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 1.20 2000/12/17 22:30:34 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 1.20 2000/12/17 22:30:34 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" << std::endl;
  66 #if HAVE_BSPLINE_INTERP
  67   std::cout << "    bspline     B-spline interpolation" << std::endl;
  68 #endif
  69   std::cout << "  --preinterpolate  Preinterpolation factor (default = 1)\n";
  70   std::cout << "                    Used only with frequency-based filtering\n";
  71   std::cout << "  --filter       Filter name" << std::endl;
  72   std::cout << "    abs_bandlimit Abs * Bandlimiting (default)" << std::endl;
  73   std::cout << "    abs_sinc      Abs * Sinc" << std::endl;
  74   std::cout << "    abs_cosine    Abs * Cosine" << std::endl;
  75   std::cout << "    abs_hamming   Abs * Hamming" << std::endl;
  76   std::cout << "    shepp         Shepp-Logan" << std::endl;
  77   std::cout << "    bandlimit     Bandlimiting" << std::endl;
  78   std::cout << "    sinc          Sinc" << std::endl;
  79   std::cout << "    cosine        Cosine" << std::endl;
  80   std::cout << "    triangle      Triangle" << std::endl;
  81   std::cout << "    hamming       Hamming" << std::endl;
  82   std::cout << "  --filter-method  Filter method before backprojections\n";;
  83   std::cout << "    convolution      Spatial filtering (default)\n";
  84   std::cout << "    fourier          Frequency filtering with discete fourier\n";
  85   std::cout << "    fourier_table    Frequency filtering with table lookup fourier\n";
  86   std::cout << "    fft              Fast Fourier Transform\n";
  87 #if HAVE_FFTW
  88   std::cout << "    fftw             Fast Fourier Transform West library\n";
  89   std::cout << "    rfftw            Fast Fourier Transform West (real-mode) library\n";
  90 #endif
  91   std::cout << "  --zeropad n   Set zeropad level (default = 0)\n";
  92   std::cout << "                set n to number of powers to two to pad\n";
  93   std::cout << "  --filter-generation  Filter Generation mode\n";
  94   std::cout << "    direct       Use direct filter in spatial or frequency domain (default)\n";
  95   std::cout << "    inverse_fourier  Use inverse fourier transform of inverse filter\n";
  96   std::cout << "  --backproj    Backprojection Method" << std::endl;
  97   std::cout << "    trig        Trigometric functions at every point" << std::endl;
  98   std::cout << "    table       Trigometric functions with precalculated table" << std::endl;
  99   std::cout << "    diff        Difference method" << std::endl;
 100   std::cout << "    diff2       Optimized difference method (default)" << std::endl;
 101   std::cout << "    idiff2      Optimized difference method with integer math" << std::endl;
 102   std::cout << "    idiff3      Highly-optimized difference method with integer math" << std::endl;
 103   std::cout << "  --filter-param Alpha level for Hamming filter" << std::endl;
 104   std::cout << "  --trace        Set tracing to level" << std::endl;
 105   std::cout << "     none        No tracing (default)" << std::endl;
 106   std::cout << "     console     Text level tracing" << std::endl;
 107   std::cout << "     phantom     Trace phantom" << std::endl;
 108   std::cout << "     proj        Trace allrays" << std::endl;
 109   std::cout << "     plot        Trace plotting" << std::endl;
 110   std::cout << "     clipping    Trace clipping" << std::endl;
 111   std::cout << "  --verbose      Turn on verbose mode" << std::endl;
 112   std::cout << "  --debug        Turn on debug mode" << std::endl;
 113   std::cout << "  --version      Print version" << std::endl;
 114   std::cout << "  --help         Print this help message" << std::endl;
 115 }
 116
 117
 118 #ifdef HAVE_MPI
 119 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bDebug);
 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* pszFilenameProj = NULL;
 130   char* pszFilenameImage = NULL;
 131   std::string sRemark;
 132   bool bOptVerbose = false;
 133   bool bOptDebug = 1;
 134   int iOptZeropad = 1;
 135   int optTrace = Trace::TRACE_NONE;
 136   double dOptFilterParam = -1;
 137   std::string sOptFilterName (SignalFilter::convertFilterIDToName (SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT));
 138   std::string sOptFilterMethodName (ProcessSignal::convertFilterMethodIDToName (ProcessSignal::FILTER_METHOD_CONVOLUTION));
 139   std::string sOptFilterGenerationName (ProcessSignal::convertFilterGenerationIDToName (ProcessSignal::FILTER_GENERATION_DIRECT));
 140   std::string sOptInterpName (Backprojector::convertInterpIDToName (Backprojector::INTERP_LINEAR));
 141   std::string sOptBackprojectName (Backprojector::convertBackprojectIDToName (Backprojector::BPROJ_IDIFF3));
 142   int iOptPreinterpolationFactor = 1;
 143   int nx, ny;
 144   char *endptr;
 145 #ifdef HAVE_MPI
 146   ImageFile* imLocal;
 147   int mpi_nview, mpi_ndet;
 148   double mpi_detinc, mpi_rotinc, mpi_phmlen;
 149   MPIWorld mpiWorld (argc, argv);
 150 #endif
 151
 152   Timer timerProgram;
 153
 154 #ifdef HAVE_MPI
 155   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 156 #endif
 157     while (1) {
 158       int c = getopt_long(argc, argv, "", my_options, NULL);
 159       char *endptr = NULL;
 160
 161       if (c == -1)
 162         break;
 163
 164       switch (c)
 165         {
 166         case O_INTERP:
 167           sOptInterpName = optarg;
 168           break;
 169         case O_PREINTERPOLATION_FACTOR:
 170           iOptPreinterpolationFactor = strtol(optarg, &endptr, 10);
 171           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 172             pjrec_usage(argv[0]);
 173             return(1);
 174           }
 175           break;
 176         case O_FILTER:
 177           sOptFilterName = optarg;
 178           break;
 179         case O_FILTER_METHOD:
 180           sOptFilterMethodName = optarg;
 181           break;
 182         case O_FILTER_GENERATION:
 183           sOptFilterGenerationName = optarg;
 184           break;
 185         case O_FILTER_PARAM:
 186           dOptFilterParam = strtod(optarg, &endptr);
 187           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 188             pjrec_usage(argv[0]);
 189             return(1);
 190           }
 191           break;
 192         case O_ZEROPAD:
 193           iOptZeropad = strtol(optarg, &endptr, 10);
 194           if (endptr != optarg + strlen(optarg)) {
 195             pjrec_usage(argv[0]);
 196             return(1);
 197           }
 198           break;
 199         case O_BACKPROJ:
 200           sOptBackprojectName = optarg;
 201           break;
 202         case O_VERBOSE:
 203           bOptVerbose = true;
 204           break;
 205         case O_DEBUG:
 206           bOptDebug = true;
 207           break;
 208         case O_TRACE:
 209           if ((optTrace = Trace::convertTraceNameToID(optarg)) == Trace::TRACE_INVALID) {
 210             pjrec_usage(argv[0]);
 211             return (1);
 212           }
 213           break;
 214         case O_VERSION:
 215 #ifdef VERSION
 216           std::cout <<  "Version " <<  VERSION << std::endl << g_szIdStr << std::endl;
 217 #else
 218           std::cout << "Unknown version number" << std::endl;
 219 #endif
 220           return (0);
 221         case O_HELP:
 222         case '?':
 223           pjrec_usage(argv[0]);
 224           return (0);
 225         default:
 226           pjrec_usage(argv[0]);
 227           return (1);
 228         }
 229     }
 230
 231     if (optind + 4 != argc) {
 232       pjrec_usage(argv[0]);
 233       return (1);
 234     }
 235
 236     pszFilenameProj = argv[optind];
 237
 238     pszFilenameImage = argv[optind + 1];
 239
 240     nx = strtol(argv[optind + 2], &endptr, 10);
 241     ny = strtol(argv[optind + 3], &endptr, 10);
 242
 243     std::ostringstream filterDesc;
 244     if (dOptFilterParam >= 0)
 245       filterDesc << sOptFilterName << ": alpha=" << dOptFilterParam;
 246     else
 247       filterDesc << sOptFilterName;
 248
 249     std::ostringstream label;
 250     label << "pjrec: " << nx << "x" << ny << ", " << filterDesc.str() << ", " << sOptInterpName << ", preinterpolationFactor=" << iOptPreinterpolationFactor << ", " << sOptBackprojectName;
 251     sRemark = label.str();
 252
 253     if (bOptVerbose)
 254       std::cout << "SRemark: " << sRemark << std::endl;
 255 #ifdef HAVE_MPI
 256   }
 257 #endif
 258
 259 #ifdef HAVE_MPI
 260   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 261     projGlobal.read (pszFilenameProj);
 262     if (bOptVerbose) {
 263       ostringstream os;
 264       projGlobal.printScanInfo (os);
 265       std::cout << os.str();
 266     }
 267
 268     mpi_ndet = projGlobal.nDet();
 269     mpi_nview = projGlobal.nView();
 270     mpi_detinc = projGlobal.detInc();
 271     mpi_phmlen = projGlobal.phmLen();
 272     mpi_rotinc = projGlobal.rotInc();
 273   }
 274
 275   TimerCollectiveMPI timerBcast (mpiWorld.getComm());
 276   mpiWorld.BcastString (sOptBackprojectName);
 277   mpiWorld.BcastString (sOptFilterName);
 278   mpiWorld.BcastString (sOptFilterMethodName);
 279   mpiWorld.BcastString (sOptInterpName);
 280   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptVerbose, 1, MPI::INT, 0);
 281   mpiWorld.getComm().Bcast (&bOptDebug, 1, MPI::INT, 0);
 282   mpiWorld.getComm().Bcast (&optTrace, 1, MPI::INT, 0);
 283   mpiWorld.getComm().Bcast (&dOptFilterParam, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 284   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptZeropad, 1, MPI::INT, 0);
 285   mpiWorld.getComm().Bcast (&iOptPreinterpolationFactor, 1, MPI::INT, 0);
 286   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_ndet, 1, MPI::INT, 0);
 287   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_nview, 1, MPI::INT, 0);
 288   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_detinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 289   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_phmlen, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 290   mpiWorld.getComm().Bcast (&mpi_rotinc, 1, MPI::DOUBLE, 0);
 291   mpiWorld.getComm().Bcast (&nx, 1, MPI::INT, 0);
 292   mpiWorld.getComm().Bcast (&ny, 1, MPI::INT, 0);
 293   if (bOptVerbose)
 294       timerBcast.timerEndAndReport ("Time to broadcast variables");
 295
 296   mpiWorld.setTotalWorkUnits (mpi_nview);
 297
 298   Projections projLocal (mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(), mpi_ndet);
 299   projLocal.setDetInc (mpi_detinc);
 300   projLocal.setPhmLen (mpi_phmlen);
 301   projLocal.setRotInc (mpi_rotinc);
 302
 303   TimerCollectiveMPI timerScatter (mpiWorld.getComm());
 304   ScatterProjectionsMPI (mpiWorld, projGlobal, projLocal, bOptDebug);
 305   if (bOptVerbose)
 306       timerScatter.timerEndAndReport ("Time to scatter projections");
 307
 308   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 309     imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 310   }
 311
 312   imLocal = new ImageFile (nx, ny);
 313 #else
 314   projGlobal.read (pszFilenameProj);
 315   if (bOptVerbose) {
 316     std::ostringstream os;
 317     projGlobal.printScanInfo(os);
 318     std::cout << os.str();
 319   }
 320
 321   imGlobal = new ImageFile (nx, ny);
 322 #endif
 323
 324 #ifdef HAVE_MPI
 325   TimerCollectiveMPI timerReconstruct (mpiWorld.getComm());
 326
 327   Reconstructor reconstruct (projLocal, *imLocal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 328   if (reconstruct.fail()) {
 329     std::cout << reconstruct.failMessage();
 330     return (1);
 331   }
 332   reconstruct.reconstructAllViews();
 333
 334   if (bOptVerbose)
 335       timerReconstruct.timerEndAndReport ("Time to reconstruct");
 336
 337   TimerCollectiveMPI timerReduce (mpiWorld.getComm());
 338   ReduceImageMPI (mpiWorld, imLocal, imGlobal);
 339   if (bOptVerbose)
 340       timerReduce.timerEndAndReport ("Time to reduce image");
 341 #else
 342   Reconstructor reconstruct (projGlobal, *imGlobal, sOptFilterName.c_str(), dOptFilterParam, sOptFilterMethodName.c_str(), iOptZeropad, sOptFilterGenerationName.c_str(), sOptInterpName.c_str(), iOptPreinterpolationFactor, sOptBackprojectName.c_str(), optTrace);
 343   if (reconstruct.fail()) {
 344     std::cout << reconstruct.failMessage();
 345     return (1);
 346   }
 347   reconstruct.reconstructAllViews();
 348 #endif
 349
 350 #ifdef HAVE_MPI
 351   if (mpiWorld.getRank() == 0)
 352 #endif
 353     {
 354       double dCalcTime = timerProgram.timerEnd();
 355       imGlobal->labelAdd (projGlobal.getLabel());
 356       imGlobal->labelAdd (Array2dFileLabel::L_HISTORY, sRemark.c_str(), dCalcTime);
 357       imGlobal->fileWrite (pszFilenameImage);
 358       if (bOptVerbose)
 359         std::cout << "Run time: " << dCalcTime << " seconds" << std::endl;
 360     }
 361 #ifdef HAVE_MPI
 362   MPI::Finalize();
 363 #endif
 364
 365   return (0);
 366 }
 367
 368
 369 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 370 // MPI Support Routines
 371 //
 372 //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 373
 374 #ifdef HAVE_MPI
 375 static void ScatterProjectionsMPI (MPIWorld& mpiWorld, Projections& projGlobal, Projections& projLocal, const bool bOptDebug)
 376 {
 377   if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 378     for (int iProc = 0; iProc < mpiWorld.getNumProcessors(); iProc++) {
 379       for (int iw = mpiWorld.getStartWorkUnit(iProc); iw <= mpiWorld.getEndWorkUnit(iProc); iw++) {
 380         DetectorArray& detarray = projGlobal.getDetectorArray( iw );
 381         int nDet = detarray.nDet();
 382         DetectorValue* detval = detarray.detValues();
 383
 384         double viewAngle = detarray.viewAngle();
 385         mpiWorld.getComm().Send(&nDet, 1, MPI::INT, iProc, 0);
 386         mpiWorld.getComm().Send(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, iProc, 0);
 387         mpiWorld.getComm().Send(detval, nDet, MPI::FLOAT, iProc, 0);
 388       }
 389     }
 390   }
 391
 392   for (int iw = 0; iw < mpiWorld.getMyLocalWorkUnits(); iw++) {
 393     MPI::Status status;
 394     int nDet;
 395     double viewAngle;
 396     DetectorValue* detval = projLocal.getDetectorArray(iw).detValues();
 397
 398     mpiWorld.getComm().Recv(&nDet, 1, MPI::INT, 0, 0, status);
 399     mpiWorld.getComm().Recv(&viewAngle, 1, MPI::DOUBLE, 0, 0, status);
 400     mpiWorld.getComm().Recv(detval, nDet, MPI::FLOAT, 0, 0, status);
 401     projLocal.getDetectorArray(iw).setViewAngle( viewAngle );
 402   }
 403 }
 404
 405 static void
 406 ReduceImageMPI (MPIWorld& mpiWorld, ImageFile* imLocal, ImageFile* imGlobal)
 407 {
 408   ImageFileArray vLocal = imLocal->getArray();
 409
 410   for (unsigned int ix = 0; ix < imLocal->nx(); ix++) {
 411     void *recvbuf = NULL;
 412     if (mpiWorld.getRank() == 0) {
 413       ImageFileArray vGlobal = imGlobal->getArray();
 414       recvbuf = vGlobal[ix];
 415     }
 416     mpiWorld.getComm().Reduce (vLocal[ix], recvbuf, imLocal->ny(), imLocal->getMPIDataType(), MPI::SUM, 0);
 417   }
 418 }
 419
 420 #endif
 421
 422
 423 #ifndef NO_MAIN
 424 int
 425 main (int argc, char* argv[])
 426 {
 427   int retval = 1;
 428
 429   try {
 430     retval = pjrec_main(argc, argv);
 431   } catch (exception e) {
 432           std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
 433   } catch (...) {
 434           std::cerr << "Unknown exception" << std::endl;
 435   }
 436
 437   return (retval);
 438 }
 439 #endif
 440