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 1.16 2000/08/31 08:38:58 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_FILTER_GENERATION, 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-generation", 1, 0, O_FILTER_GENERATION},
  42   {"filter-param", 1, 0, O_FILTER_PARAM},
  43   {"backproj", 1, 0, O_BACKPROJ},
  44   {"trace", 1, 0, O_TRACE},
  45   {"debug", 0, 0, O_DEBUG},
  46   {"verbose", 0, 0, O_VERBOSE},
  47   {"help", 0, 0, O_HELP},
  48   {"version", 0, 0, O_VERSION},
  49   {0, 0, 0, 0}
  50 };
  51
  52 static const char* g_szIdStr = "$Id: pjrec.cpp,v 1.16 2000/08/31 08:38:58 kevin Exp $";
  53
  54 void
  55 pjrec_usage (const char *program)
  56 {
  57   cout << "usage: " << fileBasename(program) << " raysum-file image-file nx-image ny-image [OPTIONS]" << endl;
  58   cout << "Image reconstruction from raysum projections" << endl;
  59   cout << endl;
  60   cout << "  raysum-file     Input raysum file" << endl;
  61   cout << "  image-file      Output image file in SDF2D format" << endl;
  62   cout << "  nx-image        Number of columns in output image" << endl;
  63   cout << "  ny-image        Number of rows in output image" << endl;
  64   cout << "  --interp        Interpolation method during backprojection" << endl;
  65   cout << "    nearest     Nearest neighbor interpolation" << endl;
  66   cout << "    linear      Linear interpolation" << endl;
  67 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  68   cout << "    bspline     B-spline interpolation" << endl;
  69 #endif
  70   cout << "  --preinterpolate  Preinterpolation factor (default = 1)\n";
  71   cout << "                    Used only with frequency-based filtering\n";
  72   cout << "  --filter       Filter name" << endl;
  73   cout << "    abs_bandlimit Abs * Bandlimiting (default)" << endl;
  74   cout << "    abs_sinc      Abs * Sinc" << endl;
  75   cout << "    abs_cosine    Abs * Cosine" << endl;
  76   cout << "    abs_hamming   Abs * Hamming" << endl;
  77   cout << "    shepp         Shepp-Logan" << endl;
  78   cout << "    bandlimit     Bandlimiting" << endl;
  79   cout << "    sinc          Sinc" << endl;
  80   cout << "    cosine        Cosine" << endl;
  81   cout << "    triangle      Triangle" << endl;
  82   cout << "    hamming       Hamming" << endl;
  83   cout << "  --filter-method  Filter method before backprojections\n";;
  84   cout << "    convolution      Spatial filtering (default)\n";
  85   cout << "    fourier          Frequency filtering with discete fourier\n";
  86   cout << "    fourier_table    Frequency filtering with table lookup fourier\n";
  87   cout << "    fft              Fast Fourier Transform\n";
  88 #if HAVE_FFTW
  89   cout << "    fftw             Fast Fourier Transform West library\n";
  90   cout << "    rfftw            Fast Fourier Transform West (real-mode) library\n";
  91 #endif
  92   cout << "  --zeropad n   Set zeropad level (default = 0)\n";
  93   cout << "                set n to number of powers to two to pad\n";
  94   cout << "  --filter-generation  Filter Generation mode\n";
  95   cout << "    direct       Use direct filter in spatial or frequency domain (default)\n";
  96   cout << "    inverse_fourier  Use inverse fourier transform of inverse filter\n";
  97   cout << "  --backproj    Backprojection Method" << endl;
  98   cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  99   cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
 100   cout << "    diff        Difference method" << endl;
 101   cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
 102   cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
 103   cout << "    idiff3      Highly-optimized difference method with integer math" << endl;
 104   cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
 105   cout << "  --trace        Set tracing to level" << endl;
 106   cout << "     none        No tracing (default)" << endl;
 107   cout << "     console     Text level tracing" << endl;
 108   cout << "     phantom     Trace phantom" << endl;
 109   cout << "     proj        Trace allrays" << endl;
 110   cout << "     plot        Trace plotting" << endl;
 111   cout << "     clipping    Trace clipping" << endl;
 112   cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
 113   cout << "  --debug        Turn on debug mode" << endl;
 114   cout << "  --version      Print version" << endl;
 115   cout << "  --help         Print this help message" << endl;
 116 }
 117
 118
 119 #ifdef HAVE_MPI
 120 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bDebug);
 121 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 122 #endif
 123
 124
 125 int
 126 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 127 {
 128   Projections projGlobal;
 129   ImageFile* imGlobal = NULL;
 130   char* pszFilenameProj = NULL;
 131   char* pszFilenameImage = NULL;
 132   string sRemark;
 133   bool bOptVerbose = false;
 134   bool bOptDebug = 1;
 135   int iOptZeropad = 1;
 136   int optTrace = Trace::TRACE_NONE;
 137   double dOptFilterParam = -1;
 138   string sOptFilterName (SignalFilter::convertFilterIDToName (SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT));
 139   string sOptFilterMethodName (ProcessSignal::convertFilterMethodIDToName (ProcessSignal::FILTER_METHOD_CONVOLUTION));
 140   string sOptFilterGenerationName (ProcessSignal::convertFilterGenerationIDToName (ProcessSignal::FILTER_GENERATION_DIRECT));
 141   string sOptInterpName (Backprojector::convertInterpIDToName (Backprojector::INTERP_LINEAR));
 142   string sOptBackprojectName (Backprojector::convertBackprojectIDToName (Backprojector::BPROJ_IDIFF3));
 143   int iOptPreinterpolationFactor = 1;
 144   int nx, ny;
 145   char *endptr;
 146 #ifdef HAVE_MPI
 147   ImageFile* imLocal;
 148   int mpi_nview, mpi_ndet;
 149   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 150   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 151 #endif
 152
 153   Timer timerProgram;
 154
 155 #ifdef HAVE_MPI
 156   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 157 #endif
 158     while (1) {
 159       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 160       char *endptr = NULL;
 161
 162       if (c == -1)
 163         break;
 164
 165       switch (c)
 166         {
 167         case O_INTERP:
 168           sOptInterpName = optarg;
 169           break;
 170         case O_PREINTERPOLATION_FACTOR:
 171           iOptPreinterpolationFactor = strtol(optarg, &endptr, 10);
 172           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 173             pjrec_usage(argv[0]);
 174             return(1);
 175           }
 176           break;
 177         case O_FILTER:
 178           sOptFilterName = optarg;
 179           break;
 180         case O_FILTER_METHOD:
 181           sOptFilterMethodName = optarg;
 182           break;
 183         case O_FILTER_GENERATION:
 184           sOptFilterGenerationName = optarg;
 185           break;
 186         case O_FILTER_PARAM:
 187           dOptFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 188           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 189             pjrec_usage(argv[0]);
 190             return(1);
 191           }
 192           break;
 193         case O_ZEROPAD:
 194           iOptZeropad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 195           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 196             pjrec_usage(argv[0]);
 197             return(1);
 198           }
 199           break;
 200         case O_BACKPROJ:
 201           sOptBackprojectName = optarg;
 202           break;
 203         case O_VERBOSE:
 204           bOptVerbose = true;
 205           break;
 206         case O_DEBUG:
 207           bOptDebug = true;
 208           break;
 209         case O_TRACE:
 210           if ((optTrace = Trace::convertTraceNameToID(optarg)) == Trace::TRACE_INVALID) {
 211             pjrec_usage(argv[0]);
 212             return (1);
 213           }
 214           break;
 215         case O_VERSION:
 216 #ifdef VERSION
 217           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl << g_szIdStr << endl;
 218 #else
 219           cout << "Unknown version number" << endl;
 220 #endif
 221           return (0);
 222         case O_HELP:
 223         case '?':
 224           pjrec_usage(argv[0]);
 225           return (0);
 226         default:
 227           pjrec_usage(argv[0]);
 228           return (1);
 229         }
 230     }
 231
 232     if (optind + 4 != argc) {
 233       pjrec_usage(argv[0]);
 234       return (1);
 235     }
 236
 237     pszFilenameProj = argv[optind];
 238
 239     pszFilenameImage = argv[optind + 1];
 240
 241     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 242     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 243
 244     ostringstream filterDesc;
 245     if (dOptFilterParam >= 0)
 246       filterDesc << sOptFilterName << ": alpha=" << dOptFilterParam;
 247     else
 248       filterDesc << sOptFilterName;
 249
 250     ostringstream label;
 251     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << sOptInterpName << ", preinterpolationFactor=" << iOptPreinterpolationFactor << ", " << sOptBackprojectName;
 252     sRemark = label.str();
 253
 254     if (bOptVerbose)
 255       cout << "SRemark: " << sRemark << endl;
 256 #ifdef HAVE_MPI
 257   }
 258 #endif
 259
 260 #ifdef HAVE_MPI
 261   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 262     projGlobal.read (pszFilenameProj);
 263     if (bOptVerbose) {
 264       ostringstream os;
 265       projGlobal.printScanInfo (os);
 266       cout << os.str();
 267     }
 268
 269     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 270     mpi_nview = projGlobal.nView();
 271     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 272     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 273     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 274   }
 275
 276   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 277   mpiWorld.BcastString (sOptBackprojectName);
 278   mpiWorld.BcastString (sOptFilterName);
 279   mpiWorld.BcastString (sOptFilterMethodName);
 280   mpiWorld.BcastString (sOptInterpName);
 281   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 282   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptDebug, 1, MPI::INT, 0);
 283   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 284   mpiWorld.getComm().Bcast (&dOptFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 285   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptZeropad, 1, MPI::INT, 0);
 286   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptPreinterpolationFactor, 1, MPI::INT, 0);
 287   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 288   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 289   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 290   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 291   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 292   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 293   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 294   if (bOptVerbose)
 295       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 296
 297   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 298
 299   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 300   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 301   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 302   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 303
 304   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 305   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, bOptDebug);
 306   if (bOptVerbose)
 307       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 308
 309   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 310     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 311   }
 312
 313   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 314 #else
 315   projGlobal.read (pszFilenameProj);
 316   if (bOptVerbose) {
 317     ostringstream os;
 318     projGlobal.printScanInfo(os);
 319     cout << os.str();
 320   }
 321
 322   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 323 #endif
 324
 325 #ifdef HAVE_MPI
 326   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 327   projLocal.reconstruct (*imLocal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 328   if (bOptVerbose)
 329       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 330
 331   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 332   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 333   if (bOptVerbose)
 334       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 335 #else
 336   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 337 #endif
 338
 339 #ifdef HAVE_MPI
 340   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 341 #endif
 342     {
 343       double dCalcTime = timerProgram.timerEnd();
 344       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 345       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, sRemark.c_str(), dCalcTime);
 346       imGlobal->fileWrite (pszFilenameImage);
 347       if (bOptVerbose)
 348         cout << "Run time: " << dCalcTime << " seconds" << endl;
 349     }
 350 #ifdef HAVE_MPI
 351   MPI::Finalize();
 352 #endif
 353
 354   return (0);
 355 }
 356
 357
 358 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 359 // MPI Support Routines
 360 //
 361 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 362
 363 #ifdef HAVE_MPI
 364 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bOptDebug)
 365 {
 366   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 367     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 368       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 369         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 370         int nDet = detarray.nDet();
 371         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 372
 373         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 374         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 375         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 376         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 377       }
 378     }
 379   }
 380
 381   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 382     MPI::Status status;
 383     int nDet;
 384     double viewAngle;
 385     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 386
 387     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 388     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 389     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 390     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 391   }
 392 }
 393
 394 static void
 395 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 396 {
 397   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 398
 399   for (unsigned int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 400     void *recvbuf = NULL;
 401     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 402       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 403       recvbuf = vGlobal[ix];
 404     }
 405     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 406   }
 407 }
 408
 409 #endif
 410
 411
 412 #ifndef NO_MAIN
 413 int
 414 main (int argc, char* argv[])
 415 {
 416   int retval = 1;
 417
 418   try {
 419     retval = pjrec_main(argc, argv);
 420   } catch (exception e) {
 421     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 422   } catch (...) {
 423     cerr << "Unknown exception" << endl;
 424   }
 425
 426   return (retval);
 427 }
 428 #endif
 429