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 1.1 2000/07/13 07:01:35 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 << "  --backproj    Backprojection Method" << endl;
  93   cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << endl;
  94   cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << endl;
  95   cout << "    diff        Difference method" << endl;
  96   cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << endl;
  97   cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << endl;
  98   cout << "    idiff3      Highly-optimized difference method with integer math" << endl;
  99   cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << endl;
 100   cout << "  --trace        Set tracing to level" << endl;
 101   cout << "     none      No tracing (default)" << endl;
 102   cout << "     text      Text level tracing" << endl;
 103   cout << "     phm       Trace phantom" << endl;
 104   cout << "     rays      Trace allrays" << endl;
 105   cout << "     plot      Trace plotting" << endl;
 106   cout << "     clipping  Trace clipping" << endl;
 107   cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << endl;
 108   cout << "  --debug        Turn on debug mode" << endl;
 109   cout << "  --version      Print version" << endl;
 110   cout << "  --help         Print this help message" << endl;
 111 }
 112
 113
 114 #ifdef HAVE_MPI
 115 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int debug);
 116 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 117 #endif
 118
 119
 120 int
 121 pjrec_main (int argc, char * argv[])
 122 {
 123   Projections projGlobal;
 124   ImageFile* imGlobal = NULL;
 125   char* filenameProj = NULL;
 126   char* filenameImage = NULL;
 127   string remark;
 128   char *endptr;
 129   int optVerbose = 0;
 130   int optDebug = 0;
 131   int optZeroPad = 0;
 132   int optTrace = TRACE_NONE;
 133   double optFilterParam = -1;
 134   string optFilterName = SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT_STR;
 135   string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 136   string optInterpName = Backprojector::INTERP_LINEAR_STR;
 137   string optBackprojName = Backprojector::BPROJ_IDIFF2_STR;
 138   //  string optFilterMethodName = SignalFilter::FILTER_METHOD_CONVOLUTION_STR;
 139   int optPreinterpolationFactor = 1;
 140   int nx, ny;
 141 #ifdef HAVE_MPI
 142   ImageFile* imLocal;
 143   int mpi_nview, mpi_ndet;
 144   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 145   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 146 #endif
 147
 148   Timer timerProgram;
 149
 150 #ifdef HAVE_MPI
 151   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 152 #endif
 153     while (1) {
 154       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 155       char *endptr = NULL;
 156
 157       if (c == -1)
 158         break;
 159
 160       switch (c)
 161         {
 162         case O_INTERP:
 163           optInterpName = optarg;
 164           break;
 165         case O_PREINTERPOLATION_FACTOR:
 166           optPreinterpolationFactor = strtol(optarg, &endptr, 10);
 167           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 168             pjrec_usage(argv[0]);
 169             return(1);
 170           }
 171           break;
 172         case O_FILTER:
 173           optFilterName = optarg;
 174           break;
 175         case O_FILTER_METHOD:
 176           optFilterMethodName = optarg;
 177           break;
 178         case O_BACKPROJ:
 179           optBackprojName = optarg;
 180           break;
 181         case O_FILTER_PARAM:
 182           optFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 183           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 184             pjrec_usage(argv[0]);
 185             return(1);
 186           }
 187           break;
 188         case O_ZEROPAD:
 189           optZeroPad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 190           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 191             pjrec_usage(argv[0]);
 192             return(1);
 193           }
 194           break;
 195         case O_VERBOSE:
 196           optVerbose = 1;
 197           break;
 198         case O_DEBUG:
 199           optDebug = 1;
 200           break;
 201         case O_TRACE:
 202           if ((optTrace = convertTraceNameToID(optarg)) == TRACE_INVALID) {
 203             pjrec_usage(argv[0]);
 204             return (1);
 205           }
 206           break;
 207         case O_VERSION:
 208 #ifdef VERSION
 209           cout <<  "Version " <<  VERSION << endl;
 210 #else
 211           cout << "Unknown version number" << endl;
 212 #endif
 213           return (0);
 214         case O_HELP:
 215         case '?':
 216           pjrec_usage(argv[0]);
 217           return (0);
 218         default:
 219           pjrec_usage(argv[0]);
 220           return (1);
 221         }
 222     }
 223
 224     if (optind + 4 != argc) {
 225       pjrec_usage(argv[0]);
 226       return (1);
 227     }
 228
 229     filenameProj = argv[optind];
 230
 231     filenameImage = argv[optind + 1];
 232
 233     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 234     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 235
 236     ostringstream filterDesc;
 237     if (optFilterParam >= 0)
 238       filterDesc << optFilterName << ": alpha=" << optFilterParam;
 239     else
 240       filterDesc << optFilterName;
 241
 242     ostringstream label;
 243     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << optInterpName << ", preinterpolation=" << optPreinterpolationFactor << ", " << optBackprojName;
 244     remark = label.str();
 245
 246     if (optVerbose)
 247       cout << "Remark: " << remark << endl;
 248 #ifdef HAVE_MPI
 249   }
 250 #endif
 251
 252 #ifdef HAVE_MPI
 253   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 254     projGlobal.read (filenameProj);
 255     if (optVerbose)
 256       projGlobal.printScanInfo();
 257
 258     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 259     mpi_nview = projGlobal.nView();
 260     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 261     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 262     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 263   }
 264
 265   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 266   mpiWorld.BcastString (optBackprojName);
 267   mpiWorld.BcastString (optFilterName);
 268   mpiWorld.BcastString (optFilterMethodName);
 269   mpiWorld.BcastString (optInterpName);
 270   mpiWorld.getComm().Bcast (&optVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 271   mpiWorld.getComm().Bcast (&optDebug, 1, MPI::INT, 0);
 272   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 273   mpiWorld.getComm().Bcast (&optFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 274   mpiWorld.getComm().Bcast (&optZeroPad, 1, MPI::INT, 0);
 275   mpiWorld.getComm().Bcast (&optPreinterpolationFactor, 1, MPI::INT, 0);
 276   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 277   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 278   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 279   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 280   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 281   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 282   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 283   if (optVerbose)
 284       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 285
 286   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 287
 288   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 289   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 290   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 291   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 292
 293   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 294   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, optDebug);
 295   if (optVerbose)
 296       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 297
 298   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 299     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 300   }
 301
 302   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 303 #else
 304   projGlobal.read (filenameProj);
 305   if (optVerbose)
 306     projGlobal.printScanInfo();
 307
 308   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 309 #endif
 310
 311 #ifdef HAVE_MPI
 312   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 313   projLocal.reconstruct (*imLocal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optPreinterpolationFactor, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 314   if (optVerbose)
 315       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 316
 317   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 318   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 319   if (optVerbose)
 320       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 321 #else
 322   projGlobal.reconstruct (*imGlobal, optFilterName.c_str(), optFilterParam, optFilterMethodName.c_str(), optZeroPad, optInterpName.c_str(), optPreinterpolationFactor, optBackprojName.c_str(), optTrace);
 323 #endif
 324
 325 #ifdef HAVE_MPI
 326   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 327 #endif
 328     {
 329       double calcTime = timerProgram.timerEnd();
 330       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 331       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, remark.c_str(), calcTime);
 332       imGlobal->fileWrite (filenameImage);
 333       if (optVerbose)
 334         cout << "Run time: " << calcTime << " seconds" << endl;
 335     }
 336 #ifdef HAVE_MPI
 337   MPI::Finalize();
 338 #endif
 339
 340   return (0);
 341 }
 342
 343
 344 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 345 // MPI Support Routines
 346 //
 347 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 348
 349 #ifdef HAVE_MPI
 350 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const int optDebug)
 351 {
 352   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 353     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 354       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 355         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 356         int nDet = detarray.nDet();
 357         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 358
 359         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 360         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 361         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 362         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 363       }
 364     }
 365   }
 366
 367   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 368     MPI::Status status;
 369     int nDet;
 370     double viewAngle;
 371     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 372
 373     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 374     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 375     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 376     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 377   }
 378 }
 379
 380 static void
 381 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 382 {
 383   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 384
 385   for (int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 386     void *recvbuf = NULL;
 387     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 388       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 389       recvbuf = vGlobal[ix];
 390     }
 391     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 392   }
 393 }
 394
 395 #endif
 396
 397
 398 #ifndef NO_MAIN
 399 int
 400 main (int argc, char* argv[])
 401 {
 402   int retval = 1;
 403
 404   try {
 405     retval = pjrec_main(argc, argv);
 406   } catch (exception e) {
 407     cerr << "Exception: " << e.what() << endl;
 408   } catch (...) {
 409     cerr << "Unknown exception" << endl;
 410   }
 411
 412   return (retval);
 413 }
 414 #endif
 415