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 1.14 2000/06/25 17:32:24 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   Projections projGlobal;
 107   ImageFile* imGlobal = NULL;
 108   char* filenameProj = NULL;
 109   char* filenameImage = NULL;
 110   string remark;
 111   char *endptr;
 112   int optVerbose = 0;
 113   int optDebug = 0;
 114   int optTrace = TRACE_NONE;
 115   double optFilterParam = -1;
 116   string optFilterName = SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR;
 117   string optInterpName = Backprojector::INTERP_LINEAR_STR;
 118   string optBackprojName = Backprojector::BPROJ_IDIFF2_STR;
 119   //  string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 120   int optInterpParam = 1;
 121   int nx, ny;
 122 #ifdef HAVE_MPI
 123   ImageFile* imLocal;
 124   int mpi_nview, mpi_ndet;
 125   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 126   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 127 #endif
 128
 129   Timer timerProgram;
 130
 131 #ifdef HAVE_MPI
 132   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 133 #endif
 134     while (1) {
 135       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 136       char *endptr = NULL;
 137
 138       if (c == -1)
 139         break;
 140
 141       switch (c)
 142         {
 143         case O_INTERP:
 144           optInterpName = optarg;
 145           break;
 146         case O_FILTER:
 147           optFilterName = optarg;
 148           break;
 149         case O_BACKPROJ:
 150           optBackprojName = optarg;
 151           break;
 152         case O_FILTER_PARAM:
 153           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 154           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 155             ctrec_usage(argv[0]);
 156           }
 157           break;
 158         case O_VERBOSE:
 159           optVerbose = 1;
 160           break;
 161         case O_DEBUG:
 162           optDebug = 1;
 163           break;
 164         case O_TRACE:
 165           if ((optTrace = opt_set_trace(optarg)) < 0) {
 166             ctrec_usage(argv[0]);
 167             return (1);
 168           }
 169           break;
 170         case O_VERSION:
 171 #ifdef VERSION
 172           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 173 #else
 174           cout << "Unknown version number" << endl;
 175 #endif
 176           return (0);
 177         case O_HELP:
 178         case '?':
 179           ctrec_usage(argv[0]);
 180           return (0);
 181         default:
 182           ctrec_usage(argv[0]);
 183           return (1);
 184         }
 185     }
 186
 187     if (optind + 4 != argc) {
 188       ctrec_usage(argv[0]);
 189       return (1);
 190     }
 191
 192     filenameProj = argv[optind];
 193
 194     filenameImage = argv[optind + 1];
 195
 196     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 197     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 198
 199     ostringstream filterDesc;
 200     if (optFilterParam >= 0)
 201       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 202     else
 203       filterDesc << optFilterName;
 204
 205     ostringstream label;
 206     label << "Reconstruct: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", " << optBackprojName;
 207     remark = label.str();
 208
 209     if (optVerbose)
 210       cout << "Remark: " << remark << endl;
 211 #ifdef HAVE_MPI
 212   }
 213 #endif
 214
 215 #ifdef HAVE_MPI
 216   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 217     projGlobal.read (filenameProj);
 218     if (optVerbose)
 219       projGlobal.printScanInfo();
 220
 221     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 222     mpi_nview = projGlobal.nView();
 223     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 224     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 225     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 226   }
 227
 228   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 229   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 230   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 231   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 232   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 233   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 234   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 235   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 236   mpiWorld.getComm().Bcast (&optInterpParam, 1, MPI::INT, 0);
 237   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 238   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 239   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 240   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 241   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 242   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 243   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 244   if (optVerbose)
 245       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 246
 247   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 248
 249   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 250   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 251   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 252   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 253
 254   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 255   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 256   if (optVerbose)
 257       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 258
 259   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 260     imGlobal = new ImageFile (filenameImage, nx, ny);
 261     imGlobal->fileCreate();
 262   }
 263
 264   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 265 #else
 266   projGlobal.read (filenameProj);
 267   if (optVerbose)
 268     projGlobal.printScanInfo();
 269
 270   imGlobal = new ImageFile (filenameImage, nx, ny);
 271   imGlobal->fileCreate();
 272 #endif
 273
 274 #ifdef HAVE_MPI
 275   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 276   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 277   if (optVerbose)
 278       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 279
 280   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 281   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 282   if (optVerbose)
 283       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 284 #else
 285   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 286 #endif
 287
 288 #ifdef HAVE_MPI
 289   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 290 #endif
 291     {
 292       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 293       imGlobal->arrayDataWrite ();
 294       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, projGlobal.remark(), projGlobal.calcTime());
 295       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 296       imGlobal->fileClose ();
 297       if (optVerbose)
 298         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 299     }
 300 #ifdef HAVE_MPI
 301   MPI::Finalize();
 302 #endif
 303
 304   return (0);
 305 }
 306
 307
 308 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 309 // MPI Support Routines
 310 //
 311 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 312
 313 #ifdef HAVE_MPI
 314 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 315 {
 316   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 317     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 318       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 319         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 320         int nDet = detarray.nDet();
 321         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 322
 323         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 324         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 325         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 326         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 327       }
 328     }
 329   }
 330
 331   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 332     MPI::Status status;
 333     int nDet;
 334     double viewAngle;
 335     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 336
 337     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 338     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 339     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 340     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 341   }
 342 }
 343
 344 static void
 345 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 346 {
 347   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 348
 349   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 350     void *recvbuf = NULL;
 351     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 352       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 353       recvbuf = vGlobal[ix];
 354     }
 355     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 356   }
 357 }
 358
 359 #endif
 360
 361
 362 #ifndef NO_MAIN
 363 int
 364 main (int argc, char* argv[])
 365 {
 366   int retval = 1;
 367
 368   try {
 369     retval = ctrec_main(argc, argv);
 370   } catch (exception e) {
 371     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 372   } catch (...) {
 373     cerr << "Unknown exception" << endl;
 374   }
 375
 376   return (retval);
 377 }
 378 #endif
 379