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 **  $Id$
  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 = "$Id$";
  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 << "  --verbose      Turn on verbose mode" << std::endl;
 111   std::cout << "  --debug        Turn on debug mode" << std::endl;
 112   std::cout << "  --version      Print version" << std::endl;
 113   std::cout << "  --help         Print this help message" << std::endl;
 114 }
 115
 116
 117 #ifdef HAVE_MPI
 118 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bDebug);
 119 static void ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal);
 120 #endif
 121
 122
 123 int
 124 pjrec_main (int argc, char * const argv[])
 125 {
 126   Projections projGlobal;
 127   ImageFile* imGlobal = NULL;
 128   char* pszFilenameProj = NULL;
 129   char* pszFilenameImage = NULL;
 130   std::string sRemark;
 131   bool bOptVerbose = false;
 132   bool bOptDebug = 1;
 133   int iOptZeropad = 1;
 134   int optTrace = Trace::TRACE_NONE;
 135   double dOptFilterParam = -1;
 136   std::string sOptFilterName (SignalFilter::convertFilterIDToName (SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT));
 137   std::string sOptFilterMethodName (ProcessSignal::convertFilterMethodIDToName (ProcessSignal::FILTER_METHOD_CONVOLUTION));
 138   std::string sOptFilterGenerationName (ProcessSignal::convertFilterGenerationIDToName (ProcessSignal::FILTER_GENERATION_DIRECT));
 139   std::string sOptInterpName (Backprojector::convertInterpIDToName (Backprojector::INTERP_LINEAR));
 140   std::string sOptBackprojectName (Backprojector::convertBackprojectIDToName (Backprojector::BPROJ_IDIFF));
 141   int iOptPreinterpolationFactor = 1;
 142   int nx, ny;
 143   char *endptr;
 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           sOptInterpName = optarg;
 167           break;
 168         case O_PREINTERPOLATION_FACTOR:
 169           iOptPreinterpolationFactor = 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           sOptFilterName = optarg;
 177           break;
 178         case O_FILTER_METHOD:
 179           sOptFilterMethodName = optarg;
 180           break;
 181         case O_FILTER_GENERATION:
 182           sOptFilterGenerationName = optarg;
 183           break;
 184         case O_FILTER_PARAM:
 185           dOptFilterParam = 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           iOptZeropad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 193           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 194             pjrec_usage(argv[0]);
 195             return(1);
 196           }
 197           break;
 198         case O_BACKPROJ:
 199           sOptBackprojectName = optarg;
 200           break;
 201         case O_VERBOSE:
 202           bOptVerbose = true;
 203           break;
 204         case O_DEBUG:
 205           bOptDebug = true;
 206           break;
 207         case O_TRACE:
 208           if ((optTrace = Trace::convertTraceNameToID(optarg)) == Trace::TRACE_INVALID) {
 209             pjrec_usage(argv[0]);
 210             return (1);
 211           }
 212           break;
 213         case O_VERSION:
 214 #ifdef VERSION
 215           std::cout <<  "Version " <<  VERSION << std::endl << g_szIdStr << std::endl;
 216 #else
 217           std::cout << "Unknown version number" << std::endl;
 218 #endif
 219           return (0);
 220         case O_HELP:
 221         case '?':
 222           pjrec_usage(argv[0]);
 223           return (0);
 224         default:
 225           pjrec_usage(argv[0]);
 226           return (1);
 227         }
 228     }
 229
 230     if (optind + 4 != argc) {
 231       pjrec_usage(argv[0]);
 232       return (1);
 233     }
 234
 235     pszFilenameProj = argv[optind];
 236
 237     pszFilenameImage = argv[optind + 1];
 238
 239     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 240     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 241
 242     std::ostringstream filterDesc;
 243     if (dOptFilterParam >= 0)
 244       filterDesc << sOptFilterName << ": alpha=" << dOptFilterParam;
 245     else
 246       filterDesc << sOptFilterName;
 247
 248     std::ostringstream label;
 249     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << sOptInterpName << ", preinterpolationFactor=" << iOptPreinterpolationFactor << ", " << sOptBackprojectName;
 250     sRemark = label.str();
 251
 252     if (bOptVerbose)
 253       std::cout << "SRemark: " << sRemark << std::endl;
 254 #ifdef HAVE_MPI
 255   }
 256 #endif
 257
 258 #ifdef HAVE_MPI
 259   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 260     projGlobal.read (pszFilenameProj);
 261     if (bOptVerbose) {
 262       ostringstream os;
 263       projGlobal.printScanInfo (os);
 264       std::cout << os.str();
 265     }
 266
 267     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 268     mpi_nview = projGlobal.nView();
 269     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 270     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 271     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 272   }
 273
 274   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 275   mpiWorld.BcastString (sOptBackprojectName);
 276   mpiWorld.BcastString (sOptFilterName);
 277   mpiWorld.BcastString (sOptFilterMethodName);
 278   mpiWorld.BcastString (sOptInterpName);
 279   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 280   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptDebug, 1, MPI::INT, 0);
 281   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 282   mpiWorld.getComm().Bcast (&dOptFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 283   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptZeropad, 1, MPI::INT, 0);
 284   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptPreinterpolationFactor, 1, MPI::INT, 0);
 285   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 286   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 287   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 288   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 289   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 290   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 291   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 292   if (bOptVerbose)
 293       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 294
 295   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 296
 297   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 298   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 299   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 300   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 301
 302   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 303   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, bOptDebug);
 304   if (bOptVerbose)
 305       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 306
 307   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 308     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 309   }
 310
 311   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 312 #else
 313   projGlobal.read (pszFilenameProj);
 314   if (bOptVerbose) {
 315     std::ostringstream os;
 316     projGlobal.printScanInfo(os);
 317     std::cout << os.str();
 318   }
 319
 320   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 321 #endif
 322
 323 #ifdef HAVE_MPI
 324   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 325
 326   Reconstructor reconstruct (projLocal, *imLocal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 327   if (reconstruct.fail()) {
 328     std::cout << reconstruct.failMessage();
 329     return (1);
 330   }
 331   reconstruct.reconstructAllViews();
 332
 333   if (bOptVerbose)
 334       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 335
 336   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 337   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 338   if (bOptVerbose)
 339       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 340 #else
 341   Reconstructor reconstruct (projGlobal, *imGlobal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 342   if (reconstruct.fail()) {
 343     std::cout << reconstruct.failMessage();
 344     return (1);
 345   }
 346   reconstruct.reconstructAllViews();
 347 #endif
 348
 349 #ifdef HAVE_MPI
 350   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 351 #endif
 352     {
 353       double dCalcTime = timerProgram.timerEnd();
 354       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 355       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, sRemark.c_str(), dCalcTime);
 356       imGlobal->fileWrite (pszFilenameImage);
 357       if (bOptVerbose)
 358         std::cout << "Run time: " << dCalcTime << " seconds" << std::endl;
 359     }
 360 #ifdef HAVE_MPI
 361   MPI::Finalize();
 362 #endif
 363
 364   return (0);
 365 }
 366
 367
 368 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 369 // MPI Support Routines
 370 //
 371 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 372
 373 #ifdef HAVE_MPI
 374 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bOptDebug)
 375 {
 376   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 377     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 378       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 379         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 380         int nDet = detarray.nDet();
 381         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 382
 383         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 384         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 385         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 386         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 387       }
 388     }
 389   }
 390
 391   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 392     MPI::Status status;
 393     int nDet;
 394     double viewAngle;
 395     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 396
 397     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 398     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 399     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 400     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 401   }
 402 }
 403
 404 static void
 405 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 406 {
 407   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 408
 409   for (unsigned int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 410     void *recvbuf = NULL;
 411     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 412       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 413       recvbuf = vGlobal[ix];
 414     }
 415     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 416   }
 417 }
 418
 419 #endif
 420
 421
 422 #ifndef NO_MAIN
 423 int
 424 main (int argc, char* argv[])
 425 {
 426   int retval = 1;
 427
 428   try {
 429     retval = pjrec_main(argc, argv);
 430   } catch (exception e) {
 431           std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
 432   } catch (...) {
 433           std::cerr << "Unknown exception" << std::endl;
 434   }
 435
 436   return (retval);
 437 }
 438 #endif
 439