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 1.25 2001/02/23 02:06:02 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 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};
  32
  33 static struct option my_options[] =
  34 {
  35   {"interp", 1, 0, O_INTERP},
  36   {"preinterpolation-factor", 1, 0, O_PREINTERPOLATION_FACTOR},
  37   {"filter", 1, 0, O_FILTER},
  38   {"filter-method", 1, 0, O_FILTER_METHOD},
  39   {"zeropad", 1, 0, O_ZEROPAD},
  40   {"filter-generation", 1, 0, O_FILTER_GENERATION},
  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: pjrec.cpp,v 1.25 2001/02/23 02:06:02 kevin Exp $";
  52
  53 void
  54 pjrec_usage (const char *program)
  55 {
  56   std::cout << "usage: " << fileBasename(program) << " raysum-file image-file nx-image ny-image [OPTIONS]" << std::endl;
  57   std::cout << "Image reconstruction from raysum projections" << std::endl;
  58   std::cout << std::endl;
  59   std::cout << "  raysum-file     Input raysum file" << std::endl;
  60   std::cout << "  image-file      Output image file in SDF2D format" << std::endl;
  61   std::cout << "  nx-image        Number of columns in output image" << std::endl;
  62   std::cout << "  ny-image        Number of rows in output image" << std::endl;
  63   std::cout << "  --interp        Interpolation method during backprojection" << std::endl;
  64   std::cout << "    nearest         Nearest neighbor interpolation" << std::endl;
  65   std::cout << "    linear          Linear interpolation (default)" << std::endl;
  66   std::cout << "    cubic           Cubic interpolation\n";
  67 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  68   std::cout << "    bspline         B-spline interpolation" << std::endl;
  69 #endif
  70   std::cout << "  --preinterpolate  Preinterpolation factor (default = 1)\n";
  71   std::cout << "                    Used only with frequency-based filtering\n";
  72   std::cout << "  --filter       Filter name" << std::endl;
  73   std::cout << "    abs_bandlimit  Abs * Bandlimiting (default)" << std::endl;
  74   std::cout << "    abs_sinc       Abs * Sinc" << std::endl;
  75   std::cout << "    abs_cosine     Abs * Cosine" << std::endl;
  76   std::cout << "    abs_hamming    Abs * Hamming" << std::endl;
  77   std::cout << "    abs_hanning    Abs * Hanning" << std::endl;
  78   std::cout << "    shepp          Shepp-Logan" << std::endl;
  79   std::cout << "    bandlimit      Bandlimiting" << std::endl;
  80   std::cout << "    sinc           Sinc" << std::endl;
  81   std::cout << "    cosine         Cosine" << std::endl;
  82   std::cout << "    triangle       Triangle" << std::endl;
  83   std::cout << "    hamming        Hamming" << std::endl;
  84   std::cout << "    hanning        Hanning" << std::endl;
  85   std::cout << "  --filter-method  Filter method before backprojections\n";;
  86   std::cout << "    convolution      Spatial filtering (default)\n";
  87   std::cout << "    fourier          Frequency filtering with discete fourier\n";
  88   std::cout << "    fourier_table    Frequency filtering with table lookup fourier\n";
  89   std::cout << "    fft              Fast Fourier Transform\n";
  90 #if HAVE_FFTW
  91   std::cout << "    fftw             Fast Fourier Transform West library\n";
  92   std::cout << "    rfftw            Fast Fourier Transform West (real-mode) library\n";
  93 #endif
  94   std::cout << "  --zeropad n   Set zeropad level (default = 0)\n";
  95   std::cout << "                set n to number of powers to two to pad\n";
  96   std::cout << "  --filter-generation  Filter Generation mode\n";
  97   std::cout << "    direct       Use direct filter in spatial or frequency domain (default)\n";
  98   std::cout << "    inverse_fourier  Use inverse fourier transform of inverse filter\n";
  99   std::cout << "  --backproj    Backprojection Method" << std::endl;
 100   std::cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << std::endl;
 101   std::cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << std::endl;
 102   std::cout << "    diff        Difference method" << std::endl;
 103   std::cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << std::endl;
 104   std::cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << std::endl;
 105   std::cout << "    idiff3      Highly-optimized difference method with integer math" << std::endl;
 106   std::cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << std::endl;
 107   std::cout << "  --trace        Set tracing to level" << std::endl;
 108   std::cout << "     none        No tracing (default)" << std::endl;
 109   std::cout << "     console     Text level tracing" << std::endl;
 110   std::cout << "     phantom     Trace phantom" << std::endl;
 111   std::cout << "     proj        Trace allrays" << std::endl;
 112   std::cout << "     plot        Trace plotting" << std::endl;
 113   std::cout << "     clipping    Trace clipping" << std::endl;
 114   std::cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << std::endl;
 115   std::cout << "  --debug        Turn on debug mode" << std::endl;
 116   std::cout << "  --version      Print version" << std::endl;
 117   std::cout << "  --help         Print this help message" << std::endl;
 118 }
 119
 120
 121 #ifdef HAVE_MPI
 122 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bDebug);
 123 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 124 #endif
 125
 126
 127 int
 128 pjrec_main (int argc, char * const argv[])
 129 {
 130   Projections projGlobal;
 131   ImageFile* imGlobal = NULL;
 132   char* pszFilenameProj = NULL;
 133   char* pszFilenameImage = NULL;
 134   std::string sRemark;
 135   bool bOptVerbose = false;
 136   bool bOptDebug = 1;
 137   int iOptZeropad = 1;
 138   int optTrace = Trace::TRACE_NONE;
 139   double dOptFilterParam = -1;
 140   std::string sOptFilterName (SignalFilter::convertFilterIDToName (SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT));
 141   std::string sOptFilterMethodName (ProcessSignal::convertFilterMethodIDToName (ProcessSignal::FILTER_METHOD_CONVOLUTION));
 142   std::string sOptFilterGenerationName (ProcessSignal::convertFilterGenerationIDToName (ProcessSignal::FILTER_GENERATION_DIRECT));
 143   std::string sOptInterpName (Backprojector::convertInterpIDToName (Backprojector::INTERP_LINEAR));
 144   std::string sOptBackprojectName (Backprojector::convertBackprojectIDToName (Backprojector::BPROJ_IDIFF));
 145   int iOptPreinterpolationFactor = 1;
 146   int nx, ny;
 147   char *endptr;
 148 #ifdef HAVE_MPI
 149   ImageFile* imLocal;
 150   int mpi_nview, mpi_ndet;
 151   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 152   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 153 #endif
 154
 155   Timer timerProgram;
 156
 157 #ifdef HAVE_MPI
 158   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 159 #endif
 160     while (1) {
 161       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 162       char *endptr = NULL;
 163
 164       if (c == -1)
 165         break;
 166
 167       switch (c)
 168         {
 169         case O_INTERP:
 170           sOptInterpName = optarg;
 171           break;
 172         case O_PREINTERPOLATION_FACTOR:
 173           iOptPreinterpolationFactor = strtol(optarg, &endptr, 10);
 174           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 175             pjrec_usage(argv[0]);
 176             return(1);
 177           }
 178           break;
 179         case O_FILTER:
 180           sOptFilterName = optarg;
 181           break;
 182         case O_FILTER_METHOD:
 183           sOptFilterMethodName = optarg;
 184           break;
 185         case O_FILTER_GENERATION:
 186           sOptFilterGenerationName = optarg;
 187           break;
 188         case O_FILTER_PARAM:
 189           dOptFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 190           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 191             pjrec_usage(argv[0]);
 192             return(1);
 193           }
 194           break;
 195         case O_ZEROPAD:
 196           iOptZeropad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 197           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 198             pjrec_usage(argv[0]);
 199             return(1);
 200           }
 201           break;
 202         case O_BACKPROJ:
 203           sOptBackprojectName = optarg;
 204           break;
 205         case O_VERBOSE:
 206           bOptVerbose = true;
 207           break;
 208         case O_DEBUG:
 209           bOptDebug = true;
 210           break;
 211         case O_TRACE:
 212           if ((optTrace = Trace::convertTraceNameToID(optarg)) == Trace::TRACE_INVALID) {
 213             pjrec_usage(argv[0]);
 214             return (1);
 215           }
 216           break;
 217         case O_VERSION:
 218 #ifdef VERSION
 219           std::cout <<  "Version " <<  VERSION << std::endl << g_szIdStr << std::endl;
 220 #else
 221           std::cout << "Unknown version number" << std::endl;
 222 #endif
 223           return (0);
 224         case O_HELP:
 225         case '?':
 226           pjrec_usage(argv[0]);
 227           return (0);
 228         default:
 229           pjrec_usage(argv[0]);
 230           return (1);
 231         }
 232     }
 233
 234     if (optind + 4 != argc) {
 235       pjrec_usage(argv[0]);
 236       return (1);
 237     }
 238
 239     pszFilenameProj = argv[optind];
 240
 241     pszFilenameImage = argv[optind + 1];
 242
 243     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 244     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 245
 246     std::ostringstream filterDesc;
 247     if (dOptFilterParam >= 0)
 248       filterDesc << sOptFilterName << ": alpha=" << dOptFilterParam;
 249     else
 250       filterDesc << sOptFilterName;
 251
 252     std::ostringstream label;
 253     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << sOptInterpName << ", preinterpolationFactor=" << iOptPreinterpolationFactor << ", " << sOptBackprojectName;
 254     sRemark = label.str();
 255
 256     if (bOptVerbose)
 257       std::cout << "SRemark: " << sRemark << std::endl;
 258 #ifdef HAVE_MPI
 259   }
 260 #endif
 261
 262 #ifdef HAVE_MPI
 263   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 264     projGlobal.read (pszFilenameProj);
 265     if (bOptVerbose) {
 266       ostringstream os;
 267       projGlobal.printScanInfo (os);
 268       std::cout << os.str();
 269     }
 270
 271     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 272     mpi_nview = projGlobal.nView();
 273     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 274     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 275     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 276   }
 277
 278   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 279   mpiWorld.BcastString (sOptBackprojectName);
 280   mpiWorld.BcastString (sOptFilterName);
 281   mpiWorld.BcastString (sOptFilterMethodName);
 282   mpiWorld.BcastString (sOptInterpName);
 283   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 284   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptDebug, 1, MPI::INT, 0);
 285   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 286   mpiWorld.getComm().Bcast (&dOptFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 287   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptZeropad, 1, MPI::INT, 0);
 288   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptPreinterpolationFactor, 1, MPI::INT, 0);
 289   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 290   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 291   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 292   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 293   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 294   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 295   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 296   if (bOptVerbose)
 297       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 298
 299   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 300
 301   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 302   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 303   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 304   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 305
 306   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 307   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, bOptDebug);
 308   if (bOptVerbose)
 309       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 310
 311   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 312     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 313   }
 314
 315   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 316 #else
 317   projGlobal.read (pszFilenameProj);
 318   if (bOptVerbose) {
 319     std::ostringstream os;
 320     projGlobal.printScanInfo(os);
 321     std::cout << os.str();
 322   }
 323
 324   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 325 #endif
 326
 327 #ifdef HAVE_MPI
 328   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 329
 330   Reconstructor reconstruct (projLocal, *imLocal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 331   if (reconstruct.fail()) {
 332     std::cout << reconstruct.failMessage();
 333     return (1);
 334   }
 335   reconstruct.reconstructAllViews();
 336
 337   if (bOptVerbose)
 338       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 339
 340   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 341   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 342   if (bOptVerbose)
 343       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 344 #else
 345   Reconstructor reconstruct (projGlobal, *imGlobal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 346   if (reconstruct.fail()) {
 347     std::cout << reconstruct.failMessage();
 348     return (1);
 349   }
 350   reconstruct.reconstructAllViews();
 351 #endif
 352
 353 #ifdef HAVE_MPI
 354   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 355 #endif
 356     {
 357       double dCalcTime = timerProgram.timerEnd();
 358       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 359       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, sRemark.c_str(), dCalcTime);
 360       imGlobal->fileWrite (pszFilenameImage);
 361       if (bOptVerbose)
 362         std::cout << "Run time: " << dCalcTime << " seconds" << std::endl;
 363     }
 364 #ifdef HAVE_MPI
 365   MPI::Finalize();
 366 #endif
 367
 368   return (0);
 369 }
 370
 371
 372 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 373 // MPI Support Routines
 374 //
 375 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 376
 377 #ifdef HAVE_MPI
 378 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bOptDebug)
 379 {
 380   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 381     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 382       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 383         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 384         int nDet = detarray.nDet();
 385         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 386
 387         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 388         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 389         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 390         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 391       }
 392     }
 393   }
 394
 395   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 396     MPI::Status status;
 397     int nDet;
 398     double viewAngle;
 399     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 400
 401     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 402     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 403     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 404     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 405   }
 406 }
 407
 408 static void
 409 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 410 {
 411   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 412
 413   for (unsigned int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 414     void *recvbuf = NULL;
 415     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 416       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 417       recvbuf = vGlobal[ix];
 418     }
 419     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 420   }
 421 }
 422
 423 #endif
 424
 425
 426 #ifndef NO_MAIN
 427 int
 428 main (int argc, char* argv[])
 429 {
 430   int retval = 1;
 431
 432   try {
 433     retval = pjrec_main(argc, argv);
 434   } catch (exception e) {
 435           std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
 436   } catch (...) {
 437           std::cerr << "Unknown exception" << std::endl;
 438   }
 439
 440   return (retval);
 441 }
 442 #endif
 443