r636: Optimized Rebinning, Added Reconstruct with Rebinning option
[ctsim.git] / libctsim / projections.cpp
index 627ccb91f11ba32f85e8feabbca0297487f57509..3eab99c4fe9a8a8725bc2108492eb86302e50a64 100644 (file)
@@ -8,7 +8,7 @@
 **  This is part of the CTSim program
 **  Copyright (c) 1983-2001 Kevin Rosenberg
 **
-**  $Id: projections.cpp,v 1.54 2001/03/05 21:59:55 kevin Exp $
+**  $Id: projections.cpp,v 1.63 2001/03/13 08:24:41 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
@@ -150,12 +150,12 @@ Projections::initFromScanner (const Scanner& scanner)
   
   m_rotInc = scanner.rotInc();
   m_detInc = scanner.detInc();
+  m_detStart =  scanner.detStart();
   m_geometry = scanner.geometry();
   m_dFocalLength = scanner.focalLength();
   m_dSourceDetectorLength = scanner.sourceDetectorLength();
   m_dViewDiameter = scanner.viewDiameter();
   m_rotStart = 0;
-  m_detStart =  -(scanner.detLen() / 2);
   m_dFanBeamAngle = scanner.fanBeamAngle();
 }
 
@@ -687,13 +687,17 @@ Projections::convertPolar (ImageFile& rIF, int iInterpolationID)
 
   if (! v || nx == 0 || ny == 0)
     return false;
+
+  Projections* pProj = this;
+  if (m_geometry == Scanner::GEOMETRY_EQUIANGULAR || m_geometry == Scanner::GEOMETRY_EQUILINEAR)
+    pProj = interpolateToParallel();
   
   Array2d<double> adView (nx, ny);
   Array2d<double> adDet (nx, ny);
   double** ppdView = adView.getArray();
   double** ppdDet = adDet.getArray();
 
-  if (! calcArrayPolarCoordinates (nx, ny, ppdView, ppdDet)) 
+  if (! pProj->calcArrayPolarCoordinates (nx, ny, ppdView, ppdDet)) 
     return false;
 
   std::complex<double>** ppcDetValue = new std::complex<double>* [m_nView];
@@ -701,15 +705,18 @@ Projections::convertPolar (ImageFile& rIF, int iInterpolationID)
   for (iView = 0; iView < m_nView; iView++) {
     ppcDetValue[iView] = new std::complex<double> [m_nDet];
     for (unsigned int iDet = 0; iDet < m_nDet; iDet++)
-      ppcDetValue[iView][iDet] = std::complex<double>(getDetectorArray (iView).detValues()[iDet], 0);
+      ppcDetValue[iView][iDet] = std::complex<double>(pProj->getDetectorArray (iView).detValues()[iDet], 0);
   }
 
-  interpolatePolar (v, vImag, nx, ny, ppcDetValue, ppdView, ppdDet, m_nView, m_nDet, iInterpolationID);
+  pProj->interpolatePolar (v, vImag, nx, ny, ppcDetValue, ppdView, ppdDet, pProj->m_nView, pProj->m_nDet, iInterpolationID);
 
   for (iView = 0; iView < m_nView; iView++)
     delete [] ppcDetValue[iView];
   delete [] ppcDetValue;
 
+  if (m_geometry == Scanner::GEOMETRY_EQUIANGULAR || m_geometry == Scanner::GEOMETRY_EQUILINEAR)
+    delete pProj;
+
   return true;
 }
 
@@ -727,6 +734,11 @@ Projections::convertFFTPolar (ImageFile& rIF, int iInterpolationID, int iZeropad
   if (! v || nx == 0 || ny == 0)
     return false;
   
+  if (m_geometry != Scanner::GEOMETRY_PARALLEL) {
+    sys_error (ERR_WARNING, "convertFFTPolar supports Parallel only");
+    return false;
+  }
+  
 #ifndef HAVE_FFT
   return false;
 #else
@@ -784,11 +796,6 @@ Projections::calcArrayPolarCoordinates (unsigned int nx, unsigned int ny, double
   
   int iDetCenter = (m_nDet - 1) / 2;   // index refering to L=0 projection 
 
-  if (m_geometry != Scanner::GEOMETRY_PARALLEL) {
-    sys_error (ERR_WARNING, "convertPolar supports Parallel only");
-    return false;
-  }
-  
   // Calculates polar coordinates (view#, det#) for each point on phantom grid
   double x = xMin + xInc / 2;  // Rectang coords of center of pixel 
   for (unsigned int ix = 0; ix < nx; x += xInc, ix++) {
@@ -880,86 +887,319 @@ Projections::interpolatePolar (ImageFileArray& v, ImageFileArray& vImag,
   }
 }
 
-
 bool
 Projections::initFromSomatomAR_STAR (int iNViews, int iNDets, unsigned char* pData, unsigned long lDataLength)
 {
   init (iNViews, iNDets);
   m_geometry = Scanner::GEOMETRY_EQUIANGULAR;
-  m_dFanBeamAngle = iNDets * convertDegreesToRadians (3.06976 / 60);
-  m_dFocalLength = 51;
-  m_dSourceDetectorLength = 89;
+  m_dFocalLength = 510;
+  m_dSourceDetectorLength = 890;
   m_detInc = convertDegreesToRadians (3.06976 / 60);
-  m_detStart = -m_dFanBeamAngle / 2;
+  m_dFanBeamAngle = (iNDets + 1) * m_detInc;
+  m_detStart = -(m_dFanBeamAngle / 2);
   m_rotInc = TWOPI / static_cast<double>(iNViews);
   m_rotStart = HALFPI;
   m_dViewDiameter = sin (m_dFanBeamAngle / 2) * m_dFocalLength * 2;
 
-  if (iNDets != 1024)
-    return false;
-  bool bValid = (iNViews == 750 && lDataLength == 1560000L) || (iNViews == 950 && lDataLength == 1976000L) || (iNViews == 1500 && lDataLength == 3120000);
-  if (! bValid)
+  if (! ((iNViews == 750 && lDataLength == 1560000L) || (iNViews == 950 && lDataLength == 1976000L) 
+                || (iNViews == 1500 && lDataLength == 3120000)))
     return false;
 
+  double dCenter = (iNDets - 1.) / 2.; // change from (Nm+1)/2 because of 0 vs. 1 indexing
+  double* pdCosScale = new double [iNDets];
+  for (int i = 0; i < iNDets; i++)
+    pdCosScale[i] = 1. / cos ((i - dCenter) * m_detInc);
+
   long lDataPos = 0;
   for (int iv = 0; iv < iNViews; iv++) {
     unsigned char* pArgBase = pData + lDataPos;
-    unsigned char* p = pArgBase+0;
-#ifndef WORDS_BIGENDIAN
-    SwapBytes4 (p);
-#endif
+    unsigned char* p = pArgBase+0; SwapBytes4IfLittleEndian (p);
     long lProjNumber = *reinterpret_cast<long*>(p);
 
-    p = pArgBase+20;
-#ifndef WORDS_BIGENDIAN
-    SwapBytes4 (p);
-#endif
+    p = pArgBase+20;  SwapBytes4IfLittleEndian (p);
     long lEscale = *reinterpret_cast<long*>(p);
 
-    p = pArgBase+28;
-#ifndef WORDS_BIGENDIAN
-    SwapBytes4 (p);
-#endif
+    p = pArgBase+28;  SwapBytes4IfLittleEndian (p);
     long lTime = *reinterpret_cast<long*>(p);
 
-    p = pArgBase + 4;
-#ifndef WORDS_BIGENDIAN
-    SwapBytes4 (p);
-#endif
+    p = pArgBase + 4; SwapBytes4IfLittleEndian (p);
     double dAlpha = *reinterpret_cast<float*>(p) + HALFPI;
 
-    p = pArgBase+12;
-#ifndef WORDS_BIGENDIAN
-    SwapBytes4 (p);
-#endif
+    p = pArgBase+12; SwapBytes4IfLittleEndian (p);
     double dAlign = *reinterpret_cast<float*>(p);
 
-    p = pArgBase + 16;
-#ifndef WORDS_BIGENDIAN
-    SwapBytes4 (p);
-#endif
+    p = pArgBase + 16; SwapBytes4IfLittleEndian (p);
     double dMaxValue = *reinterpret_cast<float*>(p);
 
-    lDataPos += 32;
-    double dEScale =  pow (2.0, -lEscale);
-    double dBetaInc = convertDegreesToRadians (3.06976 / 60);
-    int iCenter = (iNDets + 1) / 2;
-
-    DetectorArray& detArray = getDetectorArray( iv );
+    DetectorArray& detArray = getDetectorArray (iv);
     detArray.setViewAngle (dAlpha);
     DetectorValue* detval = detArray.detValues();
 
-    double dTempScale = 2294.4871 * dEScale;
+    double dViewScale = 1. / (2294.4871 * ::pow (2.0, -lEscale));
+    lDataPos += 32;
     for (int id = 0; id < iNDets; id++) {
-      int iV = pData[lDataPos+1] + 256 * pData[lDataPos];
-      if (iV > 32767)
+      int iV = pData[lDataPos+1] + (pData[lDataPos] << 8);
+      if (iV > 32767)   // two's complement signed conversion
         iV = iV - 65536;
-      double dCosScale = cos ((id + 1 - iCenter) * dBetaInc);
-      detval[id] = iV / (dTempScale * dCosScale);
+      detval[id] = iV * dViewScale * pdCosScale[id];
       lDataPos += 2;
     }
   }
 
+  delete pdCosScale;
   return true;
 }
 
+Projections*
+Projections::interpolateToParallel () const
+{
+  if (m_geometry == Scanner::GEOMETRY_PARALLEL)
+    return const_cast<Projections*>(this);
+
+  int nDet = m_nDet;
+  int nView = m_nView;
+  Projections* pProjNew = new Projections (nView, nDet);
+  pProjNew->m_geometry = Scanner::GEOMETRY_PARALLEL;
+  pProjNew->m_dFocalLength = m_dFocalLength;
+  pProjNew->m_dSourceDetectorLength = m_dSourceDetectorLength;
+  pProjNew->m_dViewDiameter = m_dViewDiameter;
+  pProjNew->m_dFanBeamAngle = m_dFanBeamAngle;
+  pProjNew->m_calcTime  = 0;
+  pProjNew->m_remark = m_remark;
+  pProjNew->m_remark += "; Interpolate to Parallel";
+  pProjNew->m_label.setLabelType (Array2dFileLabel::L_HISTORY);
+  pProjNew->m_label.setLabelString (pProjNew->m_remark);
+  pProjNew->m_label.setCalcTime (pProjNew->m_calcTime);
+  pProjNew->m_label.setDateTime (pProjNew->m_year, pProjNew->m_month, pProjNew->m_day, pProjNew->m_hour, pProjNew->m_minute, pProjNew->m_second);
+
+  pProjNew->m_rotStart = 0;
+#ifdef CONVERT_PARALLEL_PI
+  pProjNew->m_rotInc = PI / nView;;
+#else
+  pProjNew->m_rotInc = TWOPI / nView;
+#endif
+  pProjNew->m_detStart = -m_dViewDiameter / 2;
+  pProjNew->m_detInc = m_dViewDiameter / nDet;
+  if (nDet % 2 == 0) // even
+    pProjNew->m_detInc = m_dViewDiameter / (nDet - 1);
+
+  ParallelRaysums parallel (this, ParallelRaysums::THETA_RANGE_NORMALIZE_TO_TWOPI);
+
+  double* pdThetaValuesForT = new double [pProjNew->nView()];
+  double* pdRaysumsForT = new double [pProjNew->nView()];
+
+  // interpolate to evenly spaced theta (views)
+  double dDetPos = pProjNew->m_detStart;
+  for (int iD = 0; iD < pProjNew->nDet(); iD++, dDetPos += pProjNew->m_detInc) {
+    parallel.getThetaAndRaysumsForT (iD, pdThetaValuesForT, pdRaysumsForT);
+
+    double dViewAngle = m_rotStart;
+    int iLastFloor = -1;
+    for (int iV = 0; iV < pProjNew->nView(); iV++, dViewAngle += pProjNew->m_rotInc) {
+      DetectorValue* detValues = pProjNew->getDetectorArray (iV).detValues();
+
+      detValues[iD] = parallel.interpolate (pdThetaValuesForT, pdRaysumsForT, pProjNew->nView(), dViewAngle, &iLastFloor);
+    }
+  }
+  delete pdThetaValuesForT;
+  delete pdRaysumsForT;
+
+  // interpolate to evenly space t (detectors)
+  double* pdOriginalDetPositions = new double [pProjNew->nDet()];
+  parallel.getDetPositions (pdOriginalDetPositions);
+
+  double* pdDetValueCopy = new double [pProjNew->nDet()];
+  double dViewAngle = m_rotStart;
+  for (int iV = 0; iV < pProjNew->nView(); iV++, dViewAngle += pProjNew->m_rotInc) {
+    DetectorArray& detArray = pProjNew->getDetectorArray (iV);
+    DetectorValue* detValues = detArray.detValues();
+    detArray.setViewAngle (dViewAngle);
+
+    for (int i = 0; i < pProjNew->nDet(); i++)
+      pdDetValueCopy[i] = detValues[i];
+
+    double dDetPos = pProjNew->m_detStart;
+    int iLastFloor = -1;
+    for (int iD = 0; iD < pProjNew->nDet(); iD++, dDetPos += pProjNew->m_detInc) {
+      detValues[iD] = parallel.interpolate (pdOriginalDetPositions, pdDetValueCopy, pProjNew->nDet(), dDetPos, &iLastFloor);
+    }
+  }
+  delete pdDetValueCopy;
+  delete pdOriginalDetPositions;
+
+  return pProjNew;
+}
+
+
+///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
+//
+// Class ParallelRaysums
+//
+// Used for converting divergent beam raysums into Parallel raysums
+//
+///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
+
+ParallelRaysums::ParallelRaysums (const Projections* pProjections, int iThetaRange)
+: m_iNumCoordinates(0), m_iNumView(pProjections->nView()), m_iNumDet(pProjections->nDet()),
+  m_iThetaRange (iThetaRange), m_pCoordinates(NULL)
+{
+  int iGeometry = pProjections->geometry();
+  double dDetInc = pProjections->detInc();
+  double dDetStart = pProjections->detStart();
+  double dFocalLength = pProjections->focalLength();
+
+  m_iNumCoordinates =  m_iNumView * m_iNumDet;
+  m_pCoordinates = new ParallelRaysumCoordinate [m_iNumCoordinates];
+  m_vecpCoordinates.reserve (m_iNumCoordinates);
+  for (int i = 0; i < m_iNumCoordinates; i++)
+    m_vecpCoordinates[i] = m_pCoordinates + i;
+
+  int iCoordinate = 0;
+  for (int iV = 0; iV < m_iNumView; iV++) {
+    double dViewAngle = pProjections->getDetectorArray(iV).viewAngle();
+    const DetectorValue* detValues = pProjections->getDetectorArray(iV).detValues();
+
+    double dDetPos = dDetStart;
+    for (int iD = 0; iD < m_iNumDet; iD++) {
+      ParallelRaysumCoordinate* pC = m_vecpCoordinates[iCoordinate++];
+
+      if (iGeometry == Scanner::GEOMETRY_PARALLEL) {
+        pC->m_dTheta = dViewAngle;
+        pC->m_dT = dDetPos;
+      } else if (iGeometry == Scanner::GEOMETRY_EQUILINEAR) {
+        double dFanAngle = atan (dDetPos / pProjections->sourceDetectorLength());
+        pC->m_dTheta = dViewAngle + dFanAngle;
+        pC->m_dT = dFocalLength * sin(dFanAngle);        
+
+      } else if (iGeometry == Scanner::GEOMETRY_EQUIANGULAR) {
+        // fan angle is same as dDetPos
+        pC->m_dTheta = dViewAngle + dDetPos;
+        pC->m_dT = dFocalLength * sin (dDetPos);        
+      }
+      if (m_iThetaRange != THETA_RANGE_UNCONSTRAINED) {
+        pC->m_dTheta = normalizeAngle (pC->m_dTheta);
+        if (m_iThetaRange == THETA_RANGE_FOLD_TO_PI && pC->m_dTheta >= PI) {
+          pC->m_dTheta -= PI;
+          pC->m_dT = -pC->m_dT;
+        }
+      }
+      pC->m_dRaysum = detValues[iD];
+      dDetPos += dDetInc;
+    }
+  }
+}
+
+ParallelRaysums::~ParallelRaysums()
+{
+  delete m_pCoordinates;
+}
+
+ParallelRaysums::CoordinateContainer&
+ParallelRaysums::getSortedByTheta()
+{
+  if (m_vecpSortedByTheta.size() == 0) {
+    m_vecpSortedByTheta.resize (m_iNumCoordinates);
+    for (int i = 0; i < m_iNumCoordinates; i++)
+      m_vecpSortedByTheta[i] = m_vecpCoordinates[i];
+    std::sort (m_vecpSortedByTheta.begin(), m_vecpSortedByTheta.end(), ParallelRaysumCoordinate::compareByTheta);
+  }
+
+  return m_vecpSortedByTheta;
+}
+
+ParallelRaysums::CoordinateContainer&
+ParallelRaysums::getSortedByT()
+{
+  if (m_vecpSortedByT.size() == 0) {
+    m_vecpSortedByT.resize (m_iNumCoordinates);
+    for (int i = 0; i < m_iNumCoordinates; i++)
+      m_vecpSortedByT[i] = m_vecpCoordinates[i];
+    std::sort (m_vecpSortedByT.begin(), m_vecpSortedByT.end(), ParallelRaysumCoordinate::compareByT);
+  }
+
+  return m_vecpSortedByT;
+}
+
+
+void
+ParallelRaysums::getLimits (double* dMinT, double* dMaxT, double* dMinTheta, double* dMaxTheta) const
+{
+  if (m_iNumCoordinates <= 0)
+    return;
+
+  *dMinT = *dMaxT = m_vecpCoordinates[0]->m_dT;
+  *dMinTheta = *dMaxTheta = m_vecpCoordinates[0]->m_dTheta;
+
+  for (int i = 0; i < m_iNumCoordinates; i++) {
+    double dT = m_vecpCoordinates[i]->m_dT;
+    double dTheta = m_vecpCoordinates[i]->m_dTheta;
+
+    if (dT < *dMinT)
+      *dMinT = dT;
+    else if (dT > *dMaxT)
+      *dMaxT = dT;
+
+    if (dTheta < *dMinTheta)
+      *dMinTheta = dTheta;
+    else if (dTheta > *dMaxTheta)
+      *dMaxTheta = dTheta;
+  }
+}
+
+void
+ParallelRaysums::getThetaAndRaysumsForT (int iTheta, double* pTheta, double* pRaysum)
+{
+  const CoordinateContainer& coordsT = getSortedByT();
+
+  int iBase = iTheta * m_iNumView;
+  for (int i = 0; i < m_iNumView; i++) {
+    int iPos = iBase + i;
+    pTheta[i] = coordsT[iPos]->m_dTheta;
+    pRaysum[i] = coordsT[iPos]->m_dRaysum;
+  }
+}
+
+void
+ParallelRaysums::getDetPositions (double* pdDetPos)
+{
+  const CoordinateContainer& coordsT = getSortedByT();
+
+  int iPos = 0;
+  for (int i = 0; i < m_iNumDet; i++) {
+    pdDetPos[i] = coordsT[iPos]->m_dT;
+    iPos += m_iNumView;
+  }
+}
+
+// locate by bisection, O(log2(n))
+// iLastFloor is used when sequential calls to interpolate have monotonically increasing dX
+double
+ParallelRaysums::interpolate (double* pdX, double* pdY, int n, double dX, int* iLastFloor)
+{
+  int iLower = -1;
+  int iUpper = n;
+  if (iLastFloor && *iLastFloor >= 0 && pdX[*iLastFloor] < dX)
+    iLower = *iLastFloor;
+
+  while (iUpper - iLower > 1) {
+    int iMiddle = (iUpper + iLower) >> 1;
+    if (dX >= pdX[iMiddle])
+      iLower = iMiddle;
+    else
+      iUpper = iMiddle;
+  }
+  if (dX <= pdX[0])
+    return pdY[0];
+  else if (dX >= pdX[n-1])
+    return pdY[1];
+
+  if (iLower < 0 || iLower >= n) {
+    sys_error (ERR_SEVERE, "Coordinate out of range [locateThetaBase]");
+    return 0;
+  }
+
+  if (iLastFloor)
+    *iLastFloor = iLower;
+  return pdY[iLower] + (pdY[iUpper] - pdY[iLower]) * ((dX - pdX[iLower]) / (pdX[iUpper] - pdX[iLower]));
+}
+