src/ctrec.cpp

   1 /*****************************************************************************
   2 ** FILE IDENTIFICATION
   3 **
   4 **   Name:          ctrec.cpp
   5 **   Purpose:       Reconstruct an image from projections
   6 **   Programmer:    Kevin Rosenberg
   7 **   Date Started:  Aug 1984
   8 **
   9 **  This is part of the CTSim program
  10 **  Copyright (C) 1983-2000 Kevin Rosenberg
  11 **
  12 **  $Id: ctrec.cpp,v 1.13 2000/06/22 10:17:28 kevin Exp $
  13 **
  14 **  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  15 **  it under the terms of the GNU General Public License (version 2) as
  16 **  published by the Free Software Foundation.
  17 **
  18 **  This program is distributed in the hope that it will be useful,
  19 **  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  20 **  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  21 **  GNU General Public License for more details.
  22 **
  23 **  You should have received a copy of the GNU General Public License
  24 **  along with this program; if not, write to the Free Software
  25 **  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
  26 ******************************************************************************/
  27
  28 #include "ct.h"
  29 #include "timer.h"
  30
  31
  32 enum {O_INTERP, O_FILTER, O_FILTER_PARAM, O_BACKPROJ, O_VERBOSE, O_TRACE, O_HELP, O_DEBUG, O_VERSION};
  33
  34 static struct option my_options[] =
  35 {
  36   {"interp", 1, 0, O_INTERP},
  37   {"filter", 1, 0, O_FILTER},
  38   {"filter-param", 1, 0, O_FILTER_PARAM},
  39   {"backproj", 1, 0, O_BACKPROJ},
  40   {"trace", 1, 0, O_TRACE},
  41   {"debug", 0, 0, O_DEBUG},
  42   {"verbose", 0, 0, O_VERBOSE},
  43   {"help", 0, 0, O_HELP},
  44   {"version", 0, 0, O_VERSION},
  45   {0, 0, 0, 0}
  46 };
  47
  48
  49 void
  50 ctrec_usage (const char *program)
  51 {
  52   cout << "usage: " << fileBasename(program) << " raysum-file image-file nx-image ny-image [OPTIONS]" << endl;
  53   cout << "Image reconstruction from raysum projections" << endl;
  54   cout << endl;
  55   cout << "   raysum-file     Input raysum file" << endl;
  56   cout << "   image-file      Output image file in SDF2D format" << endl;
  57   cout << "   nx-image        Number of columns in output image" << endl;
  58   cout << "   ny-image        Number of rows in output image" << endl;
  59   cout << "   --interp        Interpolation method during backprojection" << endl;
  60   cout << "       nearest     Nearest neighbor interpolation" << endl;
  61   cout << "       linear      Linear interpolation" << endl;
  62 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  63   cout << "       bspline     B-spline interpolation" << endl;
  64 #endif
  65   cout << "    --filter       Filter name" << endl;
  66   cout << "       abs_bandlimit Abs * Bandlimiting (default)" << endl;
  67   cout << "       abs_sinc      Abs * Sinc" << endl;
  68   cout << "       abs_cos       Abs * Cosine" << endl;
  69   cout << "       abs_hamming   Abs * Hamming" << endl;
  70   cout << "       shepp         Shepp-Logan" << endl;
  71   cout << "       bandlimit     Bandlimiting" << endl;
  72   cout << "       sinc          Sinc" << endl;
  73   cout << "       cos           Cosine" << endl;
  74   cout << "       triangle      Triangle" << endl;
  75   cout << "       hamming       Hamming" << endl;
  76   cout << "    --backproj     Backprojection Method" << endl;
  77   cout << "       trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  78   cout << "       table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
  79   cout << "       diff        Difference method" << endl;
  80   cout << "       diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
  81   cout << "       idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
  82   cout << "    --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
  83   cout << "    --trace        Set tracing to level" << endl;
  84   cout << "         none      No tracing (default)" << endl;
  85   cout << "         text      Text level tracing" << endl;
  86   cout << "         phm       Trace phantom" << endl;
  87   cout << "         rays      Trace allrays" << endl;
  88   cout << "         plot      Trace plotting" << endl;
  89   cout << "         clipping  Trace clipping" << endl;
  90   cout << "    --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
  91   cout << "    --debug        Turn on debug mode" << endl;
  92   cout << "    --version      Print version" << endl;
  93   cout << "    --help         Print this help message" << endl;
  94 }
  95
  96
  97 #ifdef HAVE_MPI
  98 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
  99 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 100 #endif
 101
 102
 103 int
 104 ctrec_main (int argc, char * argv[])
 105 {
 106   ImageFile *imGlobal = NULL;
 107   Projections projGlobal;
 108   char *pj_name, *im_filename = NULL;
 109   string remark;
 110   char *endptr;
 111   int opt_verbose = 0;
 112   int opt_debug = 0;
 113   int opt_trace = TRACE_NONE;
 114   double opt_filter_param = 1;
 115   string optFilterName = "abs_bandlimit";
 116   string optInterpName = "linear";
 117   string optBackprojName = "idiff2";
 118   int opt_interp_param = 1;
 119   int nx, ny;
 120 #ifdef HAVE_MPI
 121   ImageFile *imLocal;
 122   int mpi_nview, mpi_ndet;
 123   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 124   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 125 #endif
 126
 127   Timer timerProgram;
 128
 129 #ifdef HAVE_MPI
 130   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 131 #endif
 132     while (1) {
 133       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 134       char *endptr = NULL;
 135
 136       if (c == -1)
 137         break;
 138
 139       switch (c)
 140         {
 141         case O_INTERP:
 142           optInterpName = optarg;
 143           break;
 144         case O_FILTER:
 145           optFilterName = optarg;
 146           break;
 147         case O_BACKPROJ:
 148           optBackprojName = optarg;
 149           break;
 150         case O_FILTER_PARAM:
 151           opt_filter_param = strtod(optarg, &endptr);
 152           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 153             ctrec_usage(argv[0]);
 154           }
 155           break;
 156         case O_VERBOSE:
 157           opt_verbose = 1;
 158           break;
 159         case O_DEBUG:
 160           opt_debug = 1;
 161           break;
 162         case O_TRACE:
 163           if ((opt_trace = opt_set_trace(optarg)) < 0) {
 164             ctrec_usage(argv[0]);
 165             return (1);
 166           }
 167           break;
 168         case O_VERSION:
 169 #ifdef VERSION
 170           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 171 #else
 172           cout << "Unknown version number" << endl;
 173 #endif
 174           return (0);
 175         case O_HELP:
 176         case '?':
 177           ctrec_usage(argv[0]);
 178           return (0);
 179         default:
 180           ctrec_usage(argv[0]);
 181           return (1);
 182         }
 183     }
 184
 185     if (optind + 4 != argc) {
 186       ctrec_usage(argv[0]);
 187       return (1);
 188     }
 189
 190     pj_name = argv[optind];
 191
 192     im_filename = argv[optind + 1];
 193
 194     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 195     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 196
 197     ostringstream filterDesc;
 198     if (opt_filter_param >= 0)
 199       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << opt_filter_param;
 200     else
 201       filterDesc << optFilterName;
 202
 203     ostringstream label;
 204     label << "Reconstruct: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", " << optBackprojName;
 205     remark = label.str();
 206
 207     if (opt_verbose)
 208       cout << "Remark: " << remark << endl;
 209 #ifdef HAVE_MPI
 210   }
 211 #endif
 212
 213 #ifdef HAVE_MPI
 214   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 215     projGlobal.read (pj_name);
 216     if (opt_verbose)
 217       projGlobal.printScanInfo();
 218
 219     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 220     mpi_nview = projGlobal.nView();
 221     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 222     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 223     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 224   }
 225
 226   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 227   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 228   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 229   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 230   mpiWorld.getComm().Bcast (&opt_verbose, 1, MPI::INT, 0);
 231   mpiWorld.getComm().Bcast (&opt_debug, 1, MPI::INT, 0);
 232   mpiWorld.getComm().Bcast (&opt_trace, 1, MPI::INT, 0);
 233   mpiWorld.getComm().Bcast (&opt_filter_param, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 234   mpiWorld.getComm().Bcast (&opt_interp_param, 1, MPI::INT, 0);
 235   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 236   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 237   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 238   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 239   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 240   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 241   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 242   if (opt_verbose)
 243       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 244
 245   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 246
 247   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 248   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 249   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 250   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 251
 252   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 253   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, opt_debug);
 254   if (opt_verbose)
 255       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 256
 257   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 258     imGlobal = new ImageFile (im_filename, nx, ny);
 259     imGlobal->fileCreate();
 260   }
 261
 262   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 263 #else
 264   projGlobal.read (pj_name);
 265   if (opt_verbose)
 266     projGlobal.printScanInfo();
 267
 268   imGlobal = new ImageFile (im_filename, nx, ny);
 269   imGlobal->fileCreate();
 270 #endif
 271
 272 #ifdef HAVE_MPI
 273   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 274   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), opt_filter_param, optInterpName.c_str(), opt_interp_param, optBackprojName.c_str(), opt_trace);
 275   if (opt_verbose)
 276       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 277
 278   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 279   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 280   if (opt_verbose)
 281       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 282 #else
 283   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), opt_filter_param, optInterpName.c_str(), opt_interp_param, optBackprojName.c_str(), opt_trace);
 284 #endif
 285
 286 #ifdef HAVE_MPI
 287   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 288 #endif
 289     {
 290       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 291       imGlobal->arrayDataWrite ();
 292       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, projGlobal.remark(), projGlobal.calcTime());
 293       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 294       imGlobal->fileClose ();
 295       if (opt_verbose)
 296         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 297     }
 298 #ifdef HAVE_MPI
 299   MPI::Finalize();
 300 #endif
 301
 302   return (0);
 303 }
 304
 305
 306 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 307 // MPI Support Routines
 308 //
 309 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 310
 311 #ifdef HAVE_MPI
 312 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int opt_debug)
 313 {
 314   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 315     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 316       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 317         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 318         int nDet = detarray.nDet();
 319         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 320
 321         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 322         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 323         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 324         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 325       }
 326     }
 327   }
 328
 329   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 330     MPI::Status status;
 331     int nDet;
 332     double viewAngle;
 333     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 334
 335     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 336     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 337     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 338     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 339   }
 340 }
 341
 342 static void
 343 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 344 {
 345   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 346
 347   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 348     void *recvbuf = NULL;
 349     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 350       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 351       recvbuf = vGlobal[ix];
 352     }
 353     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 354   }
 355 }
 356
 357 #endif
 358
 359
 360 #ifndef NO_MAIN
 361 int
 362 main (int argc, char* argv[])
 363 {
 364   int retval = 1;
 365
 366   try {
 367     retval = ctrec_main(argc, argv);
 368   } catch (exception e) {
 369     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 370   } catch (...) {
 371     cerr << "Unknown exception" << endl;
 372   }
 373
 374   return (retval);
 375 }
 376 #endif
 377