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 1.9 2000/07/09 08:16:18 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_ZEROPAD, 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   {"zeropad", 1, 0, O_ZEROPAD},
  40   {"filter-param", 1, 0, O_FILTER_PARAM},
  41   {"backproj", 1, 0, O_BACKPROJ},
  42   {"trace", 1, 0, O_TRACE},
  43   {"debug", 0, 0, O_DEBUG},
  44   {"verbose", 0, 0, O_VERBOSE},
  45   {"help", 0, 0, O_HELP},
  46   {"version", 0, 0, O_VERSION},
  47   {0, 0, 0, 0}
  48 };
  49
  50
  51 void
  52 pjrec_usage (const char *program)
  53 {
  54   cout << "usage: " << fileBasename(program) << " raysum-file image-file nx-image ny-image [OPTIONS]" << endl;
  55   cout << "Image reconstruction from raysum projections" << endl;
  56   cout << endl;
  57   cout << "  raysum-file     Input raysum file" << endl;
  58   cout << "  image-file      Output image file in SDF2D format" << endl;
  59   cout << "  nx-image        Number of columns in output image" << endl;
  60   cout << "  ny-image        Number of rows in output image" << endl;
  61   cout << "  --interp        Interpolation method during backprojection" << endl;
  62   cout << "    nearest     Nearest neighbor interpolation" << endl;
  63   cout << "    linear      Linear interpolation" << endl;
  64 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  65   cout << "    bspline     B-spline interpolation" << endl;
  66 #endif
  67   cout << "  --filter       Filter name" << endl;
  68   cout << "    abs_bandlimit Abs * Bandlimiting (default)" << endl;
  69   cout << "    abs_sinc      Abs * Sinc" << endl;
  70   cout << "    abs_cos       Abs * Cosine" << endl;
  71   cout << "    abs_hamming   Abs * Hamming" << endl;
  72   cout << "    shepp         Shepp-Logan" << endl;
  73   cout << "    bandlimit     Bandlimiting" << endl;
  74   cout << "    sinc          Sinc" << endl;
  75   cout << "    cos           Cosine" << endl;
  76   cout << "    triangle      Triangle" << endl;
  77   cout << "    hamming       Hamming" << endl;
  78   cout << "  --filter-method  Filter method before backprojections\n";;
  79   cout << "    convolution      Spatial filtering (default)\n";
  80   cout << "    fourier          Frequency filtering with discete fourier\n";
  81   cout << "    fourier_table    Frequency filtering with table lookup fourier\n";
  82   cout << "    fft              Fast Fourier Transform\n";
  83 #if HAVE_FFTW
  84   cout << "    fftw             Fast Fourier Transform West library\n";
  85   cout << "    rfftw            Fast Fourier Transform West (real-mode) library\n";
  86 #endif
  87   cout << "  --zeropad n   Set zeropad level (default = 0)\n";
  88   cout << "                set n to number of powers to two to pad\n";
  89   cout << "  --backproj    Backprojection Method" << endl;
  90   cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  91   cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
  92   cout << "    diff        Difference method" << endl;
  93   cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
  94   cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
  95   cout << "    idiff3      Highly-optimized difference method with integer math" << endl;
  96   cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
  97   cout << "  --trace        Set tracing to level" << endl;
  98   cout << "     none      No tracing (default)" << endl;
  99   cout << "     text      Text level tracing" << endl;
 100   cout << "     phm       Trace phantom" << endl;
 101   cout << "     rays      Trace allrays" << endl;
 102   cout << "     plot      Trace plotting" << endl;
 103   cout << "     clipping  Trace clipping" << endl;
 104   cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
 105   cout << "  --debug        Turn on debug mode" << endl;
 106   cout << "  --version      Print version" << endl;
 107   cout << "  --help         Print this help message" << endl;
 108 }
 109
 110
 111 #ifdef HAVE_MPI
 112 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
 113 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 114 #endif
 115
 116
 117 int
 118 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 119 {
 120   Projections projGlobal;
 121   ImageFile* imGlobal = NULL;
 122   char* filenameProj = NULL;
 123   char* filenameImage = NULL;
 124   string remark;
 125   char *endptr;
 126   int optVerbose = 0;
 127   int optDebug = 0;
 128   int optZeroPad = 0;
 129   int optTrace = TRACE_NONE;
 130   double optFilterParam = -1;
 131   string optFilterName = SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR;
 132   string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 133   string optInterpName = Backprojector::INTERP_LINEAR_STR;
 134   string optBackprojName = Backprojector::BPROJ_IDIFF2_STR;
 135   //  string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 136   int optInterpParam = 1;
 137   int nx, ny;
 138 #ifdef HAVE_MPI
 139   ImageFile* imLocal;
 140   int mpi_nview, mpi_ndet;
 141   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 142   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 143 #endif
 144
 145   Timer timerProgram;
 146
 147 #ifdef HAVE_MPI
 148   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 149 #endif
 150     while (1) {
 151       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 152       char *endptr = NULL;
 153
 154       if (c == -1)
 155         break;
 156
 157       switch (c)
 158         {
 159         case O_INTERP:
 160           optInterpName = optarg;
 161           break;
 162         case O_FILTER:
 163           optFilterName = optarg;
 164           break;
 165         case O_FILTER_METHOD:
 166           optFilterMethodName = optarg;
 167           break;
 168         case O_BACKPROJ:
 169           optBackprojName = optarg;
 170           break;
 171         case O_FILTER_PARAM:
 172           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 173           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 174             pjrec_usage(argv[0]);
 175           }
 176           break;
 177         case O_ZEROPAD:
 178           optZeroPad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 179           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 180             pjrec_usage(argv[0]);
 181           }
 182           break;
 183         case O_VERBOSE:
 184           optVerbose = 1;
 185           break;
 186         case O_DEBUG:
 187           optDebug = 1;
 188           break;
 189         case O_TRACE:
 190           if ((optTrace = convertTraceNameToID(optarg)) == TRACE_INVALID) {
 191             pjrec_usage(argv[0]);
 192             return (1);
 193           }
 194           break;
 195         case O_VERSION:
 196 #ifdef VERSION
 197           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 198 #else
 199           cout << "Unknown version number" << endl;
 200 #endif
 201           return (0);
 202         case O_HELP:
 203         case '?':
 204           pjrec_usage(argv[0]);
 205           return (0);
 206         default:
 207           pjrec_usage(argv[0]);
 208           return (1);
 209         }
 210     }
 211
 212     if (optind + 4 != argc) {
 213       pjrec_usage(argv[0]);
 214       return (1);
 215     }
 216
 217     filenameProj = argv[optind];
 218
 219     filenameImage = argv[optind + 1];
 220
 221     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 222     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 223
 224     ostringstream filterDesc;
 225     if (optFilterParam >= 0)
 226       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 227     else
 228       filterDesc << optFilterName;
 229
 230     ostringstream label;
 231     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", " << optBackprojName;
 232     remark = label.str();
 233
 234     if (optVerbose)
 235       cout << "Remark: " << remark << endl;
 236 #ifdef HAVE_MPI
 237   }
 238 #endif
 239
 240 #ifdef HAVE_MPI
 241   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 242     projGlobal.read (filenameProj);
 243     if (optVerbose)
 244       projGlobal.printScanInfo();
 245
 246     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 247     mpi_nview = projGlobal.nView();
 248     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 249     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 250     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 251   }
 252
 253   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 254   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 255   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 256   mpiWorld.BcastString (optFilterMethodName);
 257   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 258   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 259   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 260   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 261   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 262   mpiWorld.getComm().Bcast (&optZeroPad, 1, MPI::INT, 0);
 263   mpiWorld.getComm().Bcast (&optInterpParam, 1, MPI::INT, 0);
 264   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 265   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 266   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 267   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 268   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 269   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 270   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 271   if (optVerbose)
 272       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 273
 274   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 275
 276   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 277   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 278   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 279   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 280
 281   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 282   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 283   if (optVerbose)
 284       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 285
 286   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 287     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 288   }
 289
 290   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 291 #else
 292   projGlobal.read (filenameProj);
 293   if (optVerbose)
 294     projGlobal.printScanInfo();
 295
 296   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 297 #endif
 298
 299 #ifdef HAVE_MPI
 300   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 301   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 302   if (optVerbose)
 303       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 304
 305   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 306   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 307   if (optVerbose)
 308       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 309 #else
 310   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 311 #endif
 312
 313 #ifdef HAVE_MPI
 314   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 315 #endif
 316     {
 317       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 318       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 319       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 320       imGlobal->fileWrite (filenameImage);
 321       if (optVerbose)
 322         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 323     }
 324 #ifdef HAVE_MPI
 325   MPI::Finalize();
 326 #endif
 327
 328   return (0);
 329 }
 330
 331
 332 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 333 // MPI Support Routines
 334 //
 335 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 336
 337 #ifdef HAVE_MPI
 338 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 339 {
 340   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 341     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 342       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 343         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 344         int nDet = detarray.nDet();
 345         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 346
 347         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 348         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 349         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 350         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 351       }
 352     }
 353   }
 354
 355   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 356     MPI::Status status;
 357     int nDet;
 358     double viewAngle;
 359     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 360
 361     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 362     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 363     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 364     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 365   }
 366 }
 367
 368 static void
 369 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 370 {
 371   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 372
 373   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 374     void *recvbuf = NULL;
 375     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 376       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 377       recvbuf = vGlobal[ix];
 378     }
 379     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 380   }
 381 }
 382
 383 #endif
 384
 385
 386 #ifndef NO_MAIN
 387 int
 388 main (int argc, char* argv[])
 389 {
 390   int retval = 1;
 391
 392   try {
 393     retval = pjrec_main(argc, argv);
 394   } catch (exception e) {
 395     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 396   } catch (...) {
 397     cerr << "Unknown exception" << endl;
 398   }
 399
 400   return (retval);
 401 }
 402 #endif
 403