r129: *** empty log message ***
[ctsim.git] / libctsim / filter.cpp
index 3215d6a2e27c1037ebc3a01ed385a220ccb8aa60..27d1829380ae5224feff90fb221a801079884f20 100644 (file)
@@ -9,7 +9,7 @@
 **  This is part of the CTSim program
 **  Copyright (C) 1983-2000 Kevin Rosenberg
 **
-**  $Id: filter.cpp,v 1.7 2000/07/03 11:02:06 kevin Exp $
+**  $Id: filter.cpp,v 1.8 2000/07/04 18:33:35 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
  *   int filt_type     Type of filter wanted
  *   double bw         Bandwidth of filter
  *   double filterMin, filterMax       Filter limits
- *   int n             Number of points in signal
+ *   int nSignalPoints Number of points in signal
  *   double param      General input parameter to filters
  *   int domain                FREQUENCY or SPATIAL domain wanted
  *   int numint                Number if intervals for calculating discrete inverse fourier xform
  *                     for spatial domain filters.  For ANALYTIC solutions, use numint = 0
  */
 
-SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* filterMethodName, double bw, double signalIncrement, int n, 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 numIntegral = 0)
 {
   m_vecFilter = NULL;
   m_vecFourierCosTable = NULL;
@@ -70,12 +70,12 @@ SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* filterMethodName
     m_failMessage += domainName;
     return;
   }
-  init (m_idFilter, m_idFilterMethod, bw, signalIncrement, n, param, m_idDomain, numIntegral);
+  init (m_idFilter, m_idFilterMethod, bw, signalIncrement, nSignalPoints, param, m_idDomain, numIntegral);
 }
 
-SignalFilter::SignalFilter (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID, double bw, double signalIncrement, int n, 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 numIntegral = 0)
 {
-  init (filterID, filterMethodID, bw, signalIncrement, n, param, domainID, numIntegral);
+  init (filterID, filterMethodID, bw, signalIncrement, nSignalPoints, param, domainID, numIntegral);
 }
 
 SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* domainName, double bw, double param, int numIntegral = 0)
@@ -105,7 +105,7 @@ SignalFilter::SignalFilter (const char* filterName, const char* domainName, doub
 }
 
 void
-SignalFilter::init (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID, double bw, double signalIncrement, int n, 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 numint)
 {
   m_bw = bw;
   m_idFilter = filterID;
@@ -119,53 +119,96 @@ SignalFilter::init (const FilterID filterID, const FilterMethodID filterMethodID
   m_nameDomain = convertDomainIDToName (m_idDomain);
   m_nameFilterMethod = convertFilterMethodIDToName (m_idFilterMethod);
   m_fail = false;
-  m_nSignalPoints = n;
-  m_nFilterPoints = 2 * m_nSignalPoints - 1;
-
+  m_nSignalPoints = nSignalPoints;
   m_signalInc = signalIncrement;
-  m_filterMin = -signalIncrement * (m_nSignalPoints - 1);
-  m_filterMax = signalIncrement * (m_nSignalPoints - 1);
-  m_filterInc = (m_filterMax - m_filterMin) / (m_nFilterPoints - 1);
-  m_numIntegral = numint;
   m_filterParam = param;  
-  m_vecFilter = new double[ m_nFilterPoints ];
+  
   if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FOURIER) {
-    int nFourier = n * n + 1;
-    double angleIncrement = (2. * PI) / n;
+    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 = 0;
+    m_filterMax = m_nSignalPoints * m_signalInc;
+    m_filterInc = (m_filterMax - m_filterMin) / (m_nFilterPoints - 1);
+    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) / (halfFilter - 1) / (2 * m_signalInc);
+    if (halfFilter % 2) // odd
+      m_vecFilter[halfFilter] = 1;
+  } else if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2 || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4) {
+    m_nFilterPoints = m_nSignalPoints;
+    if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2 || m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4) {
+      double logBase2 = log(m_nSignalPoints) / log(2);
+      int nextPowerOf2 = static_cast<int>(floor(logBase2)) + 1;
+      if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4)
+       nextPowerOf2++;
+      if (logBase2 != floor(logBase2))
+       nextPowerOf2++;
+      m_nFilterPoints = 1 << nextPowerOf2;
+      cout << "nFilterPoints = " << m_nFilterPoints << endl;
+    }
+    m_filterMin = 0;
+    m_filterMax = m_nSignalPoints * m_signalInc;
+    m_filterInc = (m_filterMax - m_filterMin) / (m_nFilterPoints - 1);
+    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) / (halfFilter - 1) /  (2 * m_signalInc);
+    if (halfFilter % 2) // odd
+      m_vecFilter[halfFilter] = 1;
+
+#if HAVE_FFTW
+    m_planForward = fftw_create_plan (m_nFilterPoints, FFTW_FORWARD, FFTW_ESTIMATE);
+    m_planBackward = fftw_create_plan (m_nFilterPoints, FFTW_BACKWARD, FFTW_ESTIMATE);
+#endif
   }
 
-  if (m_idFilter == FILTER_SHEPP) {
-    double a = 2 * m_bw;
-    double c = - 4. / (a * a);
-    int center = (m_nFilterPoints - 1) / 2;
-    int sidelen = center;
-    m_vecFilter[center] = 4. / (a * a);
-
-    for (int i = 1; i <= sidelen; i++ )
-      m_vecFilter [center + i] = m_vecFilter [center - i] = c / (4 * (i * i) - 1);
-  } else if (m_idDomain == DOMAIN_FREQUENCY) {
-    double x;
-    int i;
-    for (x = m_filterMin, i = 0; i < m_nFilterPoints; x += m_filterInc, i++)
-      m_vecFilter[i] = frequencyResponse (x, param);
-  } else if (m_idDomain == DOMAIN_SPATIAL) {
-    double x;
-    int i;
-    for (x = m_filterMin, i = 0; i < m_nFilterPoints; x += m_filterInc, i++)
-      if (numint == 0)
-       m_vecFilter[i] = spatialResponseAnalytic (x, param);
-      else
-       m_vecFilter[i] = spatialResponseCalc (x, param, numint);
-  } else {
+ if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_CONVOLUTION) {
+    m_nFilterPoints = 2 * m_nSignalPoints - 1;
+    m_filterMin = -m_signalInc * (m_nSignalPoints - 1);
+    m_filterMax = m_signalInc * (m_nSignalPoints - 1);
+    m_filterInc = (m_filterMax - m_filterMin) / (m_nFilterPoints - 1);
+    m_numIntegral = numint;
+    m_vecFilter = new double[ m_nFilterPoints ];
+    
+    if (m_idFilter == FILTER_SHEPP) {
+      double a = 2 * m_bw;
+      double c = - 4. / (a * a);
+      int center = (m_nFilterPoints - 1) / 2;
+      int sidelen = center;
+      m_vecFilter[center] = 4. / (a * a);
+      
+      for (int i = 1; i <= sidelen; i++ )
+       m_vecFilter [center + i] = m_vecFilter [center - i] = c / (4 * (i * i) - 1);
+    } else if (m_idDomain == DOMAIN_FREQUENCY) {
+      double x;
+      int i;
+      for (x = m_filterMin, i = 0; i < m_nFilterPoints; x += m_filterInc, i++)
+       m_vecFilter[i] = frequencyResponse (x, param);
+    } else if (m_idDomain == DOMAIN_SPATIAL) {
+      double x;
+      int i;
+      for (x = m_filterMin, i = 0; i < m_nFilterPoints; x += m_filterInc, i++)
+       if (numint == 0)
+         m_vecFilter[i] = spatialResponseAnalytic (x, param);
+       else
+         m_vecFilter[i] = spatialResponseCalc (x, param, numint);
+    } else {
       m_failMessage = "Illegal domain name ";
       m_failMessage += m_idDomain;
       m_fail = true;
+    }
   }
 }
 
@@ -174,6 +217,12 @@ SignalFilter::~SignalFilter (void)
     delete m_vecFilter;
     delete m_vecFourierSinTable;
     delete m_vecFourierCosTable;
+#if HAVE_FFTW
+    if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT) {
+       fftw_destroy_plan(m_planForward);
+       fftw_destroy_plan(m_planBackward);
+    }
+#endif
 }
 
 
@@ -312,11 +361,31 @@ SignalFilter::filterSignal (const float input[], double output[]) const
       output[i] = convolve (input, m_signalInc, i, m_nSignalPoints);
   } else if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FOURIER) {
     complex<double> fftSignal[m_nSignalPoints];
-    complex<double> complexOutput;
-    finiteFourierTransform (input, fftSignal, 1);
-    //    finiteFourierTransform (fftSignal, complexOutput, -1);
-    //    for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++)
-    //      output[i] = complexOutput[i].hypot();
+    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);
+    for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) {
+      output[i] = abs( complexOutput[i] );
+    }
+  } else if (m_idFilterMethod == FILTER_METHOD_FFT || FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_2 || FILTER_METHOD_FFT_ZEROPAD_4) {
+    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 / m_nSignalPoints;
+      out[i].im = m_vecFilter[i] * out[i].im / m_nSignalPoints;
+    }
+    fftw_one(m_planBackward, out, in);
+    for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) 
+      output[i] = sqrt (in[i].re * in[i].re + in[i].im * in[i].im);
   }
 }
 
@@ -660,10 +729,10 @@ SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> outpu
     double sumImag = 0;
     for (int j = 0; j < n; j++) {
       double angle = i * j * angleIncrement * direction;
-      sumReal += input[i] * cos(angle);
-      sumImag += input[i] * sin(angle);
+      sumReal += input[j] * cos(angle);
+      sumImag += input[j] * sin(angle);
     }
-    if (direction > 0) {
+    if (direction < 0) {
       sumReal /= n;
       sumImag /= n;
     }
@@ -671,6 +740,30 @@ SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> outpu
   }
 }
 
+
+void
+SignalFilter::finiteFourierTransform (const complex<double> input[], complex<double> output[], const int n, int direction)
+{
+  if (direction < 0)
+    direction = -1;
+  else 
+    direction = 1;
+    
+  double angleIncrement = 2 * PI / n;
+  for (int i = 0; i < n; i++) {
+    complex<double> sum (0,0);
+    for (int j = 0; j < n; j++) {
+      double angle = i * j * angleIncrement * direction;
+      complex<double> exponentTerm (cos(angle), sin(angle));
+      sum += input[j] * exponentTerm;
+    }
+    if (direction < 0) {
+      sum /= n;
+    }
+    output[i] = sum;
+  }
+}
+
 void
 SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> output[], int direction) const
 {
@@ -679,7 +772,36 @@ SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> outpu
   else 
     direction = 1;
     
-  double angleIncrement = 2 * PI / m_nSignalPoints;
+  for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) {
+    double sumReal = 0, sumImag = 0;
+    for (int j = 0; j < m_nSignalPoints; j++) {
+      int tableIndex = i * j;
+      if (direction > 0) {
+       sumReal += input[i] * m_vecFourierCosTable[tableIndex];
+       sumImag += input[i] * m_vecFourierSinTable[tableIndex];
+      } else {
+       sumReal += input[i] * m_vecFourierCosTable[tableIndex];
+       sumImag -= input[i] * m_vecFourierSinTable[tableIndex];
+      }
+    }
+    if (direction < 0) {
+      sumReal /= m_nSignalPoints;
+      sumImag /= m_nSignalPoints;
+    }
+    output[i] = complex<double> (sumReal, sumImag);
+  }
+}
+
+// (a+bi) * (c + di) = (ac - db) + (bc + da)i
+#if 0
+void
+SignalFilter::finiteFourierTransform (const complex<double> input[], complex<double> output[], int direction) const
+{
+  if (direction < 0)
+    direction = -1;
+  else 
+    direction = 1;
+    
   for (int i = 0; i < m_nSignalPoints; i++) {
     double sumReal = 0, sumImag = 0;
     for (int j = 0; j < m_nSignalPoints; j++) {
@@ -699,3 +821,11 @@ SignalFilter::finiteFourierTransform (const float input[], complex<double> outpu
     output[i] = complex<double> (sumReal, sumImag);
   }
 }
+#endif
+
+void 
+SignalFilter::dotProduct (const double v1[], const complex<double> v2[], complex<double> output[], const int n)
+{
+    for (int i = 0; i < n; i++)
+       output[i] = v1[i] * v2[i];
+}