registration/itkOptMattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD.txx

   1 /*=========================================================================
   2   Program:   vv                     http://www.creatis.insa-lyon.fr/rio/vv
   3
   4   Authors belong to:
   5   - University of LYON              http://www.universite-lyon.fr/
   6   - Léon Bérard cancer center       http://www.centreleonberard.fr
   7   - CREATIS CNRS laboratory         http://www.creatis.insa-lyon.fr
   8
   9   This software is distributed WITHOUT ANY WARRANTY; without even
  10   the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
  11   PURPOSE.  See the copyright notices for more information.
  12
  13   It is distributed under dual licence
  14
  15   - BSD        See included LICENSE.txt file
  16   - CeCILL-B   http://www.cecill.info/licences/Licence_CeCILL-B_V1-en.html
  17 ===========================================================================**/
  18
  19 /*=========================================================================
  20
  21 Program:   Insight Segmentation & Registration Toolkit
  22 Module:    $RCSfile: itkOptMattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD.txx,v $
  23 Language:  C++
  24 Date:      $Date: 2010/06/14 17:32:07 $
  25 Version:   $Revision: 1.1 $
  26
  27 Copyright (c) Insight Software Consortium. All rights reserved.
  28 See ITKCopyright.txt or http://www.itk.org/HTML/Copyright.htm for details.
  29
  30 This software is distributed WITHOUT ANY WARRANTY; without even
  31 the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR
  32 PURPOSE.  See the above copyright notices for more information.
  33
  34 =========================================================================*/
  35 #ifndef __itkOptMattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD_txx
  36 #define __itkOptMattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD_txx
  37
  38 #include "itkOptMattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD.h"
  39 #include "itkCovariantVector.h"
  40 #include "itkImageRandomConstIteratorWithIndex.h"
  41 #include "itkImageRegionConstIterator.h"
  42 #include "itkImageRegionIterator.h"
  43 #include "itkImageIterator.h"
  44 #include "vnl/vnl_math.h"
  45 #include "itkStatisticsImageFilter.h"
  46
  47 #include "vnl/vnl_vector.txx"
  48 #include "vnl/vnl_c_vector.txx"
  49
  50 namespace itk
  51 {
  52
  53 /**
  54  * Constructor
  55  */
  56 template < class TFixedImage, class TMovingImage >
  57 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
  58 ::MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD()
  59 {
  60   m_NumberOfHistogramBins = 50;
  61
  62   this->SetComputeGradient(false); // don't use the default gradient for now
  63
  64   // Initialize PDFs to NULL
  65   m_JointPDF = NULL;
  66   m_JointPDFDerivatives = NULL;
  67
  68   // Initialize memory
  69   m_FixedImageMarginalPDF = NULL;
  70   m_MovingImageMarginalPDF = NULL;
  71
  72   m_MovingImageNormalizedMin = 0.0;
  73   m_FixedImageNormalizedMin = 0.0;
  74   m_MovingImageTrueMin = 0.0;
  75   m_MovingImageTrueMax = 0.0;
  76   m_FixedImageBinSize = 0.0;
  77   m_MovingImageBinSize = 0.0;
  78
  79   m_CubicBSplineDerivativeKernel = NULL;
  80
  81   // For multi-threading the metric
  82   m_ThreaderFixedImageMarginalPDF = NULL;
  83   m_ThreaderJointPDF = NULL;
  84   m_ThreaderJointPDFDerivatives = NULL;
  85   m_ThreaderJointPDFStartBin = NULL;
  86   m_ThreaderJointPDFEndBin = NULL;
  87   m_ThreaderJointPDFSum = NULL;
  88   this->m_WithinThreadPreProcess = true;
  89   this->m_WithinThreadPostProcess = false;
  90
  91   this->m_ThreaderMetricDerivative = NULL;
  92   this->m_UseExplicitPDFDerivatives = true;
  93   this->m_ImplicitDerivativesSecondPass = false;
  94 }
  95
  96 template < class TFixedImage, class TMovingImage >
  97 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
  98 ::~MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD()
  99 {
 100
 101   if(m_FixedImageMarginalPDF != NULL) {
 102     delete [] m_FixedImageMarginalPDF;
 103   }
 104   m_FixedImageMarginalPDF = NULL;
 105   if(m_MovingImageMarginalPDF != NULL) {
 106     delete [] m_MovingImageMarginalPDF;
 107   }
 108   m_MovingImageMarginalPDF = NULL;
 109   if(m_ThreaderJointPDF != NULL) {
 110     delete [] m_ThreaderJointPDF;
 111   }
 112   m_ThreaderJointPDF = NULL;
 113
 114   if(m_ThreaderJointPDFDerivatives != NULL) {
 115     delete [] m_ThreaderJointPDFDerivatives;
 116   }
 117   m_ThreaderJointPDFDerivatives = NULL;
 118
 119   if(m_ThreaderFixedImageMarginalPDF != NULL) {
 120     delete [] m_ThreaderFixedImageMarginalPDF;
 121   }
 122   m_ThreaderFixedImageMarginalPDF = NULL;
 123
 124   if(m_ThreaderJointPDFStartBin != NULL) {
 125     delete [] m_ThreaderJointPDFStartBin;
 126   }
 127   m_ThreaderJointPDFStartBin = NULL;
 128
 129   if(m_ThreaderJointPDFEndBin != NULL) {
 130     delete [] m_ThreaderJointPDFEndBin;
 131   }
 132   m_ThreaderJointPDFEndBin = NULL;
 133
 134   if(m_ThreaderJointPDFSum != NULL) {
 135     delete [] m_ThreaderJointPDFSum;
 136   }
 137   m_ThreaderJointPDFSum = NULL;
 138
 139   if( this->m_ThreaderMetricDerivative != NULL ) {
 140     delete [] this->m_ThreaderMetricDerivative;
 141   }
 142   this->m_ThreaderMetricDerivative = NULL;
 143 }
 144
 145 /**
 146  * Print out internal information about this class
 147  */
 148 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 149 void
 150 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 151 ::PrintSelf(std::ostream& os, Indent indent) const
 152 {
 153
 154   Superclass::PrintSelf(os, indent);
 155
 156   os << indent << "NumberOfHistogramBins: ";
 157   os << this->m_NumberOfHistogramBins << std::endl;
 158
 159   // Debugging information
 160   os << indent << "FixedImageNormalizedMin: ";
 161   os << this->m_FixedImageNormalizedMin << std::endl;
 162   os << indent << "MovingImageNormalizedMin: ";
 163   os << this->m_MovingImageNormalizedMin << std::endl;
 164   os << indent << "MovingImageTrueMin: ";
 165   os << this->m_MovingImageTrueMin << std::endl;
 166   os << indent << "MovingImageTrueMax: ";
 167   os << this->m_MovingImageTrueMax << std::endl;
 168   os << indent << "FixedImageBinSize: ";
 169   os << this->m_FixedImageBinSize << std::endl;
 170   os << indent << "MovingImageBinSize: ";
 171   os << this->m_MovingImageBinSize << std::endl;
 172   os << indent << "UseExplicitPDFDerivatives: ";
 173   os << this->m_UseExplicitPDFDerivatives << std::endl;
 174   os << indent << "ImplicitDerivativesSecondPass: ";
 175   os << this->m_ImplicitDerivativesSecondPass << std::endl;
 176
 177 }
 178
 179
 180 /**
 181  * Initialize
 182  */
 183 template <class TFixedImage, class TMovingImage>
 184 void
 185 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 186 ::Initialize(void) throw ( ExceptionObject )
 187 {
 188   this->Superclass::Initialize();
 189   this->Superclass::MultiThreadingInitialize();
 190
 191   typedef StatisticsImageFilter<FixedImageType> FixedImageStatisticsFilterType;
 192   typename FixedImageStatisticsFilterType::Pointer fixedImageStats =
 193     FixedImageStatisticsFilterType::New();
 194   fixedImageStats->SetInput( this->m_FixedImage );
 195   fixedImageStats->SetNumberOfThreads( this->m_NumberOfThreads );
 196   fixedImageStats->Update();
 197
 198   m_FixedImageTrueMin = fixedImageStats->GetMinimum();
 199   m_FixedImageTrueMax = fixedImageStats->GetMaximum();
 200   double fixedImageMin = m_FixedImageTrueMin;
 201   double fixedImageMax = m_FixedImageTrueMax;
 202
 203   typedef StatisticsImageFilter<MovingImageType>
 204   MovingImageStatisticsFilterType;
 205   typename MovingImageStatisticsFilterType::Pointer movingImageStats =
 206     MovingImageStatisticsFilterType::New();
 207   movingImageStats->SetInput( this->m_MovingImage );
 208   movingImageStats->SetNumberOfThreads( this->m_NumberOfThreads );
 209   movingImageStats->Update();
 210
 211   m_MovingImageTrueMin = movingImageStats->GetMinimum();
 212   m_MovingImageTrueMax = movingImageStats->GetMaximum();
 213   double movingImageMin = m_MovingImageTrueMin;
 214   double movingImageMax = m_MovingImageTrueMax;
 215
 216   itkDebugMacro( " FixedImageMin: " << fixedImageMin <<
 217                  " FixedImageMax: " << fixedImageMax << std::endl );
 218   itkDebugMacro( " MovingImageMin: " << movingImageMin <<
 219                  " MovingImageMax: " << movingImageMax << std::endl );
 220
 221
 222   /**
 223    * Compute binsize for the histograms.
 224    *
 225    * The binsize for the image intensities needs to be adjusted so that
 226    * we can avoid dealing with boundary conditions using the cubic
 227    * spline as the Parzen window.  We do this by increasing the size
 228    * of the bins so that the joint histogram becomes "padded" at the
 229    * borders. Because we are changing the binsize,
 230    * we also need to shift the minimum by the padded amount in order to
 231    * avoid minimum values filling in our padded region.
 232    *
 233    * Note that there can still be non-zero bin values in the padded region,
 234    * it's just that these bins will never be a central bin for the Parzen
 235    * window.
 236    *
 237    */
 238   const int padding = 2;  // this will pad by 2 bins
 239
 240   m_FixedImageBinSize = ( fixedImageMax - fixedImageMin )
 241                         / static_cast<double>( m_NumberOfHistogramBins
 242                             - 2 * padding );
 243   m_FixedImageNormalizedMin = fixedImageMin / m_FixedImageBinSize
 244                               - static_cast<double>( padding );
 245
 246   m_MovingImageBinSize = ( movingImageMax - movingImageMin )
 247                          / static_cast<double>( m_NumberOfHistogramBins
 248                              - 2 * padding );
 249   m_MovingImageNormalizedMin = movingImageMin / m_MovingImageBinSize
 250                                - static_cast<double>( padding );
 251
 252   itkDebugMacro( "FixedImageNormalizedMin: " << m_FixedImageNormalizedMin );
 253   itkDebugMacro( "MovingImageNormalizedMin: " << m_MovingImageNormalizedMin );
 254   itkDebugMacro( "FixedImageBinSize: " << m_FixedImageBinSize );
 255   itkDebugMacro( "MovingImageBinSize; " << m_MovingImageBinSize );
 256
 257
 258   /**
 259    * Allocate memory for the marginal PDF and initialize values
 260    * to zero. The marginal PDFs are stored as std::vector.
 261    */
 262   if(m_FixedImageMarginalPDF != NULL) {
 263     delete [] m_FixedImageMarginalPDF;
 264   }
 265   m_FixedImageMarginalPDF = new PDFValueType[m_NumberOfHistogramBins];
 266   if(m_MovingImageMarginalPDF != NULL) {
 267     delete [] m_MovingImageMarginalPDF;
 268   }
 269   m_MovingImageMarginalPDF = new PDFValueType[m_NumberOfHistogramBins];
 270
 271   /**
 272    * Allocate memory for the joint PDF and joint PDF derivatives.
 273    * The joint PDF and joint PDF derivatives are store as itk::Image.
 274    */
 275   m_JointPDF = JointPDFType::New();
 276   m_JointPDFDerivatives = JointPDFDerivativesType::New();
 277
 278   // Instantiate a region, index, size
 279   JointPDFRegionType             jointPDFRegion;
 280   JointPDFIndexType              jointPDFIndex;
 281   JointPDFSizeType               jointPDFSize;
 282
 283   // Deallocate the memory that may have been allocated for
 284   // previous runs of the metric.
 285   this->m_JointPDFDerivatives = NULL;  // by destroying the dynamic array
 286   this->m_PRatioArray.SetSize( 1, 1 ); // and by allocating very small the static ones
 287   this->m_MetricDerivative = DerivativeType( 1 );
 288
 289   JointPDFDerivativesRegionType  jointPDFDerivativesRegion;
 290
 291   //
 292   // Now allocate memory according to the user-selected method.
 293   //
 294   if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
 295     this->m_JointPDFDerivatives = JointPDFDerivativesType::New();
 296
 297     JointPDFDerivativesIndexType  jointPDFDerivativesIndex;
 298     JointPDFDerivativesSizeType    jointPDFDerivativesSize;
 299
 300     // For the derivatives of the joint PDF define a region starting from {0,0,0}
 301     // with size {m_NumberOfParameters,m_NumberOfHistogramBins,
 302     // m_NumberOfHistogramBins}. The dimension represents transform parameters,
 303     // fixed image parzen window index and moving image parzen window index,
 304     // respectively.
 305     jointPDFDerivativesIndex.Fill( 0 );
 306     jointPDFDerivativesSize[0] = this->m_NumberOfParameters;
 307     jointPDFDerivativesSize[1] = this->m_NumberOfHistogramBins;
 308     jointPDFDerivativesSize[2] = this->m_NumberOfHistogramBins;
 309
 310     jointPDFDerivativesRegion.SetIndex( jointPDFDerivativesIndex );
 311     jointPDFDerivativesRegion.SetSize( jointPDFDerivativesSize );
 312
 313     // Set the regions and allocate
 314     m_JointPDFDerivatives->SetRegions( jointPDFDerivativesRegion );
 315     m_JointPDFDerivatives->Allocate();
 316     m_JointPDFDerivativesBufferSize = jointPDFDerivativesSize[0]
 317                                       * jointPDFDerivativesSize[1]
 318                                       * jointPDFDerivativesSize[2]
 319                                       * sizeof(JointPDFDerivativesValueType);
 320
 321   } else {
 322     /** Allocate memory for helper array that will contain the pRatios
 323      *  for each bin of the joint histogram. This is part of the effort
 324      *  for flattening the computation of the PDF Jacobians.
 325      */
 326     this->m_PRatioArray.SetSize( this->m_NumberOfHistogramBins, this->m_NumberOfHistogramBins );
 327     this->m_MetricDerivative = DerivativeType( this->GetNumberOfParameters() );
 328   }
 329
 330   // For the joint PDF define a region starting from {0,0}
 331   // with size {m_NumberOfHistogramBins, m_NumberOfHistogramBins}.
 332   // The dimension represents fixed image parzen window index
 333   // and moving image parzen window index, respectively.
 334   jointPDFIndex.Fill( 0 );
 335   jointPDFSize.Fill( m_NumberOfHistogramBins );
 336
 337   jointPDFRegion.SetIndex( jointPDFIndex );
 338   jointPDFRegion.SetSize( jointPDFSize );
 339
 340   // Set the regions and allocate
 341   m_JointPDF->SetRegions( jointPDFRegion );
 342   m_JointPDF->Allocate();
 343
 344   m_JointPDFBufferSize = jointPDFSize[0] * jointPDFSize[1] * sizeof(PDFValueType);
 345
 346
 347   /**
 348    * Setup the kernels used for the Parzen windows.
 349    */
 350   m_CubicBSplineKernel = CubicBSplineFunctionType::New();
 351   m_CubicBSplineDerivativeKernel = CubicBSplineDerivativeFunctionType::New();
 352
 353   /**
 354    * Pre-compute the fixed image parzen window index for
 355    * each point of the fixed image sample points list.
 356    */
 357   this->ComputeFixedImageParzenWindowIndices( this->m_FixedImageSamples );
 358
 359
 360   if(m_ThreaderFixedImageMarginalPDF != NULL) {
 361     delete [] m_ThreaderFixedImageMarginalPDF;
 362   }
 363   // Assumes number of threads doesn't change between calls to Initialize
 364   m_ThreaderFixedImageMarginalPDF = new
 365   PDFValueType[(this->m_NumberOfThreads-1)
 366                * m_NumberOfHistogramBins];
 367
 368   if(m_ThreaderJointPDF != NULL) {
 369     delete [] m_ThreaderJointPDF;
 370   }
 371   m_ThreaderJointPDF = new typename
 372   JointPDFType::Pointer[this->m_NumberOfThreads-1];
 373
 374   if(m_ThreaderJointPDFStartBin != NULL) {
 375     delete [] m_ThreaderJointPDFStartBin;
 376   }
 377   m_ThreaderJointPDFStartBin = new int[this->m_NumberOfThreads];
 378
 379   if(m_ThreaderJointPDFEndBin != NULL) {
 380     delete [] m_ThreaderJointPDFEndBin;
 381   }
 382   m_ThreaderJointPDFEndBin = new int[this->m_NumberOfThreads];
 383
 384   if(m_ThreaderJointPDFSum != NULL) {
 385     delete [] m_ThreaderJointPDFSum;
 386   }
 387   m_ThreaderJointPDFSum = new double[this->m_NumberOfThreads];
 388
 389   ThreadIdType threadID;
 390
 391   int binRange = m_NumberOfHistogramBins / this->m_NumberOfThreads;
 392
 393   for(threadID = 0; threadID < this->m_NumberOfThreads-1; threadID++) {
 394     m_ThreaderJointPDF[threadID] = JointPDFType::New();
 395     m_ThreaderJointPDF[threadID]->SetRegions( jointPDFRegion );
 396     m_ThreaderJointPDF[threadID]->Allocate();
 397
 398     m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID] = threadID * binRange;
 399     m_ThreaderJointPDFEndBin[threadID] = (threadID + 1) * binRange - 1;
 400   }
 401
 402   m_ThreaderJointPDFStartBin[this->m_NumberOfThreads-1] =
 403     (this->m_NumberOfThreads - 1 ) * binRange;
 404
 405   m_ThreaderJointPDFEndBin[this->m_NumberOfThreads-1] = m_NumberOfHistogramBins - 1;
 406
 407   // Release memory of arrays that may have been used for
 408   // previous executions of this metric with different settings
 409   // of the memory caching flags.
 410   if(m_ThreaderJointPDFDerivatives != NULL) {
 411     delete [] m_ThreaderJointPDFDerivatives;
 412   }
 413   m_ThreaderJointPDFDerivatives = NULL;
 414
 415   if(m_ThreaderMetricDerivative != NULL) {
 416     delete [] m_ThreaderMetricDerivative;
 417   }
 418   m_ThreaderMetricDerivative = NULL;
 419
 420
 421   if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
 422     m_ThreaderJointPDFDerivatives = new typename
 423     JointPDFDerivativesType::Pointer[this->m_NumberOfThreads-1];
 424
 425     for(threadID = 0; threadID < this->m_NumberOfThreads-1; threadID++) {
 426       m_ThreaderJointPDFDerivatives[threadID] = JointPDFDerivativesType::New();
 427       m_ThreaderJointPDFDerivatives[threadID]->SetRegions(
 428         jointPDFDerivativesRegion );
 429       m_ThreaderJointPDFDerivatives[threadID]->Allocate();
 430     }
 431   } else {
 432     m_ThreaderMetricDerivative = new DerivativeType[this->m_NumberOfThreads-1];
 433
 434     for(threadID = 0; threadID < this->m_NumberOfThreads-1; threadID++) {
 435       this->m_ThreaderMetricDerivative[threadID] = DerivativeType( this->GetNumberOfParameters() );
 436     }
 437   }
 438 }
 439
 440 /**
 441  * Uniformly sample the fixed image domain using a random walk
 442  */
 443 template < class TFixedImage, class TMovingImage >
 444 void
 445 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 446 ::ComputeFixedImageParzenWindowIndices(
 447   FixedImageSampleContainer& samples )
 448 {
 449
 450   typename FixedImageSampleContainer::iterator iter;
 451   typename FixedImageSampleContainer::const_iterator end=samples.end();
 452
 453   for( iter=samples.begin(); iter != end; ++iter ) {
 454
 455     // Determine parzen window arguments (see eqn 6 of Mattes paper [2]).
 456     double windowTerm = static_cast<double>( (*iter).value )
 457                         / m_FixedImageBinSize
 458                         - m_FixedImageNormalizedMin;
 459     unsigned int pindex = static_cast<unsigned int>( windowTerm );
 460
 461     // Make sure the extreme values are in valid bins
 462     if ( pindex < 2 ) {
 463       pindex = 2;
 464     } else if ( pindex > (m_NumberOfHistogramBins - 3) ) {
 465       pindex = m_NumberOfHistogramBins - 3;
 466     }
 467
 468     (*iter).valueIndex = pindex;
 469   }
 470
 471 }
 472
 473 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 474 inline void
 475 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 476 ::GetValueThreadPreProcess( ThreadIdType threadID,
 477                             bool withinSampleThread ) const
 478 {
 479
 480   this->Superclass::GetValueThreadPreProcess( threadID, withinSampleThread );
 481
 482   if(threadID > 0) {
 483     memset( m_ThreaderJointPDF[threadID-1]->GetBufferPointer(),
 484             0,
 485             m_JointPDFBufferSize );
 486     memset( &(m_ThreaderFixedImageMarginalPDF[(threadID-1)
 487               *m_NumberOfHistogramBins]),
 488             0,
 489             m_NumberOfHistogramBins*sizeof(PDFValueType) );
 490   } else {
 491     // zero-th thread uses the variables directly
 492     memset( m_JointPDF->GetBufferPointer(),
 493             0,
 494             m_JointPDFBufferSize );
 495     memset( m_FixedImageMarginalPDF,
 496             0,
 497             m_NumberOfHistogramBins*sizeof(PDFValueType) );
 498   }
 499 }
 500
 501 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 502 inline bool
 503 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 504 ::GetValueThreadProcessSample( ThreadIdType threadID,
 505                                unsigned long fixedImageSample,
 506                                const MovingImagePointType & itkNotUsed(mappedPoint),
 507                                double movingImageValue) const
 508 {
 509   /**
 510    * Compute this sample's contribution to the marginal and
 511    * joint distributions.
 512    *
 513    */
 514
 515   if(movingImageValue < m_MovingImageTrueMin) {
 516     return false;
 517   } else if(movingImageValue > m_MovingImageTrueMax) {
 518     return false;
 519   }
 520
 521   // Determine parzen window arguments (see eqn 6 of Mattes paper [2]).
 522   double movingImageParzenWindowTerm = movingImageValue
 523                                        / m_MovingImageBinSize
 524                                        - m_MovingImageNormalizedMin;
 525   // Same as floor
 526   unsigned int movingImageParzenWindowIndex =
 527     static_cast<unsigned int>( movingImageParzenWindowTerm );
 528   if( movingImageParzenWindowIndex < 2 ) {
 529     movingImageParzenWindowIndex = 2;
 530   } else if( movingImageParzenWindowIndex > (m_NumberOfHistogramBins - 3) ) {
 531     movingImageParzenWindowIndex = m_NumberOfHistogramBins - 3;
 532   }
 533
 534   unsigned int fixedImageParzenWindowIndex =
 535     this->m_FixedImageSamples[fixedImageSample].valueIndex;
 536   if(threadID > 0) {
 537     m_ThreaderFixedImageMarginalPDF[(threadID-1)*m_NumberOfHistogramBins
 538                                     + fixedImageParzenWindowIndex] += 1;
 539   } else {
 540     m_FixedImageMarginalPDF[fixedImageParzenWindowIndex] += 1;
 541   }
 542
 543   // Pointer to affected bin to be updated
 544   JointPDFValueType *pdfPtr;
 545   if(threadID > 0) {
 546     pdfPtr = m_ThreaderJointPDF[threadID-1]->GetBufferPointer() +
 547              ( fixedImageParzenWindowIndex
 548                * m_ThreaderJointPDF[threadID-1]
 549                ->GetOffsetTable()[1] );
 550   } else {
 551     pdfPtr = m_JointPDF->GetBufferPointer() +
 552              ( fixedImageParzenWindowIndex
 553                * m_JointPDF->GetOffsetTable()[1] );
 554   }
 555
 556   // Move the pointer to the first affected bin
 557   int pdfMovingIndex = static_cast<int>( movingImageParzenWindowIndex ) - 1;
 558   pdfPtr += pdfMovingIndex;
 559   int pdfMovingIndexMax = static_cast<int>(movingImageParzenWindowIndex) + 2;
 560
 561   double movingImageParzenWindowArg =
 562     static_cast<double>( pdfMovingIndex )
 563     - movingImageParzenWindowTerm;
 564
 565   while( pdfMovingIndex <= pdfMovingIndexMax ) {
 566     *(pdfPtr++) += static_cast<PDFValueType>( m_CubicBSplineKernel
 567                    ->Evaluate(
 568                      movingImageParzenWindowArg ) );
 569     movingImageParzenWindowArg += 1;
 570     ++pdfMovingIndex;
 571   }
 572
 573   return true;
 574 }
 575
 576 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 577 inline void
 578 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 579 ::GetValueThreadPostProcess( ThreadIdType threadID,
 580                              bool itkNotUsed(withinSampleThread) ) const
 581 {
 582   unsigned int t;
 583   int i;
 584   int maxI;
 585   maxI = m_NumberOfHistogramBins
 586          * ( m_ThreaderJointPDFEndBin[threadID]
 587              - m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID] + 1);
 588   JointPDFValueType *pdfPtr;
 589   JointPDFValueType *pdfPtrStart;
 590   pdfPtrStart = m_JointPDF->GetBufferPointer()
 591                 + ( m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID]
 592                     * m_JointPDF->GetOffsetTable()[1] );
 593   JointPDFValueType *tPdfPtr;
 594   JointPDFValueType *tPdfPtrEnd;
 595   unsigned int       tPdfPtrOffset;
 596   tPdfPtrOffset = ( m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID]
 597                     * m_JointPDF->GetOffsetTable()[1] );
 598   for(t=0; t<this->m_NumberOfThreads-1; t++) {
 599     pdfPtr = pdfPtrStart;
 600     tPdfPtr = m_ThreaderJointPDF[t]->GetBufferPointer() + tPdfPtrOffset;
 601     tPdfPtrEnd = tPdfPtr + maxI;
 602     //for(i=0; i < maxI; i++)
 603     while(tPdfPtr < tPdfPtrEnd) {
 604       *(pdfPtr++) += *(tPdfPtr++);
 605     }
 606     for(i = m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID];
 607         i <= m_ThreaderJointPDFEndBin[threadID];
 608         i++) {
 609       m_FixedImageMarginalPDF[i] += m_ThreaderFixedImageMarginalPDF[
 610                                       (t*m_NumberOfHistogramBins) + i];
 611     }
 612   }
 613   double jointPDFSum = 0.0;
 614   pdfPtr = pdfPtrStart;
 615   for(i = 0; i < maxI; i++) {
 616     jointPDFSum += *(pdfPtr++);
 617   }
 618   if(threadID > 0) {
 619     m_ThreaderJointPDFSum[threadID-1] = jointPDFSum;
 620   } else {
 621     m_JointPDFSum = jointPDFSum;
 622   }
 623 }
 624
 625 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 626 typename MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 627 ::MeasureType
 628 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 629 ::GetValue( const ParametersType & parameters ) const
 630 {
 631   // Set up the parameters in the transform
 632   this->m_Transform->SetParameters( parameters );
 633 #if ITK_VERSION_MAJOR < 4
 634   this->m_Parameters = parameters;
 635 #endif
 636
 637   // MUST BE CALLED TO INITIATE PROCESSING
 638   this->GetValueMultiThreadedInitiate();
 639
 640   // MUST BE CALLED TO INITIATE PROCESSING
 641   this->GetValueMultiThreadedPostProcessInitiate();
 642
 643   for(ThreadIdType threadID = 0; threadID<this->m_NumberOfThreads-1; threadID++) {
 644     m_JointPDFSum += m_ThreaderJointPDFSum[threadID];
 645   }
 646   if ( m_JointPDFSum == 0.0 ) {
 647     itkExceptionMacro( "Joint PDF summed to zero" );
 648   }
 649
 650   memset( m_MovingImageMarginalPDF,
 651           0,
 652           m_NumberOfHistogramBins*sizeof(PDFValueType) );
 653
 654   JointPDFValueType * pdfPtr;
 655   PDFValueType * movingMarginalPtr;
 656   unsigned int i, j;
 657   double fixedPDFSum = 0.0;
 658   double nFactor = 1.0 / m_JointPDFSum;
 659   pdfPtr = m_JointPDF->GetBufferPointer();
 660   for(i=0; i<m_NumberOfHistogramBins; i++) {
 661     fixedPDFSum += m_FixedImageMarginalPDF[i];
 662     movingMarginalPtr = m_MovingImageMarginalPDF;
 663     for(j=0; j<m_NumberOfHistogramBins; j++) {
 664       *(pdfPtr) *= nFactor;
 665       *(movingMarginalPtr++) += *(pdfPtr++);
 666     }
 667   }
 668
 669   if( this->m_NumberOfPixelsCounted <
 670       this->m_NumberOfFixedImageSamples / 16 ) {
 671     itkExceptionMacro( "Too many samples map outside moving image buffer: "
 672                        << this->m_NumberOfPixelsCounted << " / "
 673                        << this->m_NumberOfFixedImageSamples
 674                        << std::endl );
 675   }
 676
 677   // Normalize the fixed image marginal PDF
 678   if ( fixedPDFSum == 0.0 ) {
 679     itkExceptionMacro( "Fixed image marginal PDF summed to zero" );
 680   }
 681   for( unsigned int bin=0; bin < m_NumberOfHistogramBins; bin++ ) {
 682     m_FixedImageMarginalPDF[bin] /= fixedPDFSum;
 683   }
 684
 685   /**
 686    * Compute the metric by double summation over histogram.
 687    */
 688
 689   // Setup pointer to point to the first bin
 690   JointPDFValueType * jointPDFPtr = m_JointPDF->GetBufferPointer();
 691
 692   double sum = 0.0;
 693
 694   for( unsigned int fixedIndex = 0;
 695        fixedIndex < m_NumberOfHistogramBins;
 696        ++fixedIndex ) {
 697     double fixedImagePDFValue = m_FixedImageMarginalPDF[fixedIndex];
 698
 699     for( unsigned int movingIndex = 0;
 700          movingIndex < m_NumberOfHistogramBins;
 701          ++movingIndex, jointPDFPtr++ ) {
 702       double movingImagePDFValue = m_MovingImageMarginalPDF[movingIndex];
 703       double jointPDFValue = *(jointPDFPtr);
 704
 705       // check for non-zero bin contribution
 706       if( jointPDFValue > 1e-16 &&  movingImagePDFValue > 1e-16 ) {
 707
 708         double pRatio = vcl_log(jointPDFValue / movingImagePDFValue );
 709         if( fixedImagePDFValue > 1e-16) {
 710           sum += jointPDFValue * ( pRatio - vcl_log(fixedImagePDFValue ) );
 711         }
 712
 713       }  // end if-block to check non-zero bin contribution
 714     }  // end for-loop over moving index
 715   }  // end for-loop over fixed index
 716
 717   return static_cast<MeasureType>( -1.0 * sum );
 718
 719 }
 720
 721
 722 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 723 inline void
 724 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 725 ::GetValueAndDerivativeThreadPreProcess( ThreadIdType threadID,
 726     bool itkNotUsed(withinSampleThread) ) const
 727 {
 728   if(threadID > 0) {
 729     memset( m_ThreaderJointPDF[threadID-1]->GetBufferPointer(),
 730             0,
 731             m_JointPDFBufferSize );
 732
 733     memset( &(m_ThreaderFixedImageMarginalPDF[(threadID-1)
 734               * m_NumberOfHistogramBins]),
 735             0,
 736             m_NumberOfHistogramBins*sizeof(PDFValueType) );
 737
 738     if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
 739       memset( m_ThreaderJointPDFDerivatives[threadID-1]->GetBufferPointer(),
 740               0,
 741               m_JointPDFDerivativesBufferSize );
 742     }
 743   } else {
 744     memset( m_JointPDF->GetBufferPointer(),
 745             0,
 746             m_JointPDFBufferSize );
 747     memset( m_FixedImageMarginalPDF,
 748             0,
 749             m_NumberOfHistogramBins*sizeof(PDFValueType) );
 750
 751     if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
 752       memset( m_JointPDFDerivatives->GetBufferPointer(),
 753               0,
 754               m_JointPDFDerivativesBufferSize );
 755     }
 756   }
 757 }
 758
 759 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 760 inline bool
 761 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 762 ::GetValueAndDerivativeThreadProcessSample( ThreadIdType threadID,
 763     unsigned long fixedImageSample,
 764     const MovingImagePointType & itkNotUsed(mappedPoint),
 765     double movingImageValue,
 766     const ImageDerivativesType &
 767     movingImageGradientValue) const
 768 {
 769   /**
 770    * Compute this sample's contribution to the marginal
 771    *   and joint distributions.
 772    *
 773    */
 774   if(movingImageValue < m_MovingImageTrueMin) {
 775     return false;
 776   } else if(movingImageValue > m_MovingImageTrueMax) {
 777     return false;
 778   }
 779
 780   unsigned int fixedImageParzenWindowIndex =
 781     this->m_FixedImageSamples[fixedImageSample].valueIndex;
 782
 783   // Determine parzen window arguments (see eqn 6 of Mattes paper [2]).
 784   double movingImageParzenWindowTerm = movingImageValue
 785                                        / m_MovingImageBinSize
 786                                        - m_MovingImageNormalizedMin;
 787   unsigned int movingImageParzenWindowIndex =
 788     static_cast<unsigned int>( movingImageParzenWindowTerm );
 789
 790   // Make sure the extreme values are in valid bins
 791   if ( movingImageParzenWindowIndex < 2 ) {
 792     movingImageParzenWindowIndex = 2;
 793   } else if ( movingImageParzenWindowIndex > (m_NumberOfHistogramBins - 3) ) {
 794     movingImageParzenWindowIndex = m_NumberOfHistogramBins - 3;
 795   }
 796
 797   // Since a zero-order BSpline (box car) kernel is used for
 798   // the fixed image marginal pdf, we need only increment the
 799   // fixedImageParzenWindowIndex by value of 1.0.
 800   if(threadID > 0) {
 801     ++m_ThreaderFixedImageMarginalPDF[(threadID-1)*m_NumberOfHistogramBins
 802                                       + fixedImageParzenWindowIndex];
 803   } else {
 804     ++m_FixedImageMarginalPDF[fixedImageParzenWindowIndex];
 805   }
 806
 807   /**
 808    * The region of support of the parzen window determines which bins
 809    * of the joint PDF are effected by the pair of image values.
 810    * Since we are using a cubic spline for the moving image parzen
 811    * window, four bins are effected.  The fixed image parzen window is
 812    * a zero-order spline (box car) and thus effects only one bin.
 813    *
 814    *  The PDF is arranged so that moving image bins corresponds to the
 815    * zero-th (column) dimension and the fixed image bins corresponds
 816    * to the first (row) dimension.
 817    *
 818    */
 819
 820   // Pointer to affected bin to be updated
 821   JointPDFValueType *pdfPtr;
 822   if(threadID > 0) {
 823     pdfPtr = m_ThreaderJointPDF[threadID-1]
 824              ->GetBufferPointer() +
 825              ( fixedImageParzenWindowIndex
 826                * m_NumberOfHistogramBins );
 827   } else {
 828     pdfPtr = m_JointPDF->GetBufferPointer() +
 829              ( fixedImageParzenWindowIndex
 830                * m_NumberOfHistogramBins );
 831   }
 832
 833   // Move the pointer to the fist affected bin
 834   int pdfMovingIndex = static_cast<int>( movingImageParzenWindowIndex ) - 1;
 835   pdfPtr += pdfMovingIndex;
 836   int pdfMovingIndexMax = static_cast<int>(movingImageParzenWindowIndex) + 2;
 837
 838   double movingImageParzenWindowArg = static_cast<double>( pdfMovingIndex )
 839                                       - static_cast<double>( movingImageParzenWindowTerm );
 840
 841   while( pdfMovingIndex <= pdfMovingIndexMax ) {
 842     *(pdfPtr++) += static_cast<PDFValueType>( m_CubicBSplineKernel
 843                    ->Evaluate(
 844                      movingImageParzenWindowArg ) );
 845
 846     if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives || this->m_ImplicitDerivativesSecondPass ) {
 847       // Compute the cubicBSplineDerivative for later repeated use.
 848       double cubicBSplineDerivativeValue =
 849         m_CubicBSplineDerivativeKernel->Evaluate( movingImageParzenWindowArg );
 850
 851       // Compute PDF derivative contribution.
 852       this->ComputePDFDerivatives( threadID,
 853                                    fixedImageSample,
 854                                    pdfMovingIndex,
 855                                    movingImageGradientValue,
 856                                    cubicBSplineDerivativeValue );
 857     }
 858
 859     movingImageParzenWindowArg += 1;
 860     ++pdfMovingIndex;
 861   }
 862
 863   return true;
 864 }
 865
 866 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 867 inline void
 868 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 869 ::GetValueAndDerivativeThreadPostProcess( ThreadIdType threadID,
 870     bool withinSampleThread ) const
 871 {
 872   this->GetValueThreadPostProcess( threadID, withinSampleThread );
 873
 874   if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
 875     const unsigned int rowSize = this->m_NumberOfParameters * m_NumberOfHistogramBins;
 876
 877     const unsigned int maxI =
 878       rowSize * ( m_ThreaderJointPDFEndBin[threadID]
 879                   - m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID] + 1 );
 880
 881     JointPDFDerivativesValueType *pdfDPtr;
 882     JointPDFDerivativesValueType *pdfDPtrStart;
 883     pdfDPtrStart = m_JointPDFDerivatives->GetBufferPointer()
 884                    + ( m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID] * rowSize );
 885     JointPDFDerivativesValueType *tPdfDPtr;
 886     JointPDFDerivativesValueType *tPdfDPtrEnd;
 887     unsigned int tPdfDPtrOffset;
 888     tPdfDPtrOffset = m_ThreaderJointPDFStartBin[threadID] *  rowSize;
 889     for(unsigned int t=0; t<this->m_NumberOfThreads-1; t++) {
 890       pdfDPtr = pdfDPtrStart;
 891       tPdfDPtr = m_ThreaderJointPDFDerivatives[t]->GetBufferPointer()
 892                  + tPdfDPtrOffset;
 893       tPdfDPtrEnd = tPdfDPtr + maxI;
 894       // for(i = 0; i < maxI; i++)
 895       while(tPdfDPtr < tPdfDPtrEnd) {
 896         *(pdfDPtr++) += *(tPdfDPtr++);
 897       }
 898     }
 899
 900     double nFactor = 1.0 / (m_MovingImageBinSize
 901                             * this->m_NumberOfPixelsCounted);
 902
 903     pdfDPtr = pdfDPtrStart;
 904     tPdfDPtrEnd = pdfDPtrStart + maxI;
 905     //for(int i = 0; i < maxI; i++)
 906     while(pdfDPtr < tPdfDPtrEnd) {
 907       *(pdfDPtr++) *= nFactor;
 908     }
 909   }
 910 }
 911
 912 /**
 913  * Get the both Value and Derivative Measure
 914  */
 915 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
 916 void
 917 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
 918 ::GetValueAndDerivative( const ParametersType & parameters,
 919                          MeasureType & value,
 920                          DerivativeType & derivative) const
 921 {
 922   // Set output values to zero
 923   value = NumericTraits< MeasureType >::Zero;
 924
 925   if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
 926     // Set output values to zero
 927     if(derivative.GetSize() != this->m_NumberOfParameters) {
 928       derivative = DerivativeType( this->m_NumberOfParameters );
 929     }
 930     memset( derivative.data_block(),
 931             0,
 932             this->m_NumberOfParameters * sizeof(double) );
 933   } else {
 934     this->m_PRatioArray.Fill( 0.0 );
 935     this->m_MetricDerivative.Fill( NumericTraits< MeasureType >::Zero );
 936     for(ThreadIdType threadID = 0; threadID < this->m_NumberOfThreads-1; threadID++ ) {
 937       this->m_ThreaderMetricDerivative[threadID].Fill( NumericTraits< MeasureType >::Zero );
 938     }
 939     this->m_ImplicitDerivativesSecondPass = false;
 940   }
 941
 942   // Set up the parameters in the transform
 943   this->m_Transform->SetParameters( parameters );
 944 #if ITK_VERSION_MAJOR < 4
 945   this->m_Parameters = parameters;
 946 #endif
 947
 948   // MUST BE CALLED TO INITIATE PROCESSING ON SAMPLES
 949   this->GetValueAndDerivativeMultiThreadedInitiate();
 950
 951   // CALL IF DOING THREADED POST PROCESSING
 952   this->GetValueAndDerivativeMultiThreadedPostProcessInitiate();
 953
 954   for(ThreadIdType threadID = 0; threadID<this->m_NumberOfThreads-1; threadID++) {
 955     m_JointPDFSum += m_ThreaderJointPDFSum[threadID];
 956   }
 957   if ( m_JointPDFSum == 0.0 ) {
 958     itkExceptionMacro( "Joint PDF summed to zero" );
 959   }
 960
 961   memset( m_MovingImageMarginalPDF,
 962           0,
 963           m_NumberOfHistogramBins*sizeof(PDFValueType) );
 964
 965   JointPDFValueType * pdfPtr;
 966   PDFValueType * movingMarginalPtr;
 967   unsigned int i, j;
 968   double fixedPDFSum = 0.0;
 969   const double normalizationFactor = 1.0 / m_JointPDFSum;
 970
 971   pdfPtr = m_JointPDF->GetBufferPointer();
 972   for(i=0; i<m_NumberOfHistogramBins; i++) {
 973     fixedPDFSum += m_FixedImageMarginalPDF[i];
 974     movingMarginalPtr = m_MovingImageMarginalPDF;
 975     for(j=0; j<m_NumberOfHistogramBins; j++) {
 976       *(pdfPtr) *= normalizationFactor;
 977       *(movingMarginalPtr++) += *(pdfPtr++);
 978     }
 979   }
 980
 981   if( this->m_NumberOfPixelsCounted <
 982       this->m_NumberOfFixedImageSamples / 16 ) {
 983     itkExceptionMacro( "Too many samples map outside moving image buffer: "
 984                        << this->m_NumberOfPixelsCounted << " / "
 985                        << this->m_NumberOfFixedImageSamples
 986                        << std::endl );
 987   }
 988
 989   // Normalize the fixed image marginal PDF
 990   if ( fixedPDFSum == 0.0 ) {
 991     itkExceptionMacro( "Fixed image marginal PDF summed to zero" );
 992   }
 993   for( unsigned int bin=0; bin < m_NumberOfHistogramBins; bin++ ) {
 994     m_FixedImageMarginalPDF[bin] /= fixedPDFSum;
 995   }
 996
 997   /**
 998    * Compute the metric by double summation over histogram.
 999    */
1000
1001   // Setup pointer to point to the first bin
1002   JointPDFValueType * jointPDFPtr = m_JointPDF->GetBufferPointer();
1003
1004   // Initialize sum to zero
1005   double sum = 0.0;
1006
1007   const double nFactor = 1.0 / (m_MovingImageBinSize
1008                                 * this->m_NumberOfPixelsCounted);
1009
1010   for( unsigned int fixedIndex = 0;
1011        fixedIndex < m_NumberOfHistogramBins;
1012        ++fixedIndex ) {
1013     double fixedImagePDFValue = m_FixedImageMarginalPDF[fixedIndex];
1014
1015     for( unsigned int movingIndex = 0;
1016          movingIndex < m_NumberOfHistogramBins;
1017          ++movingIndex, jointPDFPtr++ ) {
1018       double movingImagePDFValue = m_MovingImageMarginalPDF[movingIndex];
1019       double jointPDFValue = *(jointPDFPtr);
1020
1021       // check for non-zero bin contribution
1022       if( jointPDFValue > 1e-16 &&  movingImagePDFValue > 1e-16 ) {
1023
1024         double pRatio = vcl_log(jointPDFValue / movingImagePDFValue );
1025
1026         if( fixedImagePDFValue > 1e-16) {
1027           sum += jointPDFValue * ( pRatio - vcl_log(fixedImagePDFValue ) );
1028         }
1029
1030         if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
1031           // move joint pdf derivative pointer to the right position
1032           JointPDFValueType * derivPtr = m_JointPDFDerivatives->GetBufferPointer()
1033                                          + ( fixedIndex  * m_JointPDFDerivatives->GetOffsetTable()[2] )
1034                                          + ( movingIndex * m_JointPDFDerivatives->GetOffsetTable()[1] );
1035
1036           for( unsigned int parameter=0; parameter < this->m_NumberOfParameters; ++parameter, derivPtr++ ) {
1037
1038             // Ref: eqn 23 of Thevenaz & Unser paper [3]
1039             derivative[parameter] -= (*derivPtr) * pRatio;
1040
1041           }  // end for-loop over parameters
1042         } else {
1043           this->m_PRatioArray[fixedIndex][movingIndex] = pRatio * nFactor;
1044         }
1045       }  // end if-block to check non-zero bin contribution
1046     }  // end for-loop over moving index
1047   }  // end for-loop over fixed index
1048
1049   if( !(this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) ) {
1050     // Second pass: This one is done for accumulating the contributions
1051     //              to the derivative array.
1052     //
1053     this->m_ImplicitDerivativesSecondPass = true;
1054     //
1055     // MUST BE CALLED TO INITIATE PROCESSING ON SAMPLES
1056     this->GetValueAndDerivativeMultiThreadedInitiate();
1057
1058     // CALL IF DOING THREADED POST PROCESSING
1059     this->GetValueAndDerivativeMultiThreadedPostProcessInitiate();
1060
1061     // Consolidate the contributions from each one of the threads to the total
1062     // derivative.
1063     for(unsigned int t = 0; t < this->m_NumberOfThreads-1; t++ ) {
1064       DerivativeType * source = &(this->m_ThreaderMetricDerivative[t]);
1065       for(unsigned int pp=0; pp < this->m_NumberOfParameters; pp++ ) {
1066         this->m_MetricDerivative[pp] += (*source)[pp];
1067       }
1068     }
1069
1070     derivative = this->m_MetricDerivative;
1071   }
1072
1073   value = static_cast<MeasureType>( -1.0 * sum );
1074
1075 }
1076
1077 /**
1078  * Get the match measure derivative
1079  */
1080 template < class TFixedImage, class TMovingImage  >
1081 void
1082 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
1083 ::GetDerivative( const ParametersType & parameters,
1084                  DerivativeType & derivative ) const
1085 {
1086   MeasureType value;
1087   // call the combined version
1088   this->GetValueAndDerivative( parameters, value, derivative );
1089 }
1090
1091
1092 /**
1093  * Compute PDF derivatives contribution for each parameter
1094  */
1095 template < class TFixedImage, class TMovingImage >
1096 void
1097 MattesMutualInformationImageToImageMetricFor3DBLUTFFD<TFixedImage,TMovingImage>
1098 ::ComputePDFDerivatives( ThreadIdType threadID,
1099                          unsigned int sampleNumber,
1100                          int pdfMovingIndex,
1101                          const ImageDerivativesType & movingImageGradientValue,
1102                          double cubicBSplineDerivativeValue ) const
1103 {
1104   // Update bins in the PDF derivatives for the current intensity pair
1105   // Could pre-compute
1106   JointPDFDerivativesValueType * derivPtr;
1107
1108   double precomputedWeight = 0.0;
1109
1110   const int pdfFixedIndex = this->m_FixedImageSamples[sampleNumber].valueIndex;
1111
1112   DerivativeType * derivativeHelperArray = NULL;
1113
1114   if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
1115     if(threadID > 0) {
1116       derivPtr = m_ThreaderJointPDFDerivatives[threadID-1]->GetBufferPointer()
1117                  + ( pdfFixedIndex  * m_JointPDFDerivatives->GetOffsetTable()[2] )
1118                  + ( pdfMovingIndex * m_JointPDFDerivatives->GetOffsetTable()[1] );
1119     } else {
1120       derivPtr = m_JointPDFDerivatives->GetBufferPointer()
1121                  + ( pdfFixedIndex  * m_JointPDFDerivatives->GetOffsetTable()[2] )
1122                  + ( pdfMovingIndex * m_JointPDFDerivatives->GetOffsetTable()[1] );
1123     }
1124   } else {
1125     derivPtr = 0;
1126     // Recover the precomputed weight for this specific PDF bin
1127     precomputedWeight = this->m_PRatioArray[pdfFixedIndex][pdfMovingIndex];
1128     if(threadID > 0) {
1129       derivativeHelperArray = &(this->m_ThreaderMetricDerivative[threadID-1]);
1130     } else {
1131       derivativeHelperArray = &(this->m_MetricDerivative);
1132     }
1133
1134   }
1135
1136   if( !this->m_TransformIsBSpline ) {
1137     /**
1138      * Generic version which works for all transforms.
1139      */
1140
1141     // Compute the transform Jacobian.
1142     // Should pre-compute
1143     typedef typename TransformType::JacobianType JacobianType;
1144
1145     // Need to use one of the threader transforms if we're
1146     // not in thread 0.
1147     //
1148     // Use a raw pointer here to avoid the overhead of smart pointers.
1149     // For instance, Register and UnRegister have mutex locks around
1150     // the reference counts.
1151     TransformType* transform;
1152
1153     if (threadID > 0) {
1154       transform = this->m_ThreaderTransform[threadID - 1];
1155     } else {
1156       transform = this->m_Transform;
1157     }
1158
1159 #if ITK_VERSION_MAJOR >= 4
1160     JacobianType jacobian;
1161     transform->ComputeJacobianWithRespectToParameters(this->m_FixedImageSamples[sampleNumber].point, jacobian);
1162 #else
1163     const JacobianType& jacobian =
1164       transform->GetJacobian( this->m_FixedImageSamples[sampleNumber].point );
1165 #endif
1166
1167     //     for ( unsigned int mu = 0; mu < this->m_NumberOfParameters; mu++ )
1168     //       {
1169     //       double innerProduct = 0.0;
1170     //       for ( unsigned int dim = 0; dim < Superclass::FixedImageDimension; dim++ )
1171     //         {
1172     //         innerProduct += jacobian[dim][mu] * movingImageGradientValue[dim];
1173     //         }
1174
1175     //       const double derivativeContribution = innerProduct * cubicBSplineDerivativeValue;
1176
1177     //       if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives )
1178     //         {
1179     //         *(derivPtr) -= derivativeContribution;
1180     //         ++derivPtr;
1181     //         }
1182     //       else
1183     //         {
1184     //         (*derivativeHelperArray)[mu] += precomputedWeight * derivativeContribution;
1185     //         }
1186     //       }
1187     //    }
1188     // JV
1189     unsigned int mu, dim;
1190     double innerProduct,derivativeContribution;
1191     for ( mu = 0; mu < this->m_NumberOfParameters; mu+=3 ) {
1192       // JV only for 3D Space BLUT FFD: if J(0, par)=0, then J(1,par+1)=0 & ...
1193       if (jacobian[0][mu])
1194         for ( dim = 0; dim < Superclass::FixedImageDimension; dim++ ) {
1195           innerProduct = jacobian[dim][mu+dim] * movingImageGradientValue[dim];
1196           derivativeContribution = innerProduct * cubicBSplineDerivativeValue;
1197
1198           if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
1199             *(derivPtr) -= derivativeContribution;
1200             ++derivPtr;
1201           } else {
1202             (*derivativeHelperArray)[mu+dim] += precomputedWeight * derivativeContribution;
1203           }
1204         }
1205       else  if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) derivPtr+=3;
1206     }
1207   } else {
1208     const WeightsValueType * weights = NULL;
1209     const IndexValueType   * indices = NULL;
1210
1211
1212     BSplineTransformWeightsType    * weightsHelper = NULL;
1213     BSplineTransformIndexArrayType * indicesHelper = NULL;
1214
1215     if( this->m_UseCachingOfBSplineWeights ) {
1216       //
1217       // If the transform is of type BSplineDeformableTransform, we can obtain
1218       // a speed up by only processing the affected parameters.  Note that
1219       // these pointers are just pointing to pre-allocated rows of the caching
1220       // arrays. There is therefore, no need to free this memory.
1221       //
1222       weights = this->m_BSplineTransformWeightsArray[sampleNumber];
1223       indices = this->m_BSplineTransformIndicesArray[sampleNumber];
1224     } else {
1225       if( threadID > 0 ) {
1226         weightsHelper = &(this->m_ThreaderBSplineTransformWeights[threadID-1]);
1227         indicesHelper = &(this->m_ThreaderBSplineTransformIndices[threadID-1]);
1228       } else {
1229         weightsHelper = &(this->m_BSplineTransformWeights);
1230         indicesHelper = &(this->m_BSplineTransformIndices);
1231       }
1232
1233 #if ITK_VERSION_MAJOR >= 4
1234       this->m_BSplineTransform->ComputeJacobianFromBSplineWeightsWithRespectToPosition(
1235         this->m_FixedImageSamples[sampleNumber].point,
1236         *weightsHelper, *indicesHelper );
1237 #else
1238       this->m_BSplineTransform->GetJacobian(
1239         this->m_FixedImageSamples[sampleNumber].point,
1240         *weightsHelper, *indicesHelper );
1241 #endif
1242     }
1243
1244     for( unsigned int dim = 0; dim < Superclass::FixedImageDimension; dim++ ) {
1245
1246       double innerProduct;
1247       int parameterIndex;
1248
1249       for( unsigned int mu = 0; mu < this->m_NumBSplineWeights; mu++ ) {
1250
1251         /* The array weights contains the Jacobian values in a 1-D array
1252          * (because for each parameter the Jacobian is non-zero in only 1 of the
1253          * possible dimensions) which is multiplied by the moving image
1254          * gradient. */
1255         if( this->m_UseCachingOfBSplineWeights ) {
1256           innerProduct = movingImageGradientValue[dim] * weights[mu];
1257           parameterIndex = indices[mu] + this->m_BSplineParametersOffset[dim];
1258         } else {
1259           innerProduct = movingImageGradientValue[dim] * (*weightsHelper)[mu];
1260           parameterIndex = (*indicesHelper)[mu] + this->m_BSplineParametersOffset[dim];
1261         }
1262
1263         const double derivativeContribution = innerProduct * cubicBSplineDerivativeValue;
1264
1265         if( this->m_UseExplicitPDFDerivatives ) {
1266           JointPDFValueType * ptr = derivPtr + parameterIndex;
1267           *(ptr) -= derivativeContribution;
1268         } else {
1269           (*derivativeHelperArray)[parameterIndex] += precomputedWeight * derivativeContribution;
1270         }
1271
1272       } //end mu for loop
1273     } //end dim for loop
1274
1275   } // end if-block transform is BSpline
1276
1277 }
1278
1279
1280 } // end namespace itk
1281
1282
1283 #endif