src/pjrec.cpp

   1 /*****************************************************************************
   2 ** FILE IDENTIFICATION
   3 **
   4 **   Name:          pjrec.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: pjrec.cpp,v 1.5 2000/07/04 18:33:35 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_METHOD, 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-method", 1, 0, O_FILTER_METHOD},
  39   {"filter-param", 1, 0, O_FILTER_PARAM},
  40   {"backproj", 1, 0, O_BACKPROJ},
  41   {"trace", 1, 0, O_TRACE},
  42   {"debug", 0, 0, O_DEBUG},
  43   {"verbose", 0, 0, O_VERBOSE},
  44   {"help", 0, 0, O_HELP},
  45   {"version", 0, 0, O_VERSION},
  46   {0, 0, 0, 0}
  47 };
  48
  49
  50 void
  51 pjrec_usage (const char *program)
  52 {
  53   cout << "usage: " << fileBasename(program) << " raysum-file image-file nx-image ny-image [OPTIONS]" << endl;
  54   cout << "Image reconstruction from raysum projections" << endl;
  55   cout << endl;
  56   cout << "   raysum-file     Input raysum file" << endl;
  57   cout << "   image-file      Output image file in SDF2D format" << endl;
  58   cout << "   nx-image        Number of columns in output image" << endl;
  59   cout << "   ny-image        Number of rows in output image" << endl;
  60   cout << "   --interp        Interpolation method during backprojection" << endl;
  61   cout << "       nearest     Nearest neighbor interpolation" << endl;
  62   cout << "       linear      Linear interpolation" << endl;
  63 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  64   cout << "       bspline     B-spline interpolation" << endl;
  65 #endif
  66   cout << "    --filter       Filter name" << endl;
  67   cout << "       abs_bandlimit Abs * Bandlimiting (default)" << endl;
  68   cout << "       abs_sinc      Abs * Sinc" << endl;
  69   cout << "       abs_cos       Abs * Cosine" << endl;
  70   cout << "       abs_hamming   Abs * Hamming" << endl;
  71   cout << "       shepp         Shepp-Logan" << endl;
  72   cout << "       bandlimit     Bandlimiting" << endl;
  73   cout << "       sinc          Sinc" << endl;
  74   cout << "       cos           Cosine" << endl;
  75   cout << "       triangle      Triangle" << endl;
  76   cout << "       hamming       Hamming" << endl;
  77   cout << "    --filter-method  Filter method before backprojections\n";;
  78   cout << "       convolution      Spatial filtering (default)\n";
  79   cout << "       fourier          Frequency filtering with discete fourier\n";
  80   cout << "    --backproj     Backprojection Method" << endl;
  81   cout << "       trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  82   cout << "       table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
  83   cout << "       diff        Difference method" << endl;
  84   cout << "       diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
  85   cout << "       idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
  86   cout << "    --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
  87   cout << "    --trace        Set tracing to level" << endl;
  88   cout << "         none      No tracing (default)" << endl;
  89   cout << "         text      Text level tracing" << endl;
  90   cout << "         phm       Trace phantom" << endl;
  91   cout << "         rays      Trace allrays" << endl;
  92   cout << "         plot      Trace plotting" << endl;
  93   cout << "         clipping  Trace clipping" << endl;
  94   cout << "    --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
  95   cout << "    --debug        Turn on debug mode" << endl;
  96   cout << "    --version      Print version" << endl;
  97   cout << "    --help         Print this help message" << endl;
  98 }
  99
 100
 101 #ifdef HAVE_MPI
 102 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
 103 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 104 #endif
 105
 106
 107 int
 108 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 109 {
 110   Projections projGlobal;
 111   ImageFile* imGlobal = NULL;
 112   char* filenameProj = NULL;
 113   char* filenameImage = NULL;
 114   string remark;
 115   char *endptr;
 116   int optVerbose = 0;
 117   int optDebug = 0;
 118   int optTrace = TRACE_NONE;
 119   double optFilterParam = -1;
 120   string optFilterName = SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR;
 121   string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 122   string optInterpName = Backprojector::INTERP_LINEAR_STR;
 123   string optBackprojName = Backprojector::BPROJ_IDIFF2_STR;
 124   //  string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 125   int optInterpParam = 1;
 126   int nx, ny;
 127 #ifdef HAVE_MPI
 128   ImageFile* imLocal;
 129   int mpi_nview, mpi_ndet;
 130   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 131   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 132 #endif
 133
 134   Timer timerProgram;
 135
 136 #ifdef HAVE_MPI
 137   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 138 #endif
 139     while (1) {
 140       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 141       char *endptr = NULL;
 142
 143       if (c == -1)
 144         break;
 145
 146       switch (c)
 147         {
 148         case O_INTERP:
 149           optInterpName = optarg;
 150           break;
 151         case O_FILTER:
 152           optFilterName = optarg;
 153           break;
 154         case O_FILTER_METHOD:
 155           optFilterMethodName = optarg;
 156           break;
 157         case O_BACKPROJ:
 158           optBackprojName = optarg;
 159           break;
 160         case O_FILTER_PARAM:
 161           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 162           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 163             pjrec_usage(argv[0]);
 164           }
 165           break;
 166         case O_VERBOSE:
 167           optVerbose = 1;
 168           break;
 169         case O_DEBUG:
 170           optDebug = 1;
 171           break;
 172         case O_TRACE:
 173           if ((optTrace = opt_set_trace(optarg)) < 0) {
 174             pjrec_usage(argv[0]);
 175             return (1);
 176           }
 177           break;
 178         case O_VERSION:
 179 #ifdef VERSION
 180           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 181 #else
 182           cout << "Unknown version number" << endl;
 183 #endif
 184           return (0);
 185         case O_HELP:
 186         case '?':
 187           pjrec_usage(argv[0]);
 188           return (0);
 189         default:
 190           pjrec_usage(argv[0]);
 191           return (1);
 192         }
 193     }
 194
 195     if (optind + 4 != argc) {
 196       pjrec_usage(argv[0]);
 197       return (1);
 198     }
 199
 200     filenameProj = argv[optind];
 201
 202     filenameImage = argv[optind + 1];
 203
 204     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 205     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 206
 207     ostringstream filterDesc;
 208     if (optFilterParam >= 0)
 209       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 210     else
 211       filterDesc << optFilterName;
 212
 213     ostringstream label;
 214     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", " << optBackprojName;
 215     remark = label.str();
 216
 217     if (optVerbose)
 218       cout << "Remark: " << remark << endl;
 219 #ifdef HAVE_MPI
 220   }
 221 #endif
 222
 223 #ifdef HAVE_MPI
 224   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 225     projGlobal.read (filenameProj);
 226     if (optVerbose)
 227       projGlobal.printScanInfo();
 228
 229     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 230     mpi_nview = projGlobal.nView();
 231     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 232     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 233     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 234   }
 235
 236   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 237   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 238   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 239   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 240   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 241   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 242   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 243   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 244   mpiWorld.getComm().Bcast (&optInterpParam, 1, MPI::INT, 0);
 245   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 246   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 247   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 248   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 249   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 250   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 251   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 252   if (optVerbose)
 253       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 254
 255   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 256
 257   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 258   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 259   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 260   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 261
 262   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 263   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 264   if (optVerbose)
 265       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 266
 267   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 268     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 269   }
 270
 271   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 272 #else
 273   projGlobal.read (filenameProj);
 274   if (optVerbose)
 275     projGlobal.printScanInfo();
 276
 277   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 278 #endif
 279
 280 #ifdef HAVE_MPI
 281   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 282   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 283   if (optVerbose)
 284       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 285
 286   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 287   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 288   if (optVerbose)
 289       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 290 #else
 291   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 292 #endif
 293
 294 #ifdef HAVE_MPI
 295   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 296 #endif
 297     {
 298       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 299       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 300       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 301       imGlobal->fileWrite (filenameImage);
 302       if (optVerbose)
 303         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 304     }
 305 #ifdef HAVE_MPI
 306   MPI::Finalize();
 307 #endif
 308
 309   return (0);
 310 }
 311
 312
 313 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 314 // MPI Support Routines
 315 //
 316 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 317
 318 #ifdef HAVE_MPI
 319 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 320 {
 321   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 322     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 323       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 324         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 325         int nDet = detarray.nDet();
 326         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 327
 328         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 329         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 330         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 331         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 332       }
 333     }
 334   }
 335
 336   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 337     MPI::Status status;
 338     int nDet;
 339     double viewAngle;
 340     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 341
 342     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 343     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 344     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 345     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 346   }
 347 }
 348
 349 static void
 350 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 351 {
 352   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 353
 354   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 355     void *recvbuf = NULL;
 356     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 357       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 358       recvbuf = vGlobal[ix];
 359     }
 360     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 361   }
 362 }
 363
 364 #endif
 365
 366
 367 #ifndef NO_MAIN
 368 int
 369 main (int argc, char* argv[])
 370 {
 371   int retval = 1;
 372
 373   try {
 374     retval = pjrec_main(argc, argv);
 375   } catch (exception e) {
 376     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 377   } catch (...) {
 378     cerr << "Unknown exception" << endl;
 379   }
 380
 381   return (retval);
 382 }
 383 #endif
 384