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 1.7 2000/07/06 08:30:30 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 << "    fft              Fast Fourier Transform\n";
  82 #if HAVE_FFTW
  83   cout << "    fftw             Fast Fourier Transform in the West library\n";
  84 #endif
  85   cout << "  --zeropad n   Set zeropad level (default = 0)\n";
  86   cout << "                set n to number of powers to two to pad\n";
  87   cout << "  --backproj    Backprojection Method" << endl;
  88   cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  89   cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
  90   cout << "    diff        Difference method" << endl;
  91   cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
  92   cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
  93   cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
  94   cout << "  --trace        Set tracing to level" << endl;
  95   cout << "     none      No tracing (default)" << endl;
  96   cout << "     text      Text level tracing" << endl;
  97   cout << "     phm       Trace phantom" << endl;
  98   cout << "     rays      Trace allrays" << endl;
  99   cout << "     plot      Trace plotting" << endl;
 100   cout << "     clipping  Trace clipping" << endl;
 101   cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
 102   cout << "  --debug        Turn on debug mode" << endl;
 103   cout << "  --version      Print version" << endl;
 104   cout << "  --help         Print this help message" << endl;
 105 }
 106
 107
 108 #ifdef HAVE_MPI
 109 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
 110 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 111 #endif
 112
 113
 114 int
 115 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 116 {
 117   Projections projGlobal;
 118   ImageFile* imGlobal = NULL;
 119   char* filenameProj = NULL;
 120   char* filenameImage = NULL;
 121   string remark;
 122   char *endptr;
 123   int optVerbose = 0;
 124   int optDebug = 0;
 125   int optZeroPad = 0;
 126   int optTrace = TRACE_NONE;
 127   double optFilterParam = -1;
 128   string optFilterName = SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR;
 129   string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 130   string optInterpName = Backprojector::INTERP_LINEAR_STR;
 131   string optBackprojName = Backprojector::BPROJ_IDIFF2_STR;
 132   //  string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 133   int optInterpParam = 1;
 134   int nx, ny;
 135 #ifdef HAVE_MPI
 136   ImageFile* imLocal;
 137   int mpi_nview, mpi_ndet;
 138   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 139   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 140 #endif
 141
 142   Timer timerProgram;
 143
 144 #ifdef HAVE_MPI
 145   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 146 #endif
 147     while (1) {
 148       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 149       char *endptr = NULL;
 150
 151       if (c == -1)
 152         break;
 153
 154       switch (c)
 155         {
 156         case O_INTERP:
 157           optInterpName = optarg;
 158           break;
 159         case O_FILTER:
 160           optFilterName = optarg;
 161           break;
 162         case O_FILTER_METHOD:
 163           optFilterMethodName = optarg;
 164           break;
 165         case O_BACKPROJ:
 166           optBackprojName = optarg;
 167           break;
 168         case O_FILTER_PARAM:
 169           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 170           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 171             pjrec_usage(argv[0]);
 172           }
 173           break;
 174         case O_ZEROPAD:
 175           optZeroPad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 176           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 177             pjrec_usage(argv[0]);
 178           }
 179           break;
 180         case O_VERBOSE:
 181           optVerbose = 1;
 182           break;
 183         case O_DEBUG:
 184           optDebug = 1;
 185           break;
 186         case O_TRACE:
 187           if ((optTrace = convertTraceNameToID(optarg)) == TRACE_INVALID) {
 188             pjrec_usage(argv[0]);
 189             return (1);
 190           }
 191           break;
 192         case O_VERSION:
 193 #ifdef VERSION
 194           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 195 #else
 196           cout << "Unknown version number" << endl;
 197 #endif
 198           return (0);
 199         case O_HELP:
 200         case '?':
 201           pjrec_usage(argv[0]);
 202           return (0);
 203         default:
 204           pjrec_usage(argv[0]);
 205           return (1);
 206         }
 207     }
 208
 209     if (optind + 4 != argc) {
 210       pjrec_usage(argv[0]);
 211       return (1);
 212     }
 213
 214     filenameProj = argv[optind];
 215
 216     filenameImage = argv[optind + 1];
 217
 218     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 219     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 220
 221     ostringstream filterDesc;
 222     if (optFilterParam >= 0)
 223       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 224     else
 225       filterDesc << optFilterName;
 226
 227     ostringstream label;
 228     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", " << optBackprojName;
 229     remark = label.str();
 230
 231     if (optVerbose)
 232       cout << "Remark: " << remark << endl;
 233 #ifdef HAVE_MPI
 234   }
 235 #endif
 236
 237 #ifdef HAVE_MPI
 238   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 239     projGlobal.read (filenameProj);
 240     if (optVerbose)
 241       projGlobal.printScanInfo();
 242
 243     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 244     mpi_nview = projGlobal.nView();
 245     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 246     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 247     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 248   }
 249
 250   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 251   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 252   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 253   mpiWorld.BcastString (optFilterMethodName);
 254   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 255   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 256   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 257   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 258   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 259   mpiWorld.getComm().Bcast (&optZeroPad, 1, MPI::INT, 0);
 260   mpiWorld.getComm().Bcast (&optInterpParam, 1, MPI::INT, 0);
 261   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 262   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 263   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 264   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 265   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 266   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 267   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 268   if (optVerbose)
 269       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 270
 271   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 272
 273   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 274   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 275   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 276   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 277
 278   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 279   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 280   if (optVerbose)
 281       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 282
 283   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 284     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 285   }
 286
 287   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 288 #else
 289   projGlobal.read (filenameProj);
 290   if (optVerbose)
 291     projGlobal.printScanInfo();
 292
 293   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 294 #endif
 295
 296 #ifdef HAVE_MPI
 297   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 298   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 299   if (optVerbose)
 300       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 301
 302   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 303   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 304   if (optVerbose)
 305       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 306 #else
 307   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 308 #endif
 309
 310 #ifdef HAVE_MPI
 311   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 312 #endif
 313     {
 314       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 315       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 316       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 317       imGlobal->fileWrite (filenameImage);
 318       if (optVerbose)
 319         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 320     }
 321 #ifdef HAVE_MPI
 322   MPI::Finalize();
 323 #endif
 324
 325   return (0);
 326 }
 327
 328
 329 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 330 // MPI Support Routines
 331 //
 332 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 333
 334 #ifdef HAVE_MPI
 335 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 336 {
 337   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 338     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 339       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 340         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 341         int nDet = detarray.nDet();
 342         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 343
 344         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 345         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 346         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 347         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 348       }
 349     }
 350   }
 351
 352   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 353     MPI::Status status;
 354     int nDet;
 355     double viewAngle;
 356     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 357
 358     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 359     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 360     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 361     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 362   }
 363 }
 364
 365 static void
 366 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 367 {
 368   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 369
 370   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 371     void *recvbuf = NULL;
 372     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 373       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 374       recvbuf = vGlobal[ix];
 375     }
 376     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 377   }
 378 }
 379
 380 #endif
 381
 382
 383 #ifndef NO_MAIN
 384 int
 385 main (int argc, char* argv[])
 386 {
 387   int retval = 1;
 388
 389   try {
 390     retval = pjrec_main(argc, argv);
 391   } catch (exception e) {
 392     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 393   } catch (...) {
 394     cerr << "Unknown exception" << endl;
 395   }
 396
 397   return (retval);
 398 }
 399 #endif
 400