Add a logger assembly and split the main assembly in two : the UI and the parasitemia...
[master-thesis.git] / Parasitemia / ParasitemiaCore / Ellipse.fs
diff --git a/Parasitemia/ParasitemiaCore/Ellipse.fs b/Parasitemia/ParasitemiaCore/Ellipse.fs
new file mode 100644 (file)
index 0000000..520d29d
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,350 @@
+module ParasitemiaCore.Ellipse
+
+open System
+open System.Collections.Generic
+open System.Drawing
+
+open MathNet.Numerics.LinearAlgebra
+
+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. / 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)))
+    let p0x, p0y = float p0.X, float p0.Y
+
+    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 a = conicMat.[0, 0]
+    let b = conicMat.[0, 1]
+    let c = conicMat.[1, 1]
+    let d = conicMat.[0, 2]
+    let e = conicMat.[1, 2]
+    let f = conicMat.[2, 2]
+
+    // Center.
+    let cx = b / a
+    let cy = d / a
+
+    let at = c * f - e ** 2. + (e * d - b * f) * cx + (b * e - c * d) * cy
+    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 eigenValues = eigen.EigenValues
+        let lambda = eigenValues.[1].Real
+        let mu = eigenValues.[0].Real
+
+        if lambda <= 0. || mu <= 0.
+        then
+            None
+        else
+            let r1, r2 = 1. / (sqrt lambda), 1. / (sqrt mu)
+
+            let eigenVectors = eigen.EigenVectors
+            let v_a = eigenVectors.[0, 0]
+            let v_b = eigenVectors.[1, 0] // [0, 1]
+
+            // Angle against the longest axis.
+            let phi = (if r2 > r1 then atan (v_b / v_a) else atan (v_a / v_b))
+
+            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 =
+    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 rot1 = vectorRotation p1x p1y v1x v1y px py
+    let rot2 = vectorRotation p2x p2y v2x v2y px py
+
+    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>)
+         (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 / (int incrementWindowDivisor)
+
+    let radiusTolerance = (r2 - r1) * 0.2f
+
+    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<Point>()
+
+    let edgesData = edges.Data
+    let xDirData = xGradient.Data
+    let yDirData = yGradient.Data
+
+    let rng = Random(42)
+
+    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
+
+            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 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
+                        nbOfPicks <- nbOfPicks - 1
+                        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 (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) ->
+                                //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 &&
+                                              e.A >= r1 - radiusTolerance && e.A <= r2 + radiusTolerance && e.B >= r1 - radiusTolerance && e.B <= r2 + radiusTolerance ->
+                                     ellipses.Add e
+                                | _ -> ()
+                            | _ -> ()
+
+        currentElements.Clear()
+
+    ellipses
+