Use two radius in the configuration, one computed with the image resolution and one...
[master-thesis.git] / Parasitemia / Parasitemia / Ellipse.fs
index 5bfcc33..be35940 100644 (file)
@@ -2,33 +2,35 @@
 
 open System
 open System.Collections.Generic
+open System.Drawing
 
 open Emgu.CV
 open Emgu.CV.Structure
 
 open Utils
+open Config
 open MatchingEllipses
-
+open Const
 
 type private SearchExtremum = Minimum | Maximum
-    
+
 let private goldenSectionSearch (f: float -> float) (nbIter: int) (xmin: float) (xmax: float) (searchExtremum: SearchExtremum) : (float * float) =
-    let gr = 1.0 / 1.6180339887498948482
+    let gr = 1. / 1.6180339887498948482
     let mutable a = xmin
     let mutable b = xmax
     let mutable c = b - gr * (b - a)
     let mutable d = a + gr * (b - a)
-    
+
     for i in 1 .. nbIter do
         let mutable fc = f c
         let mutable fd = f d
-        
+
         if searchExtremum = Maximum
         then
             let tmp = fc
             fc <- fd
             fd <- tmp
-        
+
         if fc < fd
         then
             b <- d
@@ -38,232 +40,254 @@ let private goldenSectionSearch (f: float -> float) (nbIter: int) (xmin: float)
             a <- c
             c <- d
             d <- a + gr * (b - a)
-    
-    let x = (b + a) / 2.0
+
+    let x = (b + a) / 2.
     x, f x
 
+// Ellipse.A is always equal or greater than Ellipse.B.
+// Ellipse.Alpha is between 0 and Pi.
 let ellipse (p1x: float) (p1y: float) (m1: float) (p2x: float) (p2y: float) (m2: float) (p3x: float) (p3y: float) : Types.Ellipse option =
-    let accuracy_extremum_search_1 = 4
-    let accuracy_extremum_search_2 = 3
+    let accuracy_extremum_search_1 = 10 // 3
+    let accuracy_extremum_search_2 = 10 // 4
 
     // p3 as the referencial.
     let p1x = p1x - p3x
     let p1y = p1y - p3y
-    
+
     let p2x = p2x - p3x
     let p2y = p2y - p3y
-        
+
     // Convert to polar coordinates.
     let alpha1 = atan m1
     let alpha2 = atan m2
-    
-    let r1 = sqrt (p1x**2.0 + p1y**2.0)
+
+    let r1 = sqrt (p1x ** 2. + p1y ** 2.)
     let theta1 = atan2 p1y p1x
 
-    let r2 = sqrt (p2x**2.0 + p2y**2.0)
+    let r2 = sqrt (p2x ** 2. + p2y ** 2.)
     let theta2 = atan2 p2y p2x
 
-    let valid = 
-        4.0 * sin (alpha1 - theta1) * (-r1 * sin (alpha1 - theta1) + r2 * sin (alpha1 - theta2)) * 
+    let valid =
+        4. * sin (alpha1 - theta1) * (-r1 * sin (alpha1 - theta1) + r2 * sin (alpha1 - theta2)) *
         sin (alpha2 - theta2) * (-r1 * sin (alpha2 - theta1) + r2 * sin (alpha2 - theta2)) +
-        r1 * r2 * sin (alpha1 - alpha2) **2.0 * sin (theta1 - theta2) **2.0 < 0.0
-    
+        r1 * r2 * sin (alpha1 - alpha2) ** 2. * sin (theta1 - theta2) ** 2. < 0.
+
     if valid
     then
-        let r theta = 
+        let r theta =
             (r1 * r2 * (r1 * (cos (alpha2 + theta - theta1 - theta2) - cos (alpha2 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha1 - theta1) + r2 * (-cos (alpha1 + theta - theta1 - theta2) + cos (alpha1 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha2 - theta2)) * sin (theta1 - theta2)) /
-            (sin (alpha1 - theta1) * sin (alpha2 - theta2) * (r1 * sin (theta - theta1) - r2 * sin (theta - theta2))**2.0 - r1 * r2 * sin (alpha1 - theta) * sin (alpha2 - theta) * sin (theta1 - theta2)**2.0)
-                
+            (sin (alpha1 - theta1) * sin (alpha2 - theta2) * (r1 * sin (theta - theta1) - r2 * sin (theta - theta2)) ** 2. - r1 * r2 * sin (alpha1 - theta) * sin (alpha2 - theta) * sin (theta1 - theta2) ** 2.)
+
         let rabs = r >> abs
-        
+
         // We search for an interval [theta_a, theta_b] and assume the function is unimodal in this interval.
-        let thetaTan, _ = goldenSectionSearch rabs accuracy_extremum_search_1 0.0 Math.PI Maximum
+        let thetaTan, _ = goldenSectionSearch rabs accuracy_extremum_search_1 0. Math.PI Maximum
         let rTan = r thetaTan
-                        
+
         let PTanx = rTan * cos thetaTan
         let PTany = rTan * sin thetaTan
-        
+
         let d1a = tan alpha1
         let d1b = -d1a * p1x + p1y
-        
+
         let d2a = tan alpha2
         let d2b = -d2a * p2x + p2y
-        
-        let d3a = -1.0 / tan thetaTan
+
+        let d3a = -1. / tan thetaTan
         let d3b = -d3a * PTanx + PTany
-        
+
         let Ux = -(d1b - d2b) / (d1a - d2a)
         let Uy = -(d2a * d1b - d1a * d2b) / (d1a - d2a)
-        
+
         let Vx = -(d1b - d3b) / (d1a - d3a)
         let Vy = -(d3a * d1b - d1a * d3b) / (d1a - d3a)
-        
-        let Wx = p1x + (p2x - p1x) / 2.0
-        let Wy = p1y + (p2y - p1y) / 2.0
-        
-        let Zx = p1x + (PTanx - p1x) / 2.0
-        let Zy = p1y + (PTany - p1y) / 2.0
-        
+
+        let Wx = p1x + (p2x - p1x) / 2.
+        let Wy = p1y + (p2y - p1y) / 2.
+
+        let Zx = p1x + (PTanx - p1x) / 2.
+        let Zy = p1y + (PTany - p1y) / 2.
+
         let va = -(-Vy + Zy) / (Vx - Zx)
         let vb = -(Zx * Vy - Vx * Zy) / (Vx - Zx)
-        
+
         let ua = -(-Uy + Wy) / (Ux - Wx)
         let ub = -(Wx * Uy - Ux * Wy) / (Ux - Wx)
-        
+
         let cx = -(vb - ub) / (va - ua)
         let cy = -(ua * vb - va * ub) / (va - ua)
-        
-        let rc = sqrt (cx**2.0 + cy**2.0)
+
+        let rc = sqrt (cx ** 2. + cy ** 2.)
         let psi = atan2 cy cx
-        
-        let rellipse theta = 
+
+        let rellipse theta =
             sqrt (
-                rc**2.0 + (r1**2.0 * r2**2.0 * (r1 * (cos (alpha2 + theta - theta1 - theta2) - cos (alpha2 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha1 - theta1) + r2 * (-cos (alpha1 + theta - theta1 - theta2) + cos (alpha1 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha2 - theta2))**2.0 * sin (theta1 - theta2)**2.0) /
-                (sin (alpha1 - theta1) * sin (alpha2 - theta2) * (r1 * sin (theta - theta1) - r2 * sin (theta - theta2))**2.0 - r1 * r2 * sin (alpha1 - theta) * sin (alpha2 - theta) * sin (theta1 - theta2)**2.0)**2.0 -
-                (2.0 * r1 * r2 * rc * cos (theta - psi) * (r1 * (cos (alpha2 + theta - theta1 - theta2) - cos (alpha2 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha1 - theta1) + r2 * (-cos (alpha1 + theta - theta1 - theta2) + cos (alpha1 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha2 - theta2)) * sin (theta1 - theta2)) /
-                (sin (alpha1 - theta1) * sin (alpha2 - theta2) * (r1 * sin (theta - theta1) - r2 * sin (theta - theta2))**2.0 - r1 * r2 * sin (alpha1 - theta) * sin (alpha2 - theta) * sin (theta1 - theta2)**2.0))
-                        
-        // We search for an interval [theta_a, theta_b] and assume the function is unimodal in this interval.             
-        let r1eTheta, r1e = goldenSectionSearch rellipse accuracy_extremum_search_2 0.0 (Math.PI / 2.0) Maximum // Pi/2 and not pi because the period is Pi.
-        let r2eTheta, r2e = goldenSectionSearch rellipse accuracy_extremum_search_2 0.0 (Math.PI / 2.0) Minimum
-                
+                rc ** 2. + (r1 ** 2. * r2 ** 2. * (r1 * (cos (alpha2 + theta - theta1 - theta2) - cos (alpha2 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha1 - theta1) + r2 * (-cos (alpha1 + theta - theta1 - theta2) + cos (alpha1 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha2 - theta2)) ** 2. * sin (theta1 - theta2) ** 2.) /
+                (sin (alpha1 - theta1) * sin (alpha2 - theta2) * (r1 * sin (theta - theta1) - r2 * sin (theta - theta2)) ** 2. - r1 * r2 * sin (alpha1 - theta) * sin (alpha2 - theta) * sin (theta1 - theta2) ** 2.) ** 2. -
+                (2. * r1 * r2 * rc * cos (theta - psi) * (r1 * (cos (alpha2 + theta - theta1 - theta2) - cos (alpha2 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha1 - theta1) + r2 * (-cos (alpha1 + theta - theta1 - theta2) + cos (alpha1 - theta) * cos (theta1 - theta2)) * sin (alpha2 - theta2)) * sin (theta1 - theta2)) /
+                (sin (alpha1 - theta1) * sin (alpha2 - theta2) * (r1 * sin (theta - theta1) - r2 * sin (theta - theta2)) ** 2. - r1 * r2 * sin (alpha1 - theta) * sin (alpha2 - theta) * sin (theta1 - theta2) ** 2.))
+
+        // We search for an interval [theta_a, theta_b] and assume the function is unimodal in this interval.
+        let r1eTheta, r1e = goldenSectionSearch rellipse accuracy_extremum_search_2 0. (Math.PI / 2.) Maximum // Pi/2 and not pi because the period is Pi.
+        let r2eTheta, r2e = goldenSectionSearch rellipse accuracy_extremum_search_2 0. (Math.PI / 2.) Minimum
+
         let rr1e = r r1eTheta
         let r1ex = rr1e * cos r1eTheta
         let r1ey = rr1e * sin r1eTheta
         let mutable alpha = atan ((r1ey - cy) / (r1ex - cx))
-        if alpha < 0.0
+        if alpha < 0.
         then
-           alpha <- alpha + Math.PI 
-        
+           alpha <- alpha + Math.PI
+
         // Ride off the p3 referential.
         let cx = cx + p3x
         let cy = cy + p3y
 
-        Some (Types.Ellipse(cx, cy, r1e, r2e, alpha))
+        Some (Types.Ellipse(float32 cx, float32 cy, float32 r1e, float32 r2e, float32 alpha))
     else
         None
 
 
-let private vectorRotation (p1x: float) (p1y: float) (v1x: float) (v1y: float) (px: float) (py: float) : float =
-    let mutable rotation = 1.0
+let private vectorRotation (p1x: float32) (p1y: float32) (v1x: float32) (v1y: float32) (px: float32) (py: float32) : float32 =
+    let mutable rotation = 1.f
     if p1y > py
     then
-        if v1x > 0.0
+        if v1x > 0.f
         then
-            rotation <- -1.0
-    elif p1y < py        
+            rotation <- -1.f
+    elif p1y < py
     then
-        if v1x < 0.
+        if v1x < 0.f
         then
-            rotation <- -1.0
+            rotation <- -1.f
     elif p1x > px
     then
-        if v1y < 0.0
+        if v1y < 0.f
         then
-            rotation <- -1.0
-    elif p1x < px              
+            rotation <- -1.f
+    elif p1x < px
     then
-        if v1y > 0.
+        if v1y > 0.f
         then
-            rotation <- -1.0
+            rotation <- -1.f
     rotation
 
 
-let private areVectorsValid (p1x: float) (p1y: float) (p2x: float) (p2y: float) (v1x: float) (v1y: float) (v2x: float) (v2y: float) : (float * float) option =
+let private areVectorsValid (p1x: float32) (p1y: float32) (p2x: float32) (p2y: float32) (v1x: float32) (v1y: float32) (v2x: float32) (v2y: float32) : (float32 * float32) option =
     let m1 = -v1x / v1y
     let m2 = -v2x / v2y
-    
+
     let b1 = -m1 * p1x + p1y
     let b2 = -m2 * p2x + p2y
-    let px = -((b1 - b2)/(m1 - m2))
-    let py = -((m2 * b1 - m1 * b2)/(m1 - m2))
-    
+    let px = -((b1 - b2) / (m1 - m2))
+    let py = -((m2 * b1 - m1 * b2) / (m1 - m2))
+
     let rot1 = vectorRotation p1x p1y v1x v1y px py
     let rot2 = vectorRotation p2x p2y v2x v2y px py
-    
-    if rot1 = rot2 || rot1 * atan2 (p1y - py) (p1x - px) + rot2 * atan2 (p2y - py) (p2x - px) <= 0.0
+
+    if rot1 = rot2
     then
         None
     else
+        let alpha1 = atan2 (p1y - py) (p1x - px)
+        let alpha2 = atan2 (p2y - py) (p2x - px)
+
+        let alpha1' = if alpha1 < 0.f then 2.f * PI + alpha1 else alpha1
+        let alpha2' = if alpha2 < 0.f then 2.f * PI + alpha2 else alpha2
+
+        let diff = rot1 * alpha1' + rot2 * alpha2'
+
+        if diff > PI || (diff < 0.f && diff > -PI)
+        then
+            None
+        else
         Some (m1, m2)
 
 
 let find (edges: Matrix<byte>)
-         (xDir: Image<Gray, float>) 
-         (yDir: Image<Gray, float>) 
-         (radiusRange: float * float) 
-         (windowSize: int) 
-         (factorNbPick: float) : Types.Ellipse list =
+         (xGradient: Image<Gray, float32>)
+         (yGradient: Image<Gray, float32>)
+         (config: Config) : MatchingEllipses =
+
+    let r1, r2 = config.RBCRadius.Min, config.RBCRadius.Max
+    let incrementWindowDivisor = 4.f
+
+    // We choose a window size for which the biggest ellipse can always be fitted in.
+    let windowSize = roundInt (2.f * r2 / (incrementWindowDivisor - 1.f) * incrementWindowDivisor)
+    let factorNbPick = config.Parameters.factorNbPick
 
-    let increment = windowSize / 4
+    let increment = windowSize / (int incrementWindowDivisor)
 
-    let r1, r2 = radiusRange
-    let radiusTolerance = (r2 - r1) * 0.2
+    let radiusTolerance = (r2 - r1) * 0.2f
 
-    let minimumDistance = (r2 / 1.5) ** 2.0
-    let squaredDistance x1 y1 x2 y2 = (x1 - x2) ** 2.0 + (y1 - y2) ** 2.0
+    let squaredMinimumDistance = (float r2 / 1.5) ** 2.
+    let inline squaredDistance x1 y1 x2 y2 = (x1 - x2) ** 2. + (y1 - y2) ** 2.
 
     let h = edges.Height
     let w = edges.Width
-    
+    let h_f = float32 h
+    let w_f = float32 w
+
     let mutable last_i, last_j = Int32.MaxValue, Int32.MaxValue
 
-    let currentElements = List<(int * int)>()
+    let currentElements = List<Point>()
 
     let edgesData = edges.Data
-    let xDirData = xDir.Data
-    let yDirData = yDir.Data
+    let xDirData = xGradient.Data
+    let yDirData = yGradient.Data
 
     let rng = Random(42)
-    
+
     let ellipses = MatchingEllipses(r1)
-        
-    for window_i in -windowSize + increment .. increment .. h - increment do                                                  
-        for window_j in -windowSize + increment .. increment .. w - increment do            
-                
+
+    for window_i in -windowSize + increment .. increment .. h - increment do
+        for window_j in -windowSize + increment .. increment .. w - increment do
+
             let window_i_begin = if window_i < 0 then 0 else window_i
             let window_i_end = if window_i + windowSize - 1 >= h then h - 1 else window_i + windowSize - 1
             let window_j_begin = if window_j < 0 then 0 else window_j
             let window_j_end = if window_j + windowSize - 1 >= w then w - 1 else window_j + windowSize - 1
 
             // Remove old elements.
-            let indexFirstElement = currentElements.FindIndex(fun (_, pj) -> pj >= window_j)
+            let indexFirstElement = currentElements.FindIndex(fun p -> p.X >= window_j_begin)
             if indexFirstElement > 0
             then currentElements.RemoveRange(0, indexFirstElement)
 
             // Add the new elements.
-            for j in window_j + windowSize - increment .. window_j + windowSize - 1  do
+            let newElemsBegin_j = window_j + windowSize - increment
+            let newElemsEnd_j = window_j + windowSize - 1
+            for j in (if newElemsBegin_j < 0 then 0 else newElemsBegin_j) .. (if newElemsEnd_j >= w then w - 1 else newElemsEnd_j) do
                 for i in window_i_begin .. window_i_end do
-                    if j >= 0 && j < w && edgesData.[i, j] = 1uy
-                    then currentElements.Add((i, j))
+                    if edgesData.[i, j] = 1uy
+                    then currentElements.Add(Point(j, i))
 
             if currentElements.Count >= 10
             then
                 let mutable nbOfPicks = (float currentElements.Count) * factorNbPick |> int
                 while nbOfPicks > 0 do
-                    let (p1y, p1x) as p1 = currentElements.[rng.Next(currentElements.Count)]
-                    let (p2y, p2x) as p2 = currentElements.[rng.Next(currentElements.Count)]
-                    let (p3y, p3x) as p3 = currentElements.[rng.Next(currentElements.Count)]
+                    let p1 = currentElements.[rng.Next(currentElements.Count)]
+                    let p2 = currentElements.[rng.Next(currentElements.Count)]
+                    let p3 = currentElements.[rng.Next(currentElements.Count)]
                     if p1 <> p2 && p1 <> p3 && p2 <> p3
                     then
                         nbOfPicks <- nbOfPicks - 1
-                        let p1yf, p1xf = float p1y, float p1x
-                        let p2yf, p2xf = float p2y, float p2x
-                        let p3yf, p3xf = float p3y, float p3x
-                        if squaredDistance p1xf p1yf p2xf p2yf >= minimumDistance &&
-                           squaredDistance p1xf p1yf p3xf p3yf >= minimumDistance &&
-                           squaredDistance p2xf p2yf p3xf p3yf >= minimumDistance
+                        let p1yf, p1xf = float p1.Y, float p1.X
+                        let p2yf, p2xf = float p2.Y, float p2.X
+                        let p3yf, p3xf = float p3.Y, float p3.X
+                        if squaredDistance p1xf p1yf p2xf p2yf >= squaredMinimumDistance &&
+                           squaredDistance p1xf p1yf p3xf p3yf >= squaredMinimumDistance &&
+                           squaredDistance p2xf p2yf p3xf p3yf >= squaredMinimumDistance
                         then
-                            match areVectorsValid p1xf p1yf p2xf p2yf -xDirData.[p1y, p1x, 0] -yDirData.[p1y, p1x, 0] -xDirData.[p2y, p2x, 0] -yDirData.[p2y, p2x, 0] with
+                            match areVectorsValid (float32 p1xf) (float32 p1yf) (float32 p2xf) (float32 p2yf) -xDirData.[p1.Y, p1.X, 0] -yDirData.[p1.Y, p1.X, 0] -xDirData.[p2.Y, p2.X, 0] -yDirData.[p2.Y, p2.X, 0] with
                             | Some (m1, m2) ->
-                                match ellipse p1xf p1yf m1 p2xf p2yf m2 p3xf p3yf with
-                                | Some e when e.Cx > 0.0 && e.Cx < (float w) - 1.0 && e.Cy > 0.0 && e.Cy < (float h) - 1.0 && 
+                                match ellipse p1xf p1yf (float m1) p2xf p2yf (float m2) p3xf p3yf with
+                                | Some e when e.Cx > 0.f && e.Cx < w_f - 1.f && e.Cy > 0.f && e.Cy < h_f - 1.f &&
                                               e.A >= r1 - radiusTolerance && e.A <= r2 + radiusTolerance && e.B >= r1 - radiusTolerance && e.B <= r2 + radiusTolerance ->
                                      ellipses.Add e
                                 | _ -> ()
                             | _ -> ()
 
         currentElements.Clear()
-        
-    ellipses.Ellipses
+
+    ellipses