r520: no message
[ctsim.git] / doc / ctsim-concepts.tex
index 1d2d01bfe27a061aaf2b9d7fdec461f200feec94..ddf6bed819ad82cc4516a7f67239494adfef9976 100644 (file)
@@ -1,34 +1,36 @@
 \chapter{Concepts}\index{Concepts}%
 \setheader{{\it CHAPTER \thechapter}}{}{}{}{}{{\it CHAPTER \thechapter}}%
-\setfooter{\thepage}{}{}{}{}{\thepage}%
+\setfooter{\thepage}{}{}{}{\small Version 0.2}{\thepage}%
 
 \section{Overview}\label{conceptoverview}\index{Concepts,Overview}%
-The operation of \ctsim begins with the phantom object.  A phantom
-object consists of geometric elements.  A scanner is specified and the
-projection data simulated.  Finally that projection data can be
-reconstructed using various user controlled algorithms producing an
-image of the phantom object. This reconstruction can then be
-statistically compared to the original phantom object.
+The operation of \ctsim\ begins with the phantom object.  A
+phantom object consists of geometric elements.  A scanner is
+specified and the collection of x-ray data, or projections, is
+simulated. That projection data can be reconstructed using various
+user-controlled algorithms producing an image of the phantom
+object. This reconstruction can then be statistically compared to
+the original phantom object.
 
 In order to use \ctsim\ effectively, some knowledge of how \ctsim\ works
 and the approach taken is required. \ctsim\ deals with a variety of
-object, but the two objects we need to be concerned with are the 
+object, but the two objects we need to be concerned with are the
 \emph{phantom} and the \emph{scanner}.
 
 \section{Phantoms}\label{conceptphantom}\index{Concepts,Phantoms}%
 \subsection{Overview}\label{phantomoverview}\index{Concepts,Phantoms,Overview}%
 
-\ctsim\ uses geometrical objects to
-describe the object being scanned. A phantom is composed a one or more
-phantom elements. These elements are simple geometric shapes,
-specifically, rectangles, triangles, ellipses, sectors and segments.
-With these elements, standard phantoms used in the CT literature can
-be constructed.  In fact, \ctsim\ provides a shortcut to load the
-published phantoms of Herman and Shepp-Logan.  \ctsim\ also reads text
-files of user-defined phantoms.
+\ctsim\ uses geometrical objects to describe the object being
+scanned. A phantom is composed a one or more phantom elements.
+These elements are simple geometric shapes, specifically,
+rectangles, triangles, ellipses, sectors and segments. With these
+elements, standard phantoms used in the CT literature can be
+constructed.  In fact, \ctsim\ provides a shortcut to load the
+published phantoms of Herman\cite{HERMAN80} and
+Shepp-Logan\cite{SHEPP74}. \ctsim\ also reads text files of
+user-defined phantoms.
 
-The types of phantom elements and their definitions are taken from
-Herman's 1980 book\cite{HERMAN80}.
+The types of phantom elements and their definitions are taken with
+permission from G.T. Herman's 1980 book\cite{HERMAN80}.
 
 \subsection{Phantom File}\label{phantomfile}\index{Concepts,Phantoms,File}
 Each line in the text file describes an element of the
@@ -36,13 +38,16 @@ phantom.  Each line contains seven entries, in the following form:
 \begin{verbatim}
 element-type cx cy dx dy r a
 \end{verbatim}
-The first entry defines the type of the element, one
-of {\tt rectangle}, {\tt ellipse}, {\tt triangle}, {\tt sector}, or {\tt segment}.
-{\tt cx}, {\tt cy}, {\tt dx} and {\tt dy} have different meanings depending on the element type.
+The first entry defines the type of the element, either
+\rtfsp\texttt{rectangle}, \texttt{}, \texttt{triangle},
+\rtfsp\texttt{sector}, or \texttt{segment}. \texttt{cx},
+\rtfsp\texttt{cy}, \texttt{dx} and \texttt{dy} have different
+meanings depending on the element type.
 
-{\tt r} is the rotation applied to the object in degrees counterclockwise,
-and {\tt a} is the X-ray attenuation coefficient of the object.
-Where objects overlap, the attenuations of the overlapped objects are summed.
+\rtfsp\texttt{r} is the rotation applied to the object in degrees
+counterclockwise, and \texttt{a} is the X-ray attenuation
+coefficient of the object. Where objects overlap, the attenuations
+of the overlapped objects are summed.
 
 
 \subsection{Phantom Elements}\label{phantomelements}\index{Concepts,Phantoms,Elements}
@@ -84,11 +89,11 @@ below the x-axis. The sector is then rotated and translated the same
 as a segment.
 
 \subsection{Phantom Size}
-Also note that the overall dimensions of the phantom are increased by
-1\% above the specified sizes to avoid clipping due to round-off
-errors from polygonal sampling.  So, if the phantom is defined as a
-rectangle of size 0.1 by 0.1, the actual phantom has extent 0.101 in
-each direction.
+The overall dimensions of the phantom are increased by 1\% above the
+specified sizes to avoid clipping due to round-off errors from
+sampling the polygons of the phantom elements.  So, if the phantom is
+defined as a rectangle of size 0.1 by 0.1, the actual phantom has
+extent 0.101 in each direction.
 
 \section{Scanner}\label{conceptscanner}\index{Concepts,Scanner}%
 \subsection{Dimensions}
@@ -105,14 +110,14 @@ In general, the geometry for a scan all starts from the size of the
 phantom being scanned. This is because \ctsim\ allows for statistical
 comparisons between the original phantom image and it's reconstructions.
 Since CT scanners scan a circular area, the first important
-variable is the diameter of the circle surround the phantom, or the 
+variable is the diameter of the circle surround the phantom, or the
 \emph{phantom diameter}. Remember, as mentioned above, the
 phantom dimensions are also padded by 1\%.
 
-The other important geometry variables for scanning objects are 
-the \emph{view diameter}, \emph{scan diameter}, and \emph{focal length}.
-These variables are all input into \ctsim\ in terms of ratios rather than
-absolute values.
+The other important geometry variables for scanning objects are the
+\emph{view ratio}, \emph{scan ratio}, and \emph{focal length ratio}.
+These variables are all input into \ctsim\ in terms of ratios rather
+than absolute values.
 
 \subsubsection{Phantom Diameter}
 \begin{figure}
@@ -123,74 +128,81 @@ The phantom diameter is automatically calculated by \ctsim\ from the
 phantom definition. The maximum of the phantom length and height is
 used to define the square that completely surrounds the phantom. Let
 \latexonly{$p_l$}\latexignore{\emph{Pl}}
-be the width and height of this square. The diameter of this boundary box, 
+be the width and height of this square. The diameter of this boundary box,
 \latexonly{$p_d$,}\latexignore{\emph{Pd},}
-is then
+\rtfsp is then
 \latexignore{\\$$\emph{Pl x sqrt(2)}$$\\}
 \latexonly{$$p_d = p_l \sqrt{2}$$}
 CT scanners actually collect projections around a circle rather than a
 square. The diameter of this circle is also the diameter of the boundary
 square
-\latexonly{$p_d$.}\latexignore{\emph{Pd}.}
+\latexonly{$p_d$.}\latexignore{\rtfsp\emph{Pd}.}
 These relationships are diagrammed in figure 2.1.
 
 \subsubsection{View Diameter}
-The \emph{view diameter} is the area that is being processed during scanning of phantoms as
-well as during rasterization of phantoms. By default, the \emph{view diameter}
-is set equal to the \emph{phantom diameter}. It may be useful, especially for 
-experimental reasons, to process an area larger (and maybe even smaller) than
-the phantom. Thus, during rasterization or during projections, \ctsim\ will
-ask for a \emph{view ratio},
-\latexonly{$v_{R}$.}\latexignore{\emph{VR}.}
-The \emph{view diameter} is then set as
-\latexonly{$$v_d = p_d v_{R}$$}\latexignore{\\$$\emph{Vd = Pd x VR}$$}
-
-By using a 
-\latexonly{$v_{R}$}\latexignore{\emph{VR}}
+The \emph{view diameter} is the area that is being processed
+during scanning of phantoms as well as during rasterization of
+phantoms. By default, the \emph{view diameter} \rtfsp is set equal
+to the \emph{phantom diameter}. It may be useful, especially for
+experimental reasons, to process an area larger (and maybe even
+smaller) than the phantom. Thus, during rasterization or during
+projections, \ctsim\ will ask for a \emph{view ratio},
+\latexonly{$v_r$.}\latexignore{\rtfsp \emph{VR}.} The \emph{view
+diameter} is then calculated as \latexonly{$$v_d = p_d
+v_r$$}\latexignore{\\$$\emph{Vd = Pd x VR}$$}
+
+By using a
+\latexonly{$v_r$}\latexignore{\emph{VR}}
 less than 1, \ctsim\ will allow
-for a \emph{view diameter} less than 
+for a \emph{view diameter} less than
 \emph{phantom diameter}.
 This will lead to significant artifacts. Physically, this would
 be impossible and is analagous to inserting an object into the CT
 scanner that is larger than the scanner itself!
 
 \subsubsection{Scan Diameter}
-By default, the entire \emph{view diameter} is scanned. For experimental
-purposes, it may be desirable to scan an area either larger or smaller than
-the \emph{view diameter}. Thus, the concept of \emph{scan ratio}
-\latexonly{$s_{R}$}\latexignore{\emph{SR}}
+By default, the entire \emph{view diameter} is scanned. For
+experimental purposes, it may be desirable to scan an area either
+larger or smaller than the \emph{view diameter}. Thus, the concept
+of \emph{scan ratio}, \latexonly{$s_r$,}\latexignore{\emph{SR},}
 is born. The scan diameter
-\latexonly{$s_d$}\latexignore{\emph{Sd}}
-is the diameter over which x-rays are collected and is defined as
-\latexonly{$$s_d = v_d s_{R}$$}\latexignore{\\$$\emph{Sd = Vd x SR}$$\\}
-By default and for all ordinary scanning, the \emph{scan ratio} is to
-\texttt{1}. If the \emph{scan ratio} is less than \texttt{1},
-you can expect significant artifacts.
+\latexonly{$s_d$}\latexignore{\emph{Sd}} is the diameter over
+which x-rays are collected and is defined as \latexonly{$$s_d =
+v_d s_r$$}\latexignore{\\$$\emph{Sd = Vd x SR}$$\\} By default and
+for all ordinary scanning, the \emph{scan ratio} is to \texttt{1}.
+If the \emph{scan ratio} is less than \texttt{1}, you can expect
+significant artifacts.
 
 \subsubsection{Focal Length}
 The \emph{focal length},
 \latexonly{$f$,}\latexignore{\emph{F},}
 is the distance of the X-ray source to the center of
 the phantom. The focal length is set as a ratio,
-\latexonly{$f_{R}$,}\latexignore{\emph{FR},}
+\latexonly{$f_r$,}\latexignore{\emph{FR},}
 of the view radius. Focal length is
 calculated as
-\latexonly{$$f = (v_d / 2) f_R$$}\latexignore{\\$$\emph{F = (Vd / 2) x FR}$$}
+\latexonly{$$f = (v_d / 2) f_r$$}\latexignore{\\$$\emph{F = (Vd / 2) x FR}$$}
+
+For parallel geometry scanning, the focal length doesn't matter.
+However, divergent geometry scanning (equilinear and equiangular),
+the \emph{focal length ratio} should be set at \texttt{2} or more
+to avoid artifacts. Moreover, a value of less than \texttt{1},
+though it can be given to \ctsim, is physically impossible and it
+analagous to have having the x-ray source with the \emph{view
+diameter}.
 
-For parallel geometry scanning, the focal length doesn't matter. However, 
-divergent geometry scanning (equilinear and equiangular), the \emph{focal
-length ratio} should be set at \texttt{2} or more to avoid artifacts. 
 
 \subsection{Parallel Geometry}\label{geometryparallel}\index{Concepts,Scanner,Geometries,Parallel}
 
 As mentioned above, the focal length is not used in this simple
-geometry. The detector array is set to
-be the same size as the \emph{scan diameter}. 
-For optimal scanning in this geometry, the \emph{scan diameter} should
-be equal to the \emph{phantom diameter}. This is accomplished by using
-the default values of \texttt{1} for the \emph{view diameter ratio} and
-the \emph{scan diameter ratio}. If values of less than \texttt{1} are
-used for these two variables, significant distortions will occur.
+geometry. The detector array is set to be the same size as the
+\emph{scan diameter}.  For optimal scanning in this geometry, the
+\emph{scan diameter} should be equal to the \emph{phantom
+diameter}. This is accomplished by using the default values of
+\texttt{1} for the \emph{view ratio} and the \emph{scan ratio}. If
+values of less than \texttt{1} are used for these two variables,
+significant distortions will occur.
+
 
 \subsection{Divergent Geometries}\label{geometrydivergent}\index{Concepts,Scanner,Geometries,Divergent}
 \subsubsection{Overview}
@@ -206,66 +218,84 @@ See figure 2.2.
 \caption{Equilinear and equiangular geometries.}
 \end{figure}
 
+
 \subsubsection{Fan Beam Angle}
-For these divergent beam geometries, the \emph{fan beam angle} needs 
-to be calculated. For real-world CT scanners, this is fixed at the
-time of manufacture. \ctsim, however, calculates the \emph{fan beam angle},
-\latexonly{$\alpha$,}\latexignore{\emph{alpha},} 
-from the diameter of the \emph{scan diameter} and the \emph{focal length}
-\latexignore{\\$$\emph{alpha = 2 x asin ( (Sd / 2) / F)}$$\\}
-\latexonly{$$\alpha = 2 \sin^{-1} ((s_d / 2) / f)$$}
-This is illustrated in figure 2.3.
+For these divergent beam geometries, the \emph{fan beam angle}
+needs to be calculated. For real-world CT scanners, this is fixed
+at the time of manufacture. \ctsim, however, calculates the
+\emph{fan beam angle}, $\alpha$, from the \emph{scan diameter} and
+the \emph{focal length} \latexignore{\\$$\emph{alpha = 2 x asin (
+(Sd / 2) / f)}$$\\}
+\latexonly{\begin{equation}\label{alphacalc}\alpha = 2 \sin^{-1}
+((s_d / 2) / f)\end{equation}} This is illustrated in figure 2.3.
 \begin{figure}
 \image{10cm;0cm}{alphacalc.eps}
 \caption{Calculation of $\alpha$}
 \end{figure}
 
+
 Empiric testing with \ctsim\ shows that for very large \emph{fan beam angles},
-greater than approximately 
-\latexonly{$120^{\circ}$,}\latexignore{120 degrees,}
+greater than approximately
+\latexonly{$120^\circ$,}\latexignore{120 degrees,}
 there are significant artifacts. The primary way to manage the
 \emph{fan beam angle} is by varying the \emph{focal length} since the
 \emph{scan diameter} by the size of the phantom.
 
+To illustrate, the \emph{scan diameter} can be defined as
+\latexonly{$$s_d = s_r v_r p_d$$}\latexignore{\\$$Sd = Sr x Vr x Pd$$\\}
+
+Further, $f$ can be defined as \latexonly{$$f = f_r (v_r p_d /
+2)$$}\latexignore{\\$$F = FR x (VR x Pd)$$\\}
+
+Substituting these equations into \latexignore{the above
+equation,}\latexonly{equation~\ref{alphacalc},} We have,
+\latexonly{
+\begin{eqnarray}
+\alpha &= 2\,\sin^{-1} \frac{s_r v_r p_d / 2}{f_r v_r (p_d / 2)} \nonumber \\
+&= 2\,\sin^{-1} (s_r / f_r)
+\end{eqnarray}
+} \latexignore{\\$$\alpha = 2 sin (Sr / Fr$$\\}
+
+Since in normal scanning $s_r$ = 1, $\alpha$ depends only upon the
+\emph{focal length ratio}.
+
 \subsubsection{Detector Array Size}
-In general, you do not need to be concerned with the detector array
-size. It is automatically calculated by \ctsim.  The size of the
-detector array depends upon the \emph{focal length} and the 
-\emph{scan diameter}. In general, increasing the \emph{focal length}
-decreases the size of the detector array and increasing the \emph{scan
-diameter} increases the detector array size.
-
-For equiangular geometry, the detectors are spaced around a
-circle covering an angular distance of 
-\latexonly{$\alpha$.}\latexignore{\emph{alpha}.}
-The dotted circle in
+In general, you do not need to be concerned with the detector
+array size. It is automatically calculated by \ctsim. For those
+interested, this section explains how the detector array size is
+calculated.
+
+For parallel geometry, the detector length is equal to the scan
+diameter.
+
+For divergent beam geometries, the size of the detector array also
+depends upon the \emph{focal length}. Increasing the \emph{focal
+length} decreases the size of the detector array while increasing
+the \emph{scan diameter} increases the detector array size.
+
+For equiangular geometry, the detectors are spaced around a circle
+covering an angular distance of
+\latexonly{$2\,\alpha$.}\latexignore{\emph{2 \alpha}.} The dotted
+circle in
 \begin{figure}
 \image{10cm;0cm}{equiangular.eps}
 \caption{Equiangluar geometry}
 \end{figure}
-figure 2.4 indicates the positions of the detectors in this case. 
+figure 2.4 indicates the positions of the detectors in this case.
 
 For equilinear geometry, the detectors are space along a straight
-line. The length of the line depends upon 
-\latexonly{$\alpha$}\latexignore{\emph{alpha}}
-and the \emph{focal length}. It is calculated as
-\latexonly{$$\mathrm{detLengh} = 4\,f \tan (\alpha / 2)$$}
-\latexignore{\\$$\emph{detLength} = 4 x F x tan(alpha/2)$$\\}
+line. The length of the line depends upon
+\latexonly{$\alpha$}\latexignore{\emph{alpha}} and the \emph{focal
+length}. It is calculated as \latexonly{$4\,f \tan (\alpha / 2)$}
+\latexignore{\emph{4 x F x tan(\alpha/2)}}
 \begin{figure}
 \image{10cm;0cm}{equilinear.eps}
 \caption{Equilinear geometry}
 \end{figure}
 An example of the this geometry is in figure 2.5.
 
-\subsubsection{Examples of Geometry Settings}
-Consider increasing the focal length ratio to two leaving the
-field of view ratio as 1,  as in  Figure 4.  Now the detectors array is
-denser, and the real field of view is closer to that specified, but note
-again that the field of view is not used. Instead, the focal length is
-used to give a distance from the center of the phantom to the source, and
-the detector array is adjusted to give an angular coverage to include the
-whole phantom.
 
+\subsubsection{Examples of Geometry Settings}
 
 
 \section{Reconstruction}\label{conceptreconstruction}\index{Concepts,Reconstruction}%
@@ -281,24 +311,30 @@ spatial domain.
 The technique is comprised of two sequential steps:
 filtering projections and then backprojecting the filtered projections. Though
 these two steps are sequential, each view position can be processed individually.
-This parallelism is exploited in the MPI versions of \ctsim\ where the data from
-all the views are spread about amongst all of the processors. This has been testing
-in a 16-CPU cluster with good results.
+
+\subsubsection{Multiple Computer Processing}
+This parallelism is exploited in the MPI versions of \ctsim\ where the
+data from all the views are spread about amongst all of the
+processors. This has been testing in a 16-CPU cluster with good
+results.
 
 \subsubsection{Filter projections}
 The projections for a single view have their frequency data multipled by
 a filter of $|w|$. \ctsim\ permits four different ways to accomplish this
-filtering. Two of the methods use convolution of the projection data with the
+filtering.
+
+Two of the methods use convolution of the projection data with the
 inverse Fourier transform of $|w|$. The other two methods perform an Fourier
 transform of the projection data and multiply that by the $|w|$ filter and
 then perform an inverse fourier transform.
 
-Though multiplying by $|w|$ gives the sharpest reconstructions, in practice, superior results are obtained by mutiplying the $|w|$ filter by
-another filter that attenuates the higher frequencies. \ctsim\ has multiple
-filters for this purpose.
+Though multiplying by $|w|$ gives the sharpest reconstructions, in
+practice, superior results are obtained by reducing the higher
+frequencies. This is performed by mutiplying the $|w|$ filter by
+another filter that attenuates the higher frequencies. \ctsim\ has
+multiple filters for this purpose.
 
 \subsubsection{Backprojection of filtered projections}
-Backprojection is the process of ``smearing'' the filtered projections over
-the reconstructing image. Various levels of interpolation can be specified.
-In general, the trade-off is between quality and execution time.
-
+Backprojection is the process of ``smearing'' the filtered
+projections over the reconstructing image. Various levels of
+interpolation can be specified.