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 1.7 2000/08/02 18:09:11 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 static const char* g_szIdStr = "$id$";
  52
  53 void
  54 pjrec_usage (const char *program)
  55 {
  56   cout << "usage: " << fileBasename(program) << " raysum-file image-file nx-image ny-image [OPTIONS]" << endl;
  57   cout << "Image reconstruction from raysum projections" << endl;
  58   cout << endl;
  59   cout << "  raysum-file     Input raysum file" << endl;
  60   cout << "  image-file      Output image file in SDF2D format" << endl;
  61   cout << "  nx-image        Number of columns in output image" << endl;
  62   cout << "  ny-image        Number of rows in output image" << endl;
  63   cout << "  --interp        Interpolation method during backprojection" << endl;
  64   cout << "    nearest     Nearest neighbor interpolation" << endl;
  65   cout << "    linear      Linear interpolation" << endl;
  66 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  67   cout << "    bspline     B-spline interpolation" << endl;
  68 #endif
  69   cout << "  --preinterpolate  Preinterpolation factor (default = 1)\n";
  70   cout << "                    Used only with frequency-based filtering\n";
  71   cout << "  --filter       Filter name" << endl;
  72   cout << "    abs_bandlimit Abs * Bandlimiting (default)" << endl;
  73   cout << "    abs_sinc      Abs * Sinc" << endl;
  74   cout << "    abs_cos       Abs * Cosine" << endl;
  75   cout << "    abs_hamming   Abs * Hamming" << endl;
  76   cout << "    shepp         Shepp-Logan" << endl;
  77   cout << "    bandlimit     Bandlimiting" << endl;
  78   cout << "    sinc          Sinc" << endl;
  79   cout << "    cos           Cosine" << endl;
  80   cout << "    triangle      Triangle" << endl;
  81   cout << "    hamming       Hamming" << endl;
  82   cout << "  --filter-method  Filter method before backprojections\n";;
  83   cout << "    convolution      Spatial filtering (default)\n";
  84   cout << "    fourier          Frequency filtering with discete fourier\n";
  85   cout << "    fourier_table    Frequency filtering with table lookup fourier\n";
  86   cout << "    fft              Fast Fourier Transform\n";
  87 #if HAVE_FFTW
  88   cout << "    fftw             Fast Fourier Transform West library\n";
  89   cout << "    rfftw            Fast Fourier Transform West (real-mode) library\n";
  90 #endif
  91   cout << "  --zeropad n   Set zeropad level (default = 0)\n";
  92   cout << "                set n to number of powers to two to pad\n";
  93   cout << "  --frequency-filter  Set type of frequency filter\n";
  94   cout << "    direct      Use direct frequency filter\n";
  95   cout << "    ifourier    Use inverse fourier transform of spatial filter\n";
  96   cout << "  --backproj    Backprojection Method" << endl;
  97   cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  98   cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
  99   cout << "    diff        Difference method" << endl;
 100   cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
 101   cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
 102   cout << "    idiff3      Highly-optimized difference method with integer math" << endl;
 103   cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
 104   cout << "  --trace        Set tracing to level" << endl;
 105   cout << "     none      No tracing (default)" << endl;
 106   cout << "     text      Text level tracing" << endl;
 107   cout << "     phm       Trace phantom" << endl;
 108   cout << "     rays      Trace allrays" << endl;
 109   cout << "     plot      Trace plotting" << endl;
 110   cout << "     clipping  Trace clipping" << endl;
 111   cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
 112   cout << "  --debug        Turn on debug mode" << endl;
 113   cout << "  --version      Print version" << endl;
 114   cout << "  --help         Print this help message" << endl;
 115 }
 116
 117
 118 #ifdef HAVE_MPI
 119 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
 120 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 121 #endif
 122
 123
 124 int
 125 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 126 {
 127   Projections projGlobal;
 128   ImageFile* imGlobal = NULL;
 129   char* filenameProj = NULL;
 130   char* filenameImage = NULL;
 131   string remark;
 132   char *endptr;
 133   int optVerbose = 0;
 134   int optDebug = 0;
 135   int optZeroPad = 0;
 136   int optTrace = TRACE_NONE;
 137   double optFilterParam = -1;
 138   string optFilterName (SignalFilter::convertFilterIDToName (SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT));
 139   string optFilterMethodName (SignalFilter::convertFilterMethodIDToName (SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION));
 140   string optInterpName (Backprojector::convertInterpIDToName (Backprojector::INTERP_LINEAR));
 141   string optBackprojName (Backprojector::convertBackprojectIDToName (Backprojector::BPROJ_IDIFF3));
 142   int optPreinterpolationFactor = 1;
 143   int nx, ny;
 144 #ifdef HAVE_MPI
 145   ImageFile* imLocal;
 146   int mpi_nview, mpi_ndet;
 147   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 148   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 149 #endif
 150
 151   Timer timerProgram;
 152
 153 #ifdef HAVE_MPI
 154   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 155 #endif
 156     while (1) {
 157       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 158       char *endptr = NULL;
 159
 160       if (c == -1)
 161         break;
 162
 163       switch (c)
 164         {
 165         case O_INTERP:
 166           optInterpName = optarg;
 167           break;
 168         case O_PREINTERPOLATION_FACTOR:
 169           optPreinterpolationFactor = strtol(optarg, &endptr, 10);
 170           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 171             pjrec_usage(argv[0]);
 172             return(1);
 173           }
 174           break;
 175         case O_FILTER:
 176           optFilterName = optarg;
 177           break;
 178         case O_FILTER_METHOD:
 179           optFilterMethodName = optarg;
 180           break;
 181         case O_BACKPROJ:
 182           optBackprojName = optarg;
 183           break;
 184         case O_FILTER_PARAM:
 185           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 186           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 187             pjrec_usage(argv[0]);
 188             return(1);
 189           }
 190           break;
 191         case O_ZEROPAD:
 192           optZeroPad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 193           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 194             pjrec_usage(argv[0]);
 195             return(1);
 196           }
 197           break;
 198         case O_VERBOSE:
 199           optVerbose = 1;
 200           break;
 201         case O_DEBUG:
 202           optDebug = 1;
 203           break;
 204         case O_TRACE:
 205           if ((optTrace = TraceLevel::convertTraceNameToID(optarg)) == TRACE_INVALID) {
 206             pjrec_usage(argv[0]);
 207             return (1);
 208           }
 209           break;
 210         case O_VERSION:
 211 #ifdef VERSION
 212           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 213 #else
 214           cout << "Unknown version number" << endl;
 215 #endif
 216           return (0);
 217         case O_HELP:
 218         case '?':
 219           pjrec_usage(argv[0]);
 220           return (0);
 221         default:
 222           pjrec_usage(argv[0]);
 223           return (1);
 224         }
 225     }
 226
 227     if (optind + 4 != argc) {
 228       pjrec_usage(argv[0]);
 229       return (1);
 230     }
 231
 232     filenameProj = argv[optind];
 233
 234     filenameImage = argv[optind + 1];
 235
 236     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 237     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 238
 239     ostringstream filterDesc;
 240     if (optFilterParam >= 0)
 241       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 242     else
 243       filterDesc << optFilterName;
 244
 245     ostringstream label;
 246     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", preinterpolationFactor=" << optPreinterpolationFactor << ", " << optBackprojName;
 247     remark = label.str();
 248
 249     if (optVerbose)
 250       cout << "Remark: " << remark << endl;
 251 #ifdef HAVE_MPI
 252   }
 253 #endif
 254
 255 #ifdef HAVE_MPI
 256   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 257     projGlobal.read (filenameProj);
 258     if (optVerbose)
 259       projGlobal.printScanInfo();
 260
 261     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 262     mpi_nview = projGlobal.nView();
 263     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 264     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 265     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 266   }
 267
 268   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 269   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 270   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 271   mpiWorld.BcastString (optFilterMethodName);
 272   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 273   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 274   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 275   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 276   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 277   mpiWorld.getComm().Bcast (&optZeroPad, 1, MPI::INT, 0);
 278   mpiWorld.getComm().Bcast (&optPreinterpolationFactor, 1, MPI::INT, 0);
 279   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 280   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 281   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 282   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 283   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 284   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 285   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 286   if (optVerbose)
 287       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 288
 289   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 290
 291   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 292   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 293   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 294   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 295
 296   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 297   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 298   if (optVerbose)
 299       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 300
 301   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 302     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 303   }
 304
 305   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 306 #else
 307   projGlobal.read (filenameProj);
 308   if (optVerbose)
 309     projGlobal.printScanInfo();
 310
 311   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 312 #endif
 313
 314 #ifdef HAVE_MPI
 315   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 316   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optPreinterpolationFactor, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 317   if (optVerbose)
 318       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 319
 320   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 321   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 322   if (optVerbose)
 323       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 324 #else
 325   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optPreinterpolationFactor, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 326 #endif
 327
 328 #ifdef HAVE_MPI
 329   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 330 #endif
 331     {
 332       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 333       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 334       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 335       imGlobal->fileWrite (filenameImage);
 336       if (optVerbose)
 337         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 338     }
 339 #ifdef HAVE_MPI
 340   MPI::Finalize();
 341 #endif
 342
 343   return (0);
 344 }
 345
 346
 347 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 348 // MPI Support Routines
 349 //
 350 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 351
 352 #ifdef HAVE_MPI
 353 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 354 {
 355   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 356     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 357       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 358         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 359         int nDet = detarray.nDet();
 360         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 361
 362         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 363         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 364         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 365         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 366       }
 367     }
 368   }
 369
 370   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 371     MPI::Status status;
 372     int nDet;
 373     double viewAngle;
 374     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 375
 376     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 377     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 378     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 379     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 380   }
 381 }
 382
 383 static void
 384 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 385 {
 386   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 387
 388   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 389     void *recvbuf = NULL;
 390     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 391       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 392       recvbuf = vGlobal[ix];
 393     }
 394     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 395   }
 396 }
 397
 398 #endif
 399
 400
 401 #ifndef NO_MAIN
 402 int
 403 main (int argc, char* argv[])
 404 {
 405   int retval = 1;
 406
 407   try {
 408     retval = pjrec_main(argc, argv);
 409   } catch (exception e) {
 410     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 411   } catch (...) {
 412     cerr << "Unknown exception" << endl;
 413   }
 414
 415   return (retval);
 416 }
 417 #endif
 418