r520: no message
[ctsim.git] / libctsim / filter.cpp
index 30d47185e3cd08120a9c66c826d6946afb105f71..f4a10f3186dbbeb6da08a3fbdc810ee11a4b8e27 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 /*****************************************************************************
-** FILE IDENTIFICATION
+** File IDENTIFICATION
 ** 
 **     Name:                   filter.cpp
 **     Purpose:                Routines for signal-procesing filters
@@ -7,9 +7,9 @@
 **     Date Started:           Aug 1984
 **
 **  This is part of the CTSim program
-**  Copyright (C) 1983-2000 Kevin Rosenberg
+**  Copyright (c) 1983-2000 Kevin Rosenberg
 **
-**  $Id: filter.cpp,v 1.1 2000/06/19 02:59:34 kevin Exp $
+**  $Id: filter.cpp,v 1.36 2001/02/11 04:56:37 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
 
 #include "ct.h"
 
+int SignalFilter::N_INTEGRAL=500;  //static member
+
+const int SignalFilter::FILTER_INVALID = -1 ;
+const int SignalFilter::FILTER_ABS_BANDLIMIT = 0;      // filter times |x|
+const int SignalFilter::FILTER_ABS_G_HAMMING = 1;
+const int SignalFilter::FILTER_ABS_COSINE = 2;
+const int SignalFilter::FILTER_ABS_SINC = 3;
+const int SignalFilter::FILTER_SHEPP = 4;
+const int SignalFilter::FILTER_BANDLIMIT = 5;
+const int SignalFilter::FILTER_SINC = 6;
+const int SignalFilter::FILTER_G_HAMMING = 7;
+const int SignalFilter::FILTER_COSINE = 8;
+const int SignalFilter::FILTER_TRIANGLE = 9;
+
+const int SignalFilter::s_iReconstructFilterCount = 5;
+
+const char* SignalFilter::s_aszFilterName[] = {
+  {"abs_bandlimit"},
+  {"abs_hamming"},
+  {"abs_cosine"},
+  {"abs_sinc"},
+  {"shepp"},
+  {"bandlimit"},
+  {"sinc"},
+  {"hamming"},
+  {"cosine"},
+  {"triangle"},
+};
+
+const char* SignalFilter::s_aszFilterTitle[] = {
+  {"Abs(w) * Bandlimit"},
+  {"Abs(w) * Hamming"},
+  {"Abs(w) * Cosine"},
+  {"Abs(w) * Sinc"},
+  {"Shepp"},
+  {"Bandlimit"},
+  {"Sinc"},
+  {"Hamming"},
+  {"Cosine"},
+  {"Triangle"},
+};
+
+const int SignalFilter::s_iFilterCount = sizeof(s_aszFilterName) / sizeof(const char*);
+
+
+const int SignalFilter::DOMAIN_INVALID = -1;
+const int SignalFilter::DOMAIN_FREQUENCY = 0;
+const int SignalFilter::DOMAIN_SPATIAL = 1;
+    
+const char* SignalFilter::s_aszDomainName[] = {
+  {"frequency"},
+  {"spatial"},
+};
+
+const char* SignalFilter::s_aszDomainTitle[] = {
+  {"Frequency"},
+  {"Spatial"},
+};
+
+const int SignalFilter::s_iDomainCount = sizeof(s_aszDomainName) / sizeof(const char*);
+
 
 /* NAME
- *   filter_generate                           Generate a filter
+ *   SignalFilter::SignalFilter     Construct a signal
  *
  * SYNOPSIS
- *   f = filter_generate (filt_type, bw, xmin, xmax, n, param, domain, analytic)
- *   double f                          Generated filter vector
- *   int filt_type                     Type of filter wanted
- *   double bw                         Bandwidth of filter
- *   double xmin, xmax                 Filter limits
- *   int n                             Number of points in filter
- *   double param                      General input parameter to filters
- *   int domain                                FREQ 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
+ *   f = SignalFilter (filt_type, bw, filterMin, filterMax, n, param, domain, analytic)
+ *   double f          Generated filter vector
+ *   int filt_type     Type of filter wanted
+ *   double bw         Bandwidth of filter
+ *   double filterMin, filterMax       Filter limits
+ *   int nFilterPoints Number of points in signal
+ *   double param      General input parameter to filters
+ *   int domain                FREQUENCY or SPATIAL domain wanted
  */
 
-double *
-filter_generate (const FilterType filt_type, double bw, double xmin, double xmax, int n, double param, const DomainType domain, int numint)
+SignalFilter::SignalFilter (const char* szFilterName, double dFilterMinimum, double dFilterMaximum, int nFilterPoints, double dBandwidth, double dFilterParam, const char* szDomainName)
+  : m_adFilter(NULL), m_fail(false)
+{
+  m_idFilter = convertFilterNameToID (szFilterName);
+  if (m_idFilter == FILTER_INVALID) {
+    m_fail = true;
+    m_failMessage = "Invalid Filter name ";
+    m_failMessage += szFilterName;
+    return;
+  }
+  m_idDomain = convertDomainNameToID (szDomainName);
+  if (m_idDomain == DOMAIN_INVALID) {
+    m_fail = true;
+    m_failMessage = "Invalid domain name ";
+    m_failMessage += szDomainName;
+    return;
+  }
+  init (m_idFilter, dFilterMinimum, dFilterMaximum, nFilterPoints, dBandwidth, dFilterParam, m_idDomain);
+}
+
+SignalFilter::SignalFilter (const int idFilter, double dFilterMinimum, double dFilterMaximum, int nFilterPoints, double dBandwidth, double dFilterParam, const int idDomain)
+  : m_adFilter(NULL), m_fail(false)
+{
+  init (idFilter, dFilterMinimum, dFilterMaximum, nFilterPoints, dBandwidth, dFilterParam, idDomain);
+}
+
+SignalFilter::SignalFilter (const char* szFilterName, const char* szDomainName, double dBandwidth, double dFilterParam)
+  : m_adFilter(NULL), m_fail(false)
+{
+  m_nFilterPoints = 0;
+  m_dBandwidth = dBandwidth;
+  m_dFilterParam = dFilterParam;  
+  m_idFilter = convertFilterNameToID (szFilterName);
+  if (m_idFilter == FILTER_INVALID) {
+    m_fail = true;
+    m_failMessage = "Invalid Filter name ";
+    m_failMessage += szFilterName;
+    return;
+  }
+  m_idDomain = convertDomainNameToID (szDomainName);
+  if (m_idDomain == DOMAIN_INVALID) {
+    m_fail = true;
+    m_failMessage = "Invalid domain name ";
+    m_failMessage += szDomainName;
+    return;
+  }
+}
+
+void
+SignalFilter::init (const int idFilter, double dFilterMinimum, double dFilterMaximum, int nFilterPoints, double dBandwidth, double dFilterParam, const int idDomain)
+{
+  m_idFilter = idFilter;
+  m_idDomain = idDomain;
+  if (m_idFilter == FILTER_INVALID || m_idDomain == DOMAIN_INVALID) {
+    m_fail = true;
+    return;
+  }
+  if (nFilterPoints < 2) {
+    m_fail = true;
+    m_failMessage = "Number of filter points ";
+    m_failMessage += nFilterPoints;
+    m_failMessage = " less than 2";
+    return;
+  }
+
+  m_nameFilter = convertFilterIDToName (m_idFilter);
+  m_nameDomain = convertDomainIDToName (m_idDomain);
+  m_nFilterPoints = nFilterPoints;
+  m_dFilterParam = dFilterParam;  
+  m_dBandwidth = dBandwidth;
+  m_dFilterMin = dFilterMinimum;
+  m_dFilterMax = dFilterMaximum;
+
+  m_dFilterInc = (m_dFilterMax - m_dFilterMin) / (m_nFilterPoints - 1);
+  m_adFilter = new double [m_nFilterPoints];
+
+  if (m_idDomain == DOMAIN_FREQUENCY)
+      createFrequencyFilter (m_adFilter);
+  else if (m_idDomain == DOMAIN_SPATIAL)
+      createSpatialFilter (m_adFilter);
+}
+
+
+SignalFilter::~SignalFilter (void)
+{
+    delete [] m_adFilter;
+}
+
+void
+SignalFilter::createFrequencyFilter (double* adFilter) const
 {
-  double *f = new double [n];
-  double xinc = (xmax - xmin) / (n - 1);
+  double x;
+  int i;
+  for (x = m_dFilterMin, i = 0; i < m_nFilterPoints; x += m_dFilterInc, i++)
+    adFilter[i] = frequencyResponse (x);
+}
 
-  if (filt_type == FILTER_SHEPP) {
-    double a = 2 * bw;
+
+void
+SignalFilter::createSpatialFilter (double* adFilter) const
+{
+  if (m_idFilter == FILTER_SHEPP) {
+    double a = 2 * m_dBandwidth;
     double c = - 4. / (a * a);
-    int center = (n - 1) / 2;
+    int center = (m_nFilterPoints - 1) / 2;
     int sidelen = center;
-    f[center] = 4. / (a * a);
-    
+    m_adFilter[center] = 4. / (a * a);
+      
     for (int i = 1; i <= sidelen; i++ )
-      f [center + i] = f [center - i] = c / (4 * (i * i) - 1);
-  } else if (domain == D_FREQ) {
-    double x;
-    int i;
-    for (x = xmin, i = 0; i < n; x += xinc, i++)
-      f[i] = filter_frequency_response (filt_type, x, bw, param);
-  } else if (domain == D_SPATIAL) {
-    double x;
-    int i;
-    for (x = xmin, i = 0; i < n; x += xinc, i++)
-      if (numint == 0)
-       f[i] = filter_spatial_response_analytic (filt_type, x, bw, param);
-      else
-       f[i] = filter_spatial_response_calc (filt_type, x, bw, param, numint);
+      m_adFilter [center + i] = m_adFilter [center - i] = c / (4 * (i * i) - 1);
   } else {
-    sys_error (ERR_WARNING, "Illegal domain %d [filt_generate]", domain);
-    return (NULL);
+    double x = m_dFilterMin;
+    for (int i = 0; i < m_nFilterPoints; i++, x += m_dFilterInc) {
+      if (haveAnalyticSpatial(m_idFilter))
+       m_adFilter[i] = spatialResponseAnalytic (x);
+      else
+       m_adFilter[i] = spatialResponseCalc (x);
+    }
   }
-  
-  return (f);
 }
 
+int
+SignalFilter::convertFilterNameToID (const char *filterName)
+{
+  int filterID = FILTER_INVALID;
+
+  for (int i = 0; i < s_iFilterCount; i++)
+    if (strcasecmp (filterName, s_aszFilterName[i]) == 0) {
+      filterID = i;
+      break;
+    }
+
+  return (filterID);
+}
+
+const char *
+SignalFilter::convertFilterIDToName (const int filterID)
+{
+  static const char *name = "";
+  if (filterID >= 0 && filterID < s_iFilterCount)
+      return (s_aszFilterName [filterID]);
+
+  return (name);
+}
+
+const char *
+SignalFilter::convertFilterIDToTitle (const int filterID)
+{
+  static const char *title = "";
+  if (filterID >= 0 && filterID < s_iFilterCount)
+      return (s_aszFilterTitle [filterID]);
+
+  return (title);
+}
+      
+int
+SignalFilter::convertDomainNameToID (const char* const domainName)
+{
+  int dID = DOMAIN_INVALID;
+
+  for (int i = 0; i < s_iDomainCount; i++)
+   if (strcasecmp (domainName, s_aszDomainName[i]) == 0) {
+      dID = i;
+      break;
+    }
+
+  return (dID);
+}
+
+const char *
+SignalFilter::convertDomainIDToName (const int domainID)
+{
+  static const char *name = "";
+
+  if (domainID >= 0 && domainID < s_iDomainCount)
+      return (s_aszDomainName [domainID]);
+
+  return (name);
+}
+
+const char *
+SignalFilter::convertDomainIDToTitle (const int domainID)
+{
+  static const char *title = "";
+
+  if (domainID >= 0 && domainID < s_iDomainCount)
+      return (s_aszDomainTitle [domainID]);
+
+  return (title);
+}
+
+
+double
+SignalFilter::response (double x)
+{
+  double response = 0;
+
+  if (m_idDomain == DOMAIN_SPATIAL)
+    response = spatialResponse (m_idFilter, m_dBandwidth, x, m_dFilterParam);
+  else if (m_idDomain == DOMAIN_FREQUENCY)
+    response = frequencyResponse (m_idFilter, m_dBandwidth, x, m_dFilterParam);
+
+  return (response);
+}
+
+
+double 
+SignalFilter::spatialResponse (int filterID, double bw, double x, double param)
+{
+  if (haveAnalyticSpatial(filterID))
+    return spatialResponseAnalytic (filterID, bw, x, param);
+  else
+    return spatialResponseCalc (filterID, bw, x, param, N_INTEGRAL);
+}
+
+void
+SignalFilter::copyFilterData (double* pdFilter, const int iStart, const int nPoints) const
+{
+    int iFirst = clamp (iStart, 0, m_nFilterPoints - 1);
+    int iLast = clamp (iFirst + nPoints - 1, 0, m_nFilterPoints - 1);
+
+    for (int i = iFirst; i <= iLast; i++)
+       pdFilter[i - iFirst] = m_adFilter[i];
+}
 
 /* NAME
  *   filter_spatial_response_calc      Calculate filter by discrete inverse fourier
@@ -89,21 +336,27 @@ filter_generate (const FilterType filt_type, double bw, double xmin, double xmax
  *                                     response
  *
  * SYNOPSIS
- *   y = filter_spatial_response_calc (filt_type, x, bw, param, n)
+ *   y = filter_spatial_response_calc (filt_type, x, m_bw, param, n)
  *   double y                  Filter's response in spatial domain
  *   int filt_type             Type of filter (definitions in ct.h)
  *   double x                  Spatial position to evaluate filter
- *   double bw                 Bandwidth of window
+ *   double m_bw                       Bandwidth of window
  *   double param              General parameter for various filters
  *   int n                     Number of points to calculate integrations
  */
 
 double 
-filter_spatial_response_calc (int filt_type, double x, double bw, double param, int n)
+SignalFilter::spatialResponseCalc (double x) const
+{
+  return (spatialResponseCalc (m_idFilter, m_dBandwidth, x, m_dFilterParam, N_INTEGRAL));
+}
+
+double 
+SignalFilter::spatialResponseCalc (int filterID, double bw, double x, double param, int n)
 {
   double zmin, zmax;
 
-  if (filt_type == FILTER_TRIANGLE) {
+  if (filterID == FILTER_TRIANGLE) {
     zmin = 0;
     zmax = bw;
   } else {
@@ -113,12 +366,13 @@ filter_spatial_response_calc (int filt_type, double x, double bw, double param,
   double zinc = (zmax - zmin) / (n - 1);
 
   double z = zmin;
-  double q [n];
+  double* q = new double [n];
   for (int i = 0; i < n; i++, z += zinc)
-    q[i] = filter_frequency_response (filt_type, z, bw, param) * cos (TWOPI * z * x);
+    q[i] = frequencyResponse (filterID, bw, z, param) * cos (TWOPI * z * x);
   
   double y = 2 * integrateSimpson (zmin, zmax, q, n);
-  
+  delete q;
+
   return (y);
 }
 
@@ -127,47 +381,54 @@ filter_spatial_response_calc (int filt_type, double x, double bw, double param,
  *    filter_frequency_response                        Return filter frequency response
  *
  * SYNOPSIS
- *    h = filter_frequency_response (filt_type, u, bw, param)
+ *    h = filter_frequency_response (filt_type, u, m_bw, param)
  *    double h                 Filters frequency response at u
  *    int filt_type            Type of filter
  *    double u                 Frequency to evaluate filter at
- *    double bw                        Bandwidth of filter
+ *    double m_bw                      Bandwidth of filter
  *    double param             General input parameter for various filters
  */
 
 double 
-filter_frequency_response (int filt_type, double u, double bw, double param)
+SignalFilter::frequencyResponse (double u) const
+{
+  return frequencyResponse (m_idFilter, m_dBandwidth, u, m_dFilterParam);
+}
+
+
+double 
+SignalFilter::frequencyResponse (int filterID, double bw, double u, double param)
 {
   double q;
   double au = fabs (u);
 
-  switch (filt_type) {
+  switch (filterID) {
   case FILTER_BANDLIMIT:
-    if (au >= bw / 2)
+    if (fabs(au) >= fabs(bw / 2) + F_EPSILON)
       q = 0.;
     else
       q = 1;
     break;
   case FILTER_ABS_BANDLIMIT:
-    if (au >= bw / 2)
+    if (fabs(au) >= fabs(bw / 2) + F_EPSILON)
       q = 0.;
     else
       q = au;
     break;
   case FILTER_TRIANGLE:
-    if (au >= bw)
+    if (fabs(au) >= fabs(bw / 2) + F_EPSILON)
       q = 0;
     else
       q = 1 - au / bw;
     break;
   case FILTER_COSINE:
-    if (au >= bw / 2)
+    if (fabs(au) >= fabs(bw / 2) + F_EPSILON)
       q = 0;
     else
       q = cos(PI * u / bw);
     break;
   case FILTER_ABS_COSINE:
-    if (au >= bw / 2)
+    if (fabs(au) >= fabs(bw / 2) + F_EPSILON)
       q = 0;
     else
       q = au * cos(PI * u / bw);
@@ -179,22 +440,20 @@ filter_frequency_response (int filt_type, double u, double bw, double param)
     q = au * bw * sinc (PI * bw * u, 1.);
     break;
   case FILTER_G_HAMMING:
-    if (au >= bw / 2)
+    if (fabs(au) >= fabs(bw / 2) + F_EPSILON)
       q = 0;
     else
       q = param + (1 - param) * cos (TWOPI * u / bw);
     break;
   case FILTER_ABS_G_HAMMING:
-    if (au >= bw / 2)
+    if (fabs(au) >= fabs(bw / 2) + F_EPSILON)
       q = 0;
     else
       q = au * (param + (1 - param) * cos(TWOPI * u / bw));
     break;
   default:
     q = 0;
-    sys_error (ERR_WARNING,
-              "Frequency response for filter %d not implemented [filter_frequency_response]",
-              filt_type);
+    sys_error (ERR_WARNING, "Frequency response for filter %d not implemented [filter_frequency_response]", filterID);
     break;
   }
   return (q);
@@ -208,16 +467,46 @@ filter_frequency_response (int filt_type, double u, double bw, double param)
  *                             response
  *
  * SYNOPSIS
- *   y = filter_spatial_response_analytic (filt_type, x, bw, param)
+ *   y = filter_spatial_response_analytic (filt_type, x, m_bw, param)
  *   double y                  Filter's response in spatial domain
  *   int filt_type             Type of filter (definitions in ct.h)
  *   double x                  Spatial position to evaluate filter
- *   double bw                 Bandwidth of window
+ *   double m_bw                       Bandwidth of window
  *   double param              General parameter for various filters
  */
 
 double 
-filter_spatial_response_analytic (int filt_type, double x, double bw, double param)
+SignalFilter::spatialResponseAnalytic (double x) const
+{
+  return spatialResponseAnalytic (m_idFilter, m_dBandwidth, x, m_dFilterParam);
+}
+
+const bool
+SignalFilter::haveAnalyticSpatial (int filterID)
+{
+  bool haveAnalytic = false;
+
+  switch (filterID) {
+  case FILTER_BANDLIMIT:
+  case FILTER_TRIANGLE:
+  case FILTER_COSINE:
+  case FILTER_G_HAMMING:
+  case FILTER_ABS_BANDLIMIT:
+  case FILTER_ABS_COSINE:
+  case FILTER_ABS_G_HAMMING:
+  case FILTER_SHEPP:
+  case FILTER_SINC:
+    haveAnalytic = true;
+    break;
+  default:
+    break;
+  }
+
+  return (haveAnalytic);
+}
+
+double 
+SignalFilter::spatialResponseAnalytic (int filterID, double bw, double x, double param)
 {
   double q, temp;
   double u = TWOPI * x;
@@ -225,7 +514,7 @@ filter_spatial_response_analytic (int filt_type, double x, double bw, double par
   double b = PI / bw;
   double b2 = TWOPI / bw;
 
-  switch (filt_type) {
+  switch (filterID) {
   case FILTER_BANDLIMIT:
     q = bw * sinc(u * w, 1.0);
     break;
@@ -237,8 +526,7 @@ filter_spatial_response_analytic (int filt_type, double x, double bw, double par
     q = sinc(b-u,w) + sinc(b+u,w);
     break;
   case FILTER_G_HAMMING:
-    q = 2 * param * sin(u*w)/u + (1-param) *
-      (sinc(b2-u, w) + sinc(b2+u, w));
+    q = 2 * param * sin(u*w)/u + (1-param) * (sinc(b2-u, w) + sinc(b2+u, w));
     break;
   case FILTER_ABS_BANDLIMIT:
     q = 2 * integral_abscos (u, w);
@@ -264,9 +552,7 @@ filter_spatial_response_analytic (int filt_type, double x, double bw, double par
     break;
   case FILTER_ABS_SINC:
   default:
-    sys_error (ERR_WARNING,
-              "Analytic filter type %d not implemented [filter_spatial_response_analytic]",
-              filt_type);
+    sys_error (ERR_WARNING, "Analytic filter type %d not implemented [filter_spatial_response_analytic]", filterID);
     q = 0;
     break;
   }
@@ -275,45 +561,21 @@ filter_spatial_response_analytic (int filt_type, double x, double bw, double par
 }
 
 
-/* NAME
- *   sinc                      Return sin(x)/x function
- *
- * SYNOPSIS
- *   v = sinc (x, mult)
- *   double v                  sinc value
- *   double x, mult
- *
- * DESCRIPTION
- *   v = sin(x * mult) / x;
- */
 
-double 
-sinc (double x, double mult)
-{
-  return (fabs(x) > F_EPSILON ? (sin (x * mult) / x) : 1.0);
-}
+// Functions that are inline in filter.h
 
 
-/* NAME
- *   integral_abscos                   Returns integral of u*cos(u)
- *
- * SYNOPSIS
- *   q = integral_abscos (u, w)
- *   double q                  Integral value
- *   double u                  Integration variable
- *   double w                  Upper integration boundary
- *
- * DESCRIPTION
- *   Returns the value of integral of u*cos(u)*dV for V = 0 to w
- */
+//  sinc                       Return sin(x)/x function 
+//   v = sinc (x, mult)
+// Calculates sin(x * mult) / x;
+
+//  integral_abscos    Returns integral of u*cos(u)
+//
+//   q = integral_abscos (u, w)
+//   double q                  Integral value
+//   double u                  Integration variable
+//   double w                  Upper integration boundary
+// Returns the value of integral of u*cos(u)*dV for V = 0 to w
 
-double 
-integral_abscos (double u, double w)
-{
-  if (fabs (u) > F_EPSILON)
-    return (cos(u * w) - 1) / (u * u) + w / u * sin (u * w);
-  else
-    return (w * w / 2);
-}