Update coding style.
[master-thesis.git] / Parasitemia / ParasitemiaCore / Ellipse.fs
index 520d29d..d0dea6e 100644 (file)
@@ -14,156 +14,33 @@ 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. / 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
-            d <- c
-            c <- b - gr * (b - a)
-        else
-            a <- c
-            c <- d
-            d <- a + gr * (b - a)
-
-    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 = 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. + p1y ** 2.)
-    let theta1 = atan2 p1y p1x
-
-    let r2 = sqrt (p2x ** 2. + p2y ** 2.)
-    let theta2 = atan2 p2y p2x
-
-    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. * sin (theta1 - theta2) ** 2. < 0.
-
-    if valid
-    then
-        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. - 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. 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. / 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.
-        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. + cy ** 2.)
-        let psi = atan2 cy cx
-
-        let rellipse theta =
-            sqrt (
-                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.
-        then
-           alpha <- alpha + Math.PI
-
-        // Ride off the p3 referential.
-        let cx = cx + p3x
-        let cy = cy + p3y
-
-        Some (Types.Ellipse(float32 cx, float32 cy, float32 r1e, float32 r2e, float32 alpha))
-    else
-        None
-
-let ellipse2 (p1x: float) (p1y: float) (m1: float) (p2x: float) (p2y: float) (m2: float) (p3x: float) (p3y: float) : Types.Ellipse option =
-    let p0 = pointFromTwoLines (Types.Line(float32 m1, float32 (p1y - m1 * p1x))) (Types.Line(float32 m2, float32(p2y - m2 * p2x)))
+// This is a ratio of the biggest radius.
+let minimumDistanceBetweenDrawnPoints = 0.6
+
+/// <summary>
+/// Try to build an ellipse from three points and two tangents passing by the first and the second point.
+/// 'Ellipse.A' is always equal or greater than Ellipse.B.
+/// 'Ellipse.Alpha' is between 0 and Pi.
+/// </summary>
+let ellipse (p1x : float) (p1y : float) (m1 : float) (p2x : float) (p2y : float) (m2 : float) (p3x : float) (p3y : float) : Types.Ellipse option =
+    let p0 = pointFromTwoLines (Types.Line (float32 m1, float32 (p1y - m1 * p1x))) (Types.Line (float32 m2, float32(p2y - m2 * p2x)))
     let p0x, p0y = float p0.X, float p0.Y
 
-    let s = matrix [[ 1.;   0.;  0.  ]
-                    [ 0.;   0.; -0.5 ]
-                    [ 0.; -0.5;  0.  ]]
+    let s =
+        matrix
+            [
+                [ 1.;   0.;  0.  ]
+                [ 0.;   0.; -0.5 ]
+                [ 0.; -0.5;  0.  ]
+            ]
 
     let v0 = matrix [[ 1.; p0x; p0y ]]
     let v1 = matrix [[ 1.; p1x; p1y ]]
     let v2 = matrix [[ 1.; p2x; p2y ]]
     let v3 = matrix [[ 1.; p3x; p3y ]]
 
-    let p = (v3.Stack(v1).Stack(v2).Determinant() * v0).Stack(v0.Stack(v3).Stack(v2).Determinant() * v1).Stack(v0.Stack(v1).Stack(v3).Determinant() * v2).Transpose()
-    let conicMat = p * s.Inverse() * p.Transpose()
+    let p = (v3.Stack(v1).Stack(v2).Determinant () * v0).Stack(v0.Stack(v3).Stack(v2).Determinant () * v1).Stack(v0.Stack(v1).Stack(v3).Determinant () * v2).Transpose ()
+    let conicMat = p * s.Inverse () * p.Transpose ()
     let a = conicMat.[0, 0]
     let b = conicMat.[0, 1]
     let c = conicMat.[1, 1]
@@ -176,18 +53,16 @@ let ellipse2 (p1x: float) (p1y: float) (m1: float) (p2x: float) (p2y: float) (m2
     let cy = d / a
 
     let at = c * f - e ** 2. + (e * d - b * f) * cx + (b * e - c * d) * cy
-    if at = 0.
-    then
+    if at = 0. then
         None
     else
         let q = (-1. / at) * (matrix [[ a * f - d ** 2.0; b * d - a * e ]; [ b * d - a * e; a * c - b ** 2.0 ]])
-        let eigen = q.Evd()
+        let eigen = q.Evd ()
         let eigenValues = eigen.EigenValues
         let lambda = eigenValues.[1].Real
         let mu = eigenValues.[0].Real
 
-        if lambda <= 0. || mu <= 0.
-        then
+        if lambda <= 0. || mu <= 0. then
             None
         else
             let r1, r2 = 1. / (sqrt lambda), 1. / (sqrt mu)
@@ -202,81 +77,70 @@ let ellipse2 (p1x: float) (p1y: float) (m1: float) (p2x: float) (p2y: float) (m2
             let phi' = if phi < 0. then phi + Math.PI else phi
             let majorAxis, minorAxis = if r1 > r2 then r1, r2 else r2, r1
 
-            Some (Types.Ellipse(float32 cx, float32 cy, float32 majorAxis, float32 minorAxis, float32 phi'))
-
-
-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.f
-        then
-            rotation <- -1.f
-    elif p1y < py
-    then
-        if v1x < 0.f
-        then
-            rotation <- -1.f
-    elif p1x > px
-    then
-        if v1y < 0.f
-        then
-            rotation <- -1.f
-    elif p1x < px
-    then
-        if v1y > 0.f
-        then
-            rotation <- -1.f
-    rotation
-
-let private areVectorsValid (p1x: float32) (p1y: float32) (p2x: float32) (p2y: float32) (v1x: float32) (v1y: float32) (v2x: float32) (v2y: float32) : (float32 * float32) option =
+            Some (Types.Ellipse (float32 cx, float32 cy, float32 majorAxis, float32 minorAxis, float32 phi'))
+
+let inline private vectorRotation (px : float32) (py : float32) (vx : float32) (vy : float32) (p0x : float32) (p0y : float32) : float32 =
+    if py > p0y then
+        if vx > 0.f then -1.f else 1.f
+    elif py < p0y then
+        if vx < 0.f then -1.f else 1.f
+    elif px > p0x then
+        if vy < 0.f then -1.f else 1.f
+    else // p1x < px
+        if vy > 0.f then -1.f else 1.f
+
+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 p0x = -(b1 - b2) / (m1 - m2)
+    let p0y = -(m2 * b1 - m1 * b2) / (m1 - m2)
 
-    let rot1 = vectorRotation p1x p1y v1x v1y px py
-    let rot2 = vectorRotation p2x p2y v2x v2y px py
+    let rot1 = vectorRotation p1x p1y v1x v1y p0x p0y
+    let rot2 = vectorRotation p2x p2y v2x v2y p0x p0y
 
-    if rot1 = rot2
-    then
+    if rot1 = rot2 then
         None
     else
-        let alpha1 = atan2 (p1y - py) (p1x - px)
-        let alpha2 = atan2 (p2y - py) (p2x - px)
+        let alpha1 =
+            let alpha1' = atan2 (p1y - p0y) (p1x - p0x)
+            if alpha1' < 0.f then 2.f * PI + alpha1' else alpha1'
 
-        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 alpha2 =
+            let alpha2' = atan2 (p2y - p0y) (p2x - p0x)
+            if alpha2' < 0.f then 2.f * PI + alpha2' else alpha2'
 
-        let diff = rot1 * alpha1' + rot2 * alpha2'
+        let diff = rot1 * alpha1 + rot2 * alpha2
 
-        if diff > PI || (diff < 0.f && diff > -PI)
-        then
-            None
+        if diff > PI || (diff < 0.f && diff > -PI) then
+            Some (m1, m2)
         else
-        Some (m1, m2)
-
+            None
 
-let find (edges: Matrix<byte>)
-         (xGradient: Image<Gray, float32>)
-         (yGradient: Image<Gray, float32>)
-         (config: Config) : MatchingEllipses =
+/// <summary>
+/// Build a set of ellipses as a 'MatchingEllipses' object by finding ellipses with the given edges and gradient.
+/// </summary>
+let find (edges : Matrix<byte>)
+         (xGradient : Matrix<float32>)
+         (yGradient : Matrix<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 windowSize = roundInt (2.f * r2)
+    let factorNbValidPick = config.Parameters.factorNbValidPick
+    let factorNbMaxPick = config.Parameters.factorNbMaxPick
+    let nbPickElementsMin = config.Parameters.nbPickElementsMin
 
     let increment = windowSize / (int incrementWindowDivisor)
 
     let radiusTolerance = (r2 - r1) * 0.2f
 
-    let squaredMinimumDistance = (float r2 / 1.5) ** 2.
+    let squaredMinimumDistance = (float config.RBCRadius.Pixel * minimumDistanceBetweenDrawnPoints) ** 2.
     let inline squaredDistance x1 y1 x2 y2 = (x1 - x2) ** 2. + (y1 - y2) ** 2.
 
     let h = edges.Height
@@ -286,15 +150,15 @@ let find (edges: Matrix<byte>)
 
     let mutable last_i, last_j = Int32.MaxValue, Int32.MaxValue
 
-    let currentElements = List<Point>()
+    let currentElements = List<Point> ()
 
     let edgesData = edges.Data
     let xDirData = xGradient.Data
     let yDirData = yGradient.Data
 
-    let rng = Random(42)
+    let rng = Random 42
 
-    let ellipses = MatchingEllipses(config.RBCRadius.Pixel)
+    let ellipses = MatchingEllipses config.RBCRadius.Pixel
 
     for window_i in -windowSize + increment .. increment .. h - increment do
         for window_j in -windowSize + increment .. increment .. w - increment do
@@ -305,27 +169,26 @@ let find (edges: Matrix<byte>)
             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 p -> p.X >= window_j_begin)
-            if indexFirstElement > 0
-            then currentElements.RemoveRange(0, indexFirstElement)
+            let indexFirstElement = currentElements.FindIndex (fun p -> p.X >= window_j_begin)
+            if indexFirstElement > 0 then
+                currentElements.RemoveRange (0, indexFirstElement)
 
             // Add the new elements.
             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 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 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
+            for j = (if newElemsBegin_j < 0 then 0 else newElemsBegin_j) to (if newElemsEnd_j >= w then w - 1 else newElemsEnd_j) do
+                for i = window_i_begin to window_i_end do
+                    if edgesData.[i, j] = 1uy then
+                        currentElements.Add (Point (j, i))
+
+            if currentElements.Count >= nbPickElementsMin then
+                let mutable nbOfPicks = (float currentElements.Count) * factorNbMaxPick |> int
+                let mutable nbOfValidPicks = (float currentElements.Count) * factorNbValidPick |> int
+                while nbOfPicks > 0 && nbOfValidPicks > 0 do
+                    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 p1.Y, float p1.X
                         let p2yf, p2xf = float p2.Y, float p2.X
@@ -334,17 +197,17 @@ let find (edges: Matrix<byte>)
                            squaredDistance p1xf p1yf p3xf p3yf >= squaredMinimumDistance &&
                            squaredDistance p2xf p2yf p3xf p3yf >= squaredMinimumDistance
                         then
-                            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
+                            match areVectorsValid (float32 p1xf) (float32 p1yf) (float32 p2xf) (float32 p2yf) -xDirData.[p1.Y, p1.X] -yDirData.[p1.Y, p1.X] -xDirData.[p2.Y, p2.X] -yDirData.[p2.Y, p2.X] with
                             | Some (m1, m2) ->
-                                //let pouet = ellipse2 p1xf p1yf (float m1) p2xf p2yf (float m2) p3xf p3yf
-                                match ellipse2 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 &&
+                                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
+                                    nbOfValidPicks <- nbOfValidPicks - 1
+                                    ellipses.Add e
                                 | _ -> ()
                             | _ -> ()
 
-        currentElements.Clear()
+        currentElements.Clear ()
 
     ellipses