r136: *** empty log message ***
[ctsim.git] / libctsim / filter.cpp
index 978a5025777a4ed4166e223242a01b853a31b0ef..0a24996805bba3a24f48bdb83c1bd1900c9b5e04 100644 (file)
@@ -9,7 +9,7 @@
 **  This is part of the CTSim program
 **  Copyright (C) 1983-2000 Kevin Rosenberg
 **
-**  $Id: filter.cpp,v 1.12 2000/07/05 17:59:26 kevin Exp $
+**  $Id: filter.cpp,v 1.13 2000/07/06 08:30:30 kevin Exp $
 **
 **  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
 **  it under the terms of the GNU General Public License (version 2) as
  *                     for spatial domain filters.  For ANALYTIC solutions, use numint = 0
  */
 
-SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* filterMethodName, double bw, double signalIncrement, int nSignalPoints, double param, const char* domainName, int numIntegral = 0)
+SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* filterMethodName, double bw, double signalIncrement, int nSignalPoints, double param, const char* domainName, int zeropad = 0, int numIntegral = 0)
 {
   m_vecFilter = NULL;
   m_vecFourierCosTable = NULL;
   m_vecFourierSinTable = NULL;
+  m_vecFftInput = NULL;
   m_idFilter = convertFilterNameToID (filterName);
   if (m_idFilter == FILTER_INVALID) {
     m_fail = true;
@@ -70,12 +71,12 @@ SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* filterMethodName
     m_failMessage += domainName;
     return;
   }
-  init (m_idFilter, m_idFilterMethod, bw, signalIncrement, nSignalPoints, param, m_idDomain, numIntegral);
+  init (m_idFilter, m_idFilterMethod, bw, signalIncrement, nSignalPoints, param, m_idDomain, zeropad, numIntegral);
 }
 
-SignalFilter::SignalFilter (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID, double bw, double signalIncrement, int nSignalPoints, double param, const DomainID domainID, int numIntegral = 0)
+SignalFilter::SignalFilter (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID, double bw, double signalIncrement, int nSignalPoints, double param, const DomainID domainID, int zeropad = 0, int numIntegral = 0)
 {
-  init (filterID, filterMethodID, bw, signalIncrement, nSignalPoints, param, domainID, numIntegral);
+  init (filterID, filterMethodID, bw, signalIncrement, nSignalPoints, param, domainID, zeropad, numIntegral);
 }
 
 SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* domainName, double bw, double param, int numIntegral = 0)
@@ -86,6 +87,7 @@ SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* domainName, doub
   m_vecFilter = NULL;
   m_vecFourierCosTable = NULL;
   m_vecFourierSinTable = NULL;
+  m_vecFftInput = NULL;
   m_filterParam = param;  
   m_numIntegral = numIntegral;
   m_idFilter = convertFilterNameToID (filterName);
@@ -105,7 +107,7 @@ SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* domainName, doub
 }
 
 void
-SignalFilter::init (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID, double bw, double signalIncrement, int nSignalPoints, double param, const DomainID domainID, int numint)
+SignalFilter::init (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID, double bw, double signalIncrement, int nSignalPoints, double param, const DomainID domainID, int zeropad, int numint)
 {
   m_bw = bw;
   m_idFilter = filterID;
@@ -123,37 +125,24 @@ SignalFilter::init (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID
   m_nSignalPoints = nSignalPoints;
   m_signalInc = signalIncrement;
   m_filterParam = param;  
-  
-  if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FOURIER) {
-    int nFourier = m_nSignalPoints * m_nSignalPoints + 1;
-    double angleIncrement = (2. * PI) / m_nSignalPoints;
-    m_vecFourierCosTable = new double[ nFourier ];
-    m_vecFourierSinTable = new double[ nFourier ];
-    for (int i = 0; i < nFourier; i++) {
-      m_vecFourierCosTable[i] = cos (angleIncrement * i);
-      m_vecFourierSinTable[i] = sin (angleIncrement * i);
-    }
-    m_nFilterPoints = m_nSignalPoints;
-    m_filterMin = -1. / (2 * m_signalInc);
-    m_filterMax = 1. / (2 * m_signalInc);
-    m_filterInc = (m_filterMax - m_filterMin) / m_nFilterPoints;
-    m_vecFilter = new double [m_nFilterPoints];
-    int halfFilter = m_nFilterPoints / 2;
-    for (int i = 0; i < halfFilter; i++) 
-       m_vecFilter[i] = static_cast<double>(i) / (halfFilter - 1) / (2 * m_signalInc);
-    for (int i = 0; i < halfFilter; i++)
-       m_vecFilter[m_nFilterPoints - i - 1] = static_cast<double>(i+1) / (halfFilter - 1) / (2 * m_signalInc);
-    if (halfFilter % 2) // odd
-      m_vecFilter[halfFilter] = 1 / (2 * m_signalInc);
-  } else if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2 || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4) {
+  m_zeropad = zeropad;
+
+  m_vecFourierCosTable = NULL;
+  m_vecFourierSinTable = NULL;
+  m_vecFilter = NULL;
+  m_vecFftInput = NULL;
+
+  if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT)
+    m_idFilterMethod = FILTER_METHOD_FFTW;
+
+  if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FOURIER || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFTW) {
     m_nFilterPoints = m_nSignalPoints;
-    if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2 || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4) {
+    if (m_zeropad > 0) {
       double logBase2 = log(m_nSignalPoints) / log(2);
-      int nextPowerOf2 = static_cast<int>(floor(logBase2)) + 1;
-      if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4)
-       nextPowerOf2++;
+      int nextPowerOf2 = static_cast<int>(floor(logBase2));
       if (logBase2 != floor(logBase2))
        nextPowerOf2++;
+      nextPowerOf2 += m_zeropad;
       m_nFilterPoints = 1 << nextPowerOf2;
       cout << "nFilterPoints = " << m_nFilterPoints << endl;
     }
@@ -162,18 +151,38 @@ SignalFilter::init (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID
     m_filterInc = (m_filterMax - m_filterMin) / m_nFilterPoints;
     m_vecFilter = new double [m_nFilterPoints];
     int halfFilter = m_nFilterPoints / 2;
-    for (int i = 0; i < halfFilter; i++) 
-       m_vecFilter[i] = static_cast<double>(i) / (halfFilter - 1) /  (2 * m_signalInc) / m_nSignalPoints;
-    for (int i = 0; i < halfFilter; i++)
-       m_vecFilter[m_nFilterPoints - i - 1] = static_cast<double>(i+1) / (halfFilter - 1) /  (2 * m_signalInc) / m_nSignalPoints;
-    if (halfFilter % 2) // odd
-      m_vecFilter[halfFilter] = 1 / (2 * m_signalInc) / m_nSignalPoints;
+    for (int i = 0; i <= halfFilter; i++) 
+       m_vecFilter[i] = static_cast<double>(i) / halfFilter/ (2. * m_signalInc);
+    for (int i = 1; i <= halfFilter; i++)
+       m_vecFilter[m_nFilterPoints - i] = static_cast<double>(i) / halfFilter / (2. * m_signalInc);
+  }
+
+  // precalculate sin and cosine tables for fourier transform
+  if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FOURIER) {
+    int nFourier = m_nFilterPoints * m_nFilterPoints + 1;
+    double angleIncrement = (2. * PI) / m_nFilterPoints;
+    m_vecFourierCosTable = new double[ nFourier ];
+    m_vecFourierSinTable = new double[ nFourier ];
+    double angle = 0;
+    for (int i = 0; i < nFourier; i++) {
+      m_vecFourierCosTable[i] = cos (angle);
+      m_vecFourierSinTable[i] = sin (angle);
+      angle += angleIncrement;
+    }
+  }
 
 #if HAVE_FFTW
+  if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFTW) {
+      for (int i = 0; i < m_nFilterPoints; i++)  //fftw uses unnormalized fft
+       m_vecFilter[i] /= m_nFilterPoints;
+
     m_planForward = fftw_create_plan (m_nFilterPoints, FFTW_FORWARD, FFTW_ESTIMATE);
     m_planBackward = fftw_create_plan (m_nFilterPoints, FFTW_BACKWARD, FFTW_ESTIMATE);
-#endif
+    m_vecFftInput = new fftw_complex [ m_nFilterPoints ];
+    for (int i = 0; i < m_nFilterPoints; i++) 
+       m_vecFftInput[i].re = m_vecFftInput[i].im = 0;
   }
+#endif
 
  if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_CONVOLUTION) {
     m_nFilterPoints = 2 * m_nSignalPoints - 1;
@@ -215,11 +224,12 @@ SignalFilter::init (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID
 
 SignalFilter::~SignalFilter (void)
 {
-    delete m_vecFilter;
-    delete m_vecFourierSinTable;
-    delete m_vecFourierCosTable;
+    delete [] m_vecFilter;
+    delete [] m_vecFourierSinTable;
+    delete [] m_vecFourierCosTable;
+    delete [] m_vecFftInput;
 #if HAVE_FFTW
-    if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT) {
+    if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFTW) {
        fftw_destroy_plan(m_planForward);
        fftw_destroy_plan(m_planBackward);
     }
@@ -296,12 +306,8 @@ SignalFilter::convertFilterMethodNameToID (const char* const filterMethodName)
     fmID = FILTER_METHOD_FOURIER;
   else if (strcasecmp (filterMethodName, FILTER_METHOD_FFT_STR) == 0)
     fmID = FILTER_METHOD_FFT;
-  else if (strcasecmp (filterMethodName, FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2_STR) == 0)
-    fmID = FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2;
-  else if (strcasecmp (filterMethodName, FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4_STR) == 0)
-    fmID = FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4;
-  else if (strcasecmp (filterMethodName, FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_6_STR) == 0)
-    fmID = FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_6;
+  else if (strcasecmp (filterMethodName, FILTER_METHOD_FFTW_STR) == 0)
+    fmID = FILTER_METHOD_FFTW;
 
   return (fmID);
 }
@@ -317,12 +323,8 @@ SignalFilter::convertFilterMethodIDToName (const FilterMethodID fmID)
     return (FILTER_METHOD_FOURIER_STR);
   else if (fmID == FILTER_METHOD_FFT)
     return (FILTER_METHOD_FFT_STR);
-  else if (fmID == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2)
-    return (FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2_STR);
-  else if (fmID == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4)
-    return (FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4_STR);
-  else if (fmID == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_6)
-    return (FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_6_STR);
+  else if (fmID == FILTER_METHOD_FFTW)
+    return (FILTER_METHOD_FFTW_STR);
 
   return (name);
 }
@@ -361,32 +363,35 @@ SignalFilter::filterSignal (const float input[], double output[]) const
     for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++)
       output[i] = convolve (input, m_signalInc, i, m_nSignalPoints);
   } else if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FOURIER) {
-    complex<double> fftSignal[m_nSignalPoints];
-    complex<double> complexOutput[m_nSignalPoints];
-    complex<double> filteredSignal[m_nSignalPoints];
-    finiteFourierTransform (input, fftSignal, m_nSignalPoints, -1);
-    dotProduct (m_vecFilter, fftSignal, filteredSignal, m_nSignalPoints);
-    finiteFourierTransform (filteredSignal, complexOutput, m_nSignalPoints, 1);
+    complex<double> fftSignal[m_nFilterPoints];
+    complex<double> complexOutput[m_nFilterPoints];
+    complex<double> filteredSignal[m_nFilterPoints];
+    double inputSignal[m_nFilterPoints];
+    for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++)
+      inputSignal[i] = input[i];
+    for (int i = m_nSignalPoints; i < m_nFilterPoints; i++)
+      inputSignal[i] = 0;  // zeropad
+    finiteFourierTransform (inputSignal, fftSignal, m_nFilterPoints, -1);
+    dotProduct (m_vecFilter, fftSignal, filteredSignal, m_nFilterPoints);
+    finiteFourierTransform (filteredSignal, complexOutput, m_nFilterPoints, 1);
     for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) 
       output[i] = complexOutput[i].real();
-  } else if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT || FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2 || FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4) {
+  }
 #if HAVE_FFTW
-    fftw_complex in[m_nFilterPoints], out[m_nFilterPoints];
-    for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) {
-      in[i].re = input[i];
-      in[i].im = 0;
-    }
-    for (int i = m_nSignalPoints; i < m_nFilterPoints; i++) {
-      in[i].re = in[i].im = 0;      // ZeroPad
-    }
-    fftw_one(m_planForward, in, out);
-    for (int i = 0; i < m_nFilterPoints; i++) {
-      out[i].re = m_vecFilter[i] * out[i].re;
-      out[i].im = m_vecFilter[i] * out[i].im;
-    }
-    fftw_one(m_planBackward, out, in);
-    for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) 
-      output[i] = in[i].re;
+  else if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFTW) {
+      for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++)
+         m_vecFftInput[i].re = input[i];
+
+      fftw_complex out[m_nFilterPoints];
+      fftw_one(m_planForward, m_vecFftInput, out);
+      for (int i = 0; i < m_nFilterPoints; i++) {
+         out[i].re = m_vecFilter[i] * out[i].re;
+         out[i].im = m_vecFilter[i] * out[i].im;
+      }
+      fftw_complex outFiltered[m_nFilterPoints];
+      fftw_one(m_planBackward, out, outFiltered);
+      for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) 
+         output[i] = outFiltered[i].re;
   }
 #endif
 }
@@ -718,19 +723,19 @@ for (int i = 0; i < np; i++)
 
 
 void
-SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> output[], const int n, int direction)
+SignalFilter::finiteFourierTransform (const double input[], complex<double> output[], const int n, int direction)
 {
   if (direction < 0)
     direction = -1;
   else 
     direction = 1;
     
-  double angleIncrement = 2 * PI / n;
+  double angleIncrement = direction * 2 * PI / n;
   for (int i = 0; i < n; i++) {
     double sumReal = 0;
     double sumImag = 0;
     for (int j = 0; j < n; j++) {
-      double angle = i * j * angleIncrement * direction;
+      double angle = i * j * angleIncrement;
       sumReal += input[j] * cos(angle);
       sumImag += input[j] * sin(angle);
     }
@@ -767,16 +772,16 @@ SignalFilter::finiteFourierTransform (const complex<double> input[], complex<dou
 }
 
 void
-SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> output[], int direction) const
+SignalFilter::finiteFourierTransform (const double input[], complex<double> output[], int direction) const
 {
   if (direction < 0)
     direction = -1;
   else 
     direction = 1;
     
-  for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) {
+  for (int i = 0; i < m_nFilterPoints; i++) {
     double sumReal = 0, sumImag = 0;
-    for (int j = 0; j < m_nSignalPoints; j++) {
+    for (int j = 0; j < m_nFilterPoints; j++) {
       int tableIndex = i * j;
       if (direction > 0) {
        sumReal += input[i] * m_vecFourierCosTable[tableIndex];
@@ -787,8 +792,8 @@ SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> outpu
       }
     }
     if (direction < 0) {
-      sumReal /= m_nSignalPoints;
-      sumImag /= m_nSignalPoints;
+      sumReal /= m_nFilterPoints;
+      sumImag /= m_nFilterPoints;
     }
     output[i] = complex<double> (sumReal, sumImag);
   }