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 1.8 2000/07/06 18:37:24 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_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 << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
  96   cout << "  --trace        Set tracing to level" << endl;
  97   cout << "     none      No tracing (default)" << endl;
  98   cout << "     text      Text level tracing" << endl;
  99   cout << "     phm       Trace phantom" << endl;
 100   cout << "     rays      Trace allrays" << endl;
 101   cout << "     plot      Trace plotting" << endl;
 102   cout << "     clipping  Trace clipping" << endl;
 103   cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
 104   cout << "  --debug        Turn on debug mode" << endl;
 105   cout << "  --version      Print version" << endl;
 106   cout << "  --help         Print this help message" << endl;
 107 }
 108
 109
 110 #ifdef HAVE_MPI
 111 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
 112 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 113 #endif
 114
 115
 116 int
 117 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 118 {
 119   Projections projGlobal;
 120   ImageFile* imGlobal = NULL;
 121   char* filenameProj = NULL;
 122   char* filenameImage = NULL;
 123   string remark;
 124   char *endptr;
 125   int optVerbose = 0;
 126   int optDebug = 0;
 127   int optZeroPad = 0;
 128   int optTrace = TRACE_NONE;
 129   double optFilterParam = -1;
 130   string optFilterName = SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR;
 131   string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 132   string optInterpName = Backprojector::INTERP_LINEAR_STR;
 133   string optBackprojName = Backprojector::BPROJ_IDIFF2_STR;
 134   //  string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 135   int optInterpParam = 1;
 136   int nx, ny;
 137 #ifdef HAVE_MPI
 138   ImageFile* imLocal;
 139   int mpi_nview, mpi_ndet;
 140   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 141   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 142 #endif
 143
 144   Timer timerProgram;
 145
 146 #ifdef HAVE_MPI
 147   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 148 #endif
 149     while (1) {
 150       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 151       char *endptr = NULL;
 152
 153       if (c == -1)
 154         break;
 155
 156       switch (c)
 157         {
 158         case O_INTERP:
 159           optInterpName = optarg;
 160           break;
 161         case O_FILTER:
 162           optFilterName = optarg;
 163           break;
 164         case O_FILTER_METHOD:
 165           optFilterMethodName = optarg;
 166           break;
 167         case O_BACKPROJ:
 168           optBackprojName = optarg;
 169           break;
 170         case O_FILTER_PARAM:
 171           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 172           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 173             pjrec_usage(argv[0]);
 174           }
 175           break;
 176         case O_ZEROPAD:
 177           optZeroPad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 178           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 179             pjrec_usage(argv[0]);
 180           }
 181           break;
 182         case O_VERBOSE:
 183           optVerbose = 1;
 184           break;
 185         case O_DEBUG:
 186           optDebug = 1;
 187           break;
 188         case O_TRACE:
 189           if ((optTrace = convertTraceNameToID(optarg)) == TRACE_INVALID) {
 190             pjrec_usage(argv[0]);
 191             return (1);
 192           }
 193           break;
 194         case O_VERSION:
 195 #ifdef VERSION
 196           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 197 #else
 198           cout << "Unknown version number" << endl;
 199 #endif
 200           return (0);
 201         case O_HELP:
 202         case '?':
 203           pjrec_usage(argv[0]);
 204           return (0);
 205         default:
 206           pjrec_usage(argv[0]);
 207           return (1);
 208         }
 209     }
 210
 211     if (optind + 4 != argc) {
 212       pjrec_usage(argv[0]);
 213       return (1);
 214     }
 215
 216     filenameProj = argv[optind];
 217
 218     filenameImage = argv[optind + 1];
 219
 220     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 221     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 222
 223     ostringstream filterDesc;
 224     if (optFilterParam >= 0)
 225       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 226     else
 227       filterDesc << optFilterName;
 228
 229     ostringstream label;
 230     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", " << optBackprojName;
 231     remark = label.str();
 232
 233     if (optVerbose)
 234       cout << "Remark: " << remark << endl;
 235 #ifdef HAVE_MPI
 236   }
 237 #endif
 238
 239 #ifdef HAVE_MPI
 240   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 241     projGlobal.read (filenameProj);
 242     if (optVerbose)
 243       projGlobal.printScanInfo();
 244
 245     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 246     mpi_nview = projGlobal.nView();
 247     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 248     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 249     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 250   }
 251
 252   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 253   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 254   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 255   mpiWorld.BcastString (optFilterMethodName);
 256   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 257   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 258   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 259   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 260   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 261   mpiWorld.getComm().Bcast (&optZeroPad, 1, MPI::INT, 0);
 262   mpiWorld.getComm().Bcast (&optInterpParam, 1, MPI::INT, 0);
 263   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 264   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 265   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 266   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 267   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 268   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 269   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 270   if (optVerbose)
 271       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 272
 273   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 274
 275   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 276   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 277   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 278   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 279
 280   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 281   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 282   if (optVerbose)
 283       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 284
 285   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 286     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 287   }
 288
 289   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 290 #else
 291   projGlobal.read (filenameProj);
 292   if (optVerbose)
 293     projGlobal.printScanInfo();
 294
 295   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 296 #endif
 297
 298 #ifdef HAVE_MPI
 299   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 300   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 301   if (optVerbose)
 302       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 303
 304   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 305   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 306   if (optVerbose)
 307       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 308 #else
 309   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optInterpParam, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 310 #endif
 311
 312 #ifdef HAVE_MPI
 313   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 314 #endif
 315     {
 316       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 317       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 318       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 319       imGlobal->fileWrite (filenameImage);
 320       if (optVerbose)
 321         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 322     }
 323 #ifdef HAVE_MPI
 324   MPI::Finalize();
 325 #endif
 326
 327   return (0);
 328 }
 329
 330
 331 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 332 // MPI Support Routines
 333 //
 334 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 335
 336 #ifdef HAVE_MPI
 337 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 338 {
 339   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 340     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 341       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 342         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 343         int nDet = detarray.nDet();
 344         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 345
 346         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 347         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 348         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 349         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 350       }
 351     }
 352   }
 353
 354   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 355     MPI::Status status;
 356     int nDet;
 357     double viewAngle;
 358     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 359
 360     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 361     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 362     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 363     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 364   }
 365 }
 366
 367 static void
 368 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 369 {
 370   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 371
 372   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 373     void *recvbuf = NULL;
 374     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 375       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 376       recvbuf = vGlobal[ix];
 377     }
 378     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 379   }
 380 }
 381
 382 #endif
 383
 384
 385 #ifndef NO_MAIN
 386 int
 387 main (int argc, char* argv[])
 388 {
 389   int retval = 1;
 390
 391   try {
 392     retval = pjrec_main(argc, argv);
 393   } catch (exception e) {
 394     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 395   } catch (...) {
 396     cerr << "Unknown exception" << endl;
 397   }
 398
 399   return (retval);
 400 }
 401 #endif
 402