
 559     if (interp_type == I_BSPLINE)
 560         bspline (m_nDet, zoom_factor, spline_order, filteredProj, filteredProj);
 561
 562 #ifdef HAVE_SGP
 563     if (trace >= TRACE_PLOT && interp_type == I_BSPLINE) {
 564         bspline (m_nDet, zoom_factor, spline_order, filteredProj, filteredProj);
 565       ezplot_1d (filteredProj, n_filteredProj);
 566     }
 567 #endif
 568 #endif
 569
 570     bj.BackprojectView (filteredProj, darray.viewAngle());
 571
 572 #ifdef HAVE_SGP
 573     if (trace >= TRACE_PLOT) {
 574       SGPDriver sgpDriverProj ("Projection");
 575       SGP sgpProj (sgpDriverProj);
 576       EZPlot ezplotProj (sgpProj);
 577
 578       ezplotProj.ezset  ("clear");
 579       ezplotProj.ezset ("title Filtered Projection");
 580       ezplotProj.ezset  ("xticks major 5.");
 581       ezplotProj.ezset  ("xlabel ");
 582       ezplotProj.ezset  ("ylabel ");
 583       ezplotProj.ezset  ("yporigin .5.");
 584       ezplotProj.ezset  ("ylength .5.");
 585       ezplotProj.ezset  ("box.");
 586       ezplotProj.ezset  ("grid.");
 587       ezplotProj.addCurve (plot_xaxis, detval, m_nDet);
 588       ezplotProj.plot();
 589       ezplotProj.ezset  ("clear");
 590       ezplotProj.ezset  ("xticks major 5.");
 591       ezplotProj.ezset  ("xlabel ");
 592       ezplotProj.ezset  ("ylabel ");
 593       ezplotProj.ezset  ("ylength .5.");
 594       ezplotProj.ezset ("box");
 595       ezplotProj.ezset ("grid");
 596       ezplotProj.addCurve (plot_xaxis, filteredProj,  n_filteredProj);
 597       ezplotProj.plot();
 598
 599       cout << "Do you want to exit with current pic (y/n)? " << flush;
 600       char str[256];
 601       fgets(str, sizeof(str), stdin);
 602       if (tolower(str[0]) == 'y') {
 603         break;
 604       }
 605     }
 606 #endif  //HAVE_SGP
 607   }
 608
 609   return true;
 610 }
 611