tools/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 1.6 2000/07/28 08:28:08 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_PREINTERPOLATION_FACTOR, 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   {"preinterpolation-factor", 1, 0, O_PREINTERPOLATION_FACTOR},
  38   {"filter", 1, 0, O_FILTER},
  39   {"filter-method", 1, 0, O_FILTER_METHOD},
  40   {"zeropad", 1, 0, O_ZEROPAD},
  41   {"filter-param", 1, 0, O_FILTER_PARAM},
  42   {"backproj", 1, 0, O_BACKPROJ},
  43   {"trace", 1, 0, O_TRACE},
  44   {"debug", 0, 0, O_DEBUG},
  45   {"verbose", 0, 0, O_VERBOSE},
  46   {"help", 0, 0, O_HELP},
  47   {"version", 0, 0, O_VERSION},
  48   {0, 0, 0, 0}
  49 };
  50
  51
  52 void
  53 pjrec_usage (const char *program)
  54 {
  55   cout << "usage: " << fileBasename(program) << " raysum-file image-file nx-image ny-image [OPTIONS]" << endl;
  56   cout << "Image reconstruction from raysum projections" << endl;
  57   cout << endl;
  58   cout << "  raysum-file     Input raysum file" << endl;
  59   cout << "  image-file      Output image file in SDF2D format" << endl;
  60   cout << "  nx-image        Number of columns in output image" << endl;
  61   cout << "  ny-image        Number of rows in output image" << endl;
  62   cout << "  --interp        Interpolation method during backprojection" << endl;
  63   cout << "    nearest     Nearest neighbor interpolation" << endl;
  64   cout << "    linear      Linear interpolation" << endl;
  65 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  66   cout << "    bspline     B-spline interpolation" << endl;
  67 #endif
  68   cout << "  --preinterpolate  Preinterpolation factor (default = 1)\n";
  69   cout << "                    Used only with frequency-based filtering\n";
  70   cout << "  --filter       Filter name" << endl;
  71   cout << "    abs_bandlimit Abs * Bandlimiting (default)" << endl;
  72   cout << "    abs_sinc      Abs * Sinc" << endl;
  73   cout << "    abs_cos       Abs * Cosine" << endl;
  74   cout << "    abs_hamming   Abs * Hamming" << endl;
  75   cout << "    shepp         Shepp-Logan" << endl;
  76   cout << "    bandlimit     Bandlimiting" << endl;
  77   cout << "    sinc          Sinc" << endl;
  78   cout << "    cos           Cosine" << endl;
  79   cout << "    triangle      Triangle" << endl;
  80   cout << "    hamming       Hamming" << endl;
  81   cout << "  --filter-method  Filter method before backprojections\n";;
  82   cout << "    convolution      Spatial filtering (default)\n";
  83   cout << "    fourier          Frequency filtering with discete fourier\n";
  84   cout << "    fourier_table    Frequency filtering with table lookup fourier\n";
  85   cout << "    fft              Fast Fourier Transform\n";
  86 #if HAVE_FFTW
  87   cout << "    fftw             Fast Fourier Transform West library\n";
  88   cout << "    rfftw            Fast Fourier Transform West (real-mode) library\n";
  89 #endif
  90   cout << "  --zeropad n   Set zeropad level (default = 0)\n";
  91   cout << "                set n to number of powers to two to pad\n";
  92   cout << "  --frequency-filter  Set type of frequency filter\n";
  93   cout << "    direct      Use direct frequency filter\n";
  94   cout << "    ifourier    Use inverse fourier transform of spatial filter\n";
  95   cout << "  --backproj    Backprojection Method" << endl;
  96   cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  97   cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
  98   cout << "    diff        Difference method" << endl;
  99   cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
 100   cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
 101   cout << "    idiff3      Highly-optimized difference method with integer math" << endl;
 102   cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
 103   cout << "  --trace        Set tracing to level" << endl;
 104   cout << "     none      No tracing (default)" << endl;
 105   cout << "     text      Text level tracing" << endl;
 106   cout << "     phm       Trace phantom" << endl;
 107   cout << "     rays      Trace allrays" << endl;
 108   cout << "     plot      Trace plotting" << endl;
 109   cout << "     clipping  Trace clipping" << endl;
 110   cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
 111   cout << "  --debug        Turn on debug mode" << endl;
 112   cout << "  --version      Print version" << endl;
 113   cout << "  --help         Print this help message" << endl;
 114 }
 115
 116
 117 #ifdef HAVE_MPI
 118 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
 119 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 120 #endif
 121
 122
 123 int
 124 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 125 {
 126   Projections projGlobal;
 127   ImageFile* imGlobal = NULL;
 128   char* filenameProj = NULL;
 129   char* filenameImage = NULL;
 130   string remark;
 131   char *endptr;
 132   int optVerbose = 0;
 133   int optDebug = 0;
 134   int optZeroPad = 0;
 135   int optTrace = TRACE_NONE;
 136   double optFilterParam = -1;
 137   string optFilterName (SignalFilter::convertFilterIDToName (SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT));
 138   string optFilterMethodName (SignalFilter::convertFilterMethodIDToName (SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION));
 139   string optInterpName (Backprojector::convertInterpIDToName (Backprojector::INTERP_LINEAR));
 140   string optBackprojName (Backprojector::convertBackprojectIDToName (Backprojector::BPROJ_IDIFF3));
 141   int optPreinterpolationFactor = 1;
 142   int nx, ny;
 143 #ifdef HAVE_MPI
 144   ImageFile* imLocal;
 145   int mpi_nview, mpi_ndet;
 146   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 147   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 148 #endif
 149
 150   Timer timerProgram;
 151
 152 #ifdef HAVE_MPI
 153   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 154 #endif
 155     while (1) {
 156       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 157       char *endptr = NULL;
 158
 159       if (c == -1)
 160         break;
 161
 162       switch (c)
 163         {
 164         case O_INTERP:
 165           optInterpName = optarg;
 166           break;
 167         case O_PREINTERPOLATION_FACTOR:
 168           optPreinterpolationFactor = strtol(optarg, &endptr, 10);
 169           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 170             pjrec_usage(argv[0]);
 171             return(1);
 172           }
 173           break;
 174         case O_FILTER:
 175           optFilterName = optarg;
 176           break;
 177         case O_FILTER_METHOD:
 178           optFilterMethodName = optarg;
 179           break;
 180         case O_BACKPROJ:
 181           optBackprojName = optarg;
 182           break;
 183         case O_FILTER_PARAM:
 184           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 185           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 186             pjrec_usage(argv[0]);
 187             return(1);
 188           }
 189           break;
 190         case O_ZEROPAD:
 191           optZeroPad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 192           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 193             pjrec_usage(argv[0]);
 194             return(1);
 195           }
 196           break;
 197         case O_VERBOSE:
 198           optVerbose = 1;
 199           break;
 200         case O_DEBUG:
 201           optDebug = 1;
 202           break;
 203         case O_TRACE:
 204           if ((optTrace = TraceLevel::convertTraceNameToID(optarg)) == TRACE_INVALID) {
 205             pjrec_usage(argv[0]);
 206             return (1);
 207           }
 208           break;
 209         case O_VERSION:
 210 #ifdef VERSION
 211           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 212 #else
 213           cout << "Unknown version number" << endl;
 214 #endif
 215           return (0);
 216         case O_HELP:
 217         case '?':
 218           pjrec_usage(argv[0]);
 219           return (0);
 220         default:
 221           pjrec_usage(argv[0]);
 222           return (1);
 223         }
 224     }
 225
 226     if (optind + 4 != argc) {
 227       pjrec_usage(argv[0]);
 228       return (1);
 229     }
 230
 231     filenameProj = argv[optind];
 232
 233     filenameImage = argv[optind + 1];
 234
 235     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 236     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 237
 238     ostringstream filterDesc;
 239     if (optFilterParam >= 0)
 240       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 241     else
 242       filterDesc << optFilterName;
 243
 244     ostringstream label;
 245     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", preinterpolationFactor=" << optPreinterpolationFactor << ", " << optBackprojName;
 246     remark = label.str();
 247
 248     if (optVerbose)
 249       cout << "Remark: " << remark << endl;
 250 #ifdef HAVE_MPI
 251   }
 252 #endif
 253
 254 #ifdef HAVE_MPI
 255   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 256     projGlobal.read (filenameProj);
 257     if (optVerbose)
 258       projGlobal.printScanInfo();
 259
 260     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 261     mpi_nview = projGlobal.nView();
 262     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 263     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 264     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 265   }
 266
 267   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 268   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 269   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 270   mpiWorld.BcastString (optFilterMethodName);
 271   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 272   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 273   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 274   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 275   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 276   mpiWorld.getComm().Bcast (&optZeroPad, 1, MPI::INT, 0);
 277   mpiWorld.getComm().Bcast (&optPreinterpolationFactor, 1, MPI::INT, 0);
 278   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 279   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 280   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 281   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 282   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 283   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 284   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 285   if (optVerbose)
 286       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 287
 288   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 289
 290   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 291   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 292   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 293   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 294
 295   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 296   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 297   if (optVerbose)
 298       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 299
 300   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 301     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 302   }
 303
 304   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 305 #else
 306   projGlobal.read (filenameProj);
 307   if (optVerbose)
 308     projGlobal.printScanInfo();
 309
 310   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 311 #endif
 312
 313 #ifdef HAVE_MPI
 314   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 315   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optPreinterpolationFactor, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 316   if (optVerbose)
 317       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 318
 319   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 320   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 321   if (optVerbose)
 322       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 323 #else
 324   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optPreinterpolationFactor, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 325 #endif
 326
 327 #ifdef HAVE_MPI
 328   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 329 #endif
 330     {
 331       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 332       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 333       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 334       imGlobal->fileWrite (filenameImage);
 335       if (optVerbose)
 336         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 337     }
 338 #ifdef HAVE_MPI
 339   MPI::Finalize();
 340 #endif
 341
 342   return (0);
 343 }
 344
 345
 346 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 347 // MPI Support Routines
 348 //
 349 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 350
 351 #ifdef HAVE_MPI
 352 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 353 {
 354   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 355     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 356       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 357         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 358         int nDet = detarray.nDet();
 359         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 360
 361         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 362         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 363         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 364         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 365       }
 366     }
 367   }
 368
 369   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 370     MPI::Status status;
 371     int nDet;
 372     double viewAngle;
 373     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 374
 375     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 376     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 377     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 378     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 379   }
 380 }
 381
 382 static void
 383 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 384 {
 385   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 386
 387   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 388     void *recvbuf = NULL;
 389     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 390       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 391       recvbuf = vGlobal[ix];
 392     }
 393     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 394   }
 395 }
 396
 397 #endif
 398
 399
 400 #ifndef NO_MAIN
 401 int
 402 main (int argc, char* argv[])
 403 {
 404   int retval = 1;
 405
 406   try {
 407     retval = pjrec_main(argc, argv);
 408   } catch (exception e) {
 409     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 410   } catch (...) {
 411     cerr << "Unknown exception" << endl;
 412   }
 413
 414   return (retval);
 415 }
 416 #endif
 417