src/complexmat.hpp

   1 #ifndef COMPLEX_MAT_HPP_213123048309482094
   2 #define COMPLEX_MAT_HPP_213123048309482094
   3
   4 #include <opencv2/opencv.hpp>
   5 #include <vector>
   6 #include <algorithm>
   7 #include <functional>
   8 #include "dynmem.hpp"
   9
  10 template <typename T> class ComplexMat_ {
  11   public:
  12     uint cols;
  13     uint rows;
  14     uint n_channels;
  15     uint n_scales;
  16
  17     ComplexMat_() : cols(0), rows(0), n_channels(0), n_scales(0) {}
  18     ComplexMat_(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels, uint _n_scales = 1)
  19         : cols(_cols), rows(_rows), n_channels(_n_channels * _n_scales), n_scales(_n_scales)
  20     {
  21         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  22     }
  23     ComplexMat_(cv::Size size, uint _n_channels, uint _n_scales = 1)
  24         : cols(size.width), rows(size.height), n_channels(_n_channels * _n_scales), n_scales(_n_scales)
  25     {
  26         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  27     }
  28
  29     // assuming that mat has 2 channels (real, img)
  30     ComplexMat_(const cv::Mat &mat) : cols(uint(mat.cols)), rows(uint(mat.rows)), n_channels(1), n_scales(1)
  31     {
  32         p_data = convert(mat);
  33     }
  34
  35     void create(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels)
  36     {
  37         rows = _rows;
  38         cols = _cols;
  39         n_channels = _n_channels;
  40         n_scales = 1;
  41         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  42     }
  43
  44     void create(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels, uint _n_scales)
  45     {
  46         rows = _rows;
  47         cols = _cols;
  48         n_channels = _n_channels * _n_scales;
  49         n_scales = _n_scales;
  50         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  51     }
  52     // cv::Mat API compatibility
  53     cv::Size size() const { return cv::Size(cols, rows); }
  54     uint channels() const { return n_channels; }
  55
  56     // assuming that mat has 2 channels (real, imag)
  57     void set_channel(uint idx, const cv::Mat &mat)
  58     {
  59         assert(idx >= 0 && idx < n_channels);
  60         for (uint i = 0; i < rows; ++i) {
  61             const std::complex<T> *row = mat.ptr<std::complex<T>>(i);
  62             for (uint j = 0; j < cols; ++j)
  63                 p_data[idx * rows * cols + i * cols + j] = row[j];
  64         }
  65     }
  66
  67     T sqr_norm() const
  68     {
  69         assert(n_scales == 1);
  70
  71         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  72         T sum_sqr_norm = 0;
  73         for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i) {
  74             for (auto lhs = p_data.begin() + i * rows * cols; lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs)
  75                 sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  76         }
  77         sum_sqr_norm = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  78         return sum_sqr_norm;
  79     }
  80
  81     void sqr_norm(DynMem_<T> &result) const
  82     {
  83         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  84         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
  85         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
  86             T sum_sqr_norm = 0;
  87             for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i)
  88                 for (auto lhs = p_data.begin() + i * rows * cols + scale * scale_offset;
  89                      lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols + scale * scale_offset; ++lhs)
  90                     sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  91             result.hostMem()[scale] = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  92         }
  93         return;
  94     }
  95
  96     ComplexMat_<T> sqr_mag() const
  97     {
  98         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = c.real() * c.real() + c.imag() * c.imag(); });
  99     }
 100
 101     ComplexMat_<T> conj() const
 102     {
 103         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = std::complex<T>(c.real(), -c.imag()); });
 104     }
 105
 106     ComplexMat_<T> sum_over_channels() const
 107     {
 108         assert(p_data.size() == n_channels * rows * cols);
 109
 110         uint n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
 111         uint scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
 112
 113         ComplexMat_<T> result(this->rows, this->cols, 1, n_scales);
 114         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
 115             for (uint i = 0; i < rows * cols; ++i) {
 116                 std::complex<T> acc = 0;
 117                 for (uint ch = 0; ch < n_channels_per_scale; ++ch)
 118                     acc +=  p_data[scale * scale_offset + i + ch * rows * cols];
 119                 result.p_data[scale * rows * cols + i] = acc;
 120             }
 121         }
 122         return result;
 123     }
 124
 125     // return 2 channels (real, imag) for first complex channel
 126     cv::Mat to_cv_mat() const
 127     {
 128         assert(p_data.size() >= 1);
 129         return channel_to_cv_mat(0);
 130     }
 131     // return a vector of 2 channels (real, imag) per one complex channel
 132     std::vector<cv::Mat> to_cv_mat_vector() const
 133     {
 134         std::vector<cv::Mat> result;
 135         result.reserve(n_channels);
 136
 137         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i)
 138             result.push_back(channel_to_cv_mat(i));
 139
 140         return result;
 141     }
 142
 143     std::complex<T> *get_p_data() { return p_data.data(); }
 144     const std::complex<T> *get_p_data() const { return p_data.data(); }
 145
 146     // element-wise per channel multiplication, division and addition
 147     ComplexMat_<T> operator*(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 148     {
 149         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 150     }
 151     ComplexMat_<T> operator/(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 152     {
 153         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs /= c_rhs; }, rhs);
 154     }
 155     ComplexMat_<T> operator+(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 156     {
 157         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs += c_rhs; }, rhs);
 158     }
 159
 160     // multiplying or adding constant
 161     ComplexMat_<T> operator*(const T &rhs) const
 162     {
 163         return mat_const_operator([&rhs](std::complex<T> &c) { c *= rhs; });
 164     }
 165     ComplexMat_<T> operator+(const T &rhs) const
 166     {
 167         return mat_const_operator([&rhs](std::complex<T> &c) { c += rhs; });
 168     }
 169
 170     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with one channel)
 171     ComplexMat_<T> mul(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 172     {
 173         return matn_mat1_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 174     }
 175
 176     // multiplying element-wise multichannel mats - same as operator*(ComplexMat), but without allocating memory for the result
 177     ComplexMat_<T> muln(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 178     {
 179         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 180     }
 181
 182     // text output
 183     friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const ComplexMat_<T> &mat)
 184     {
 185         // for (int i = 0; i < mat.n_channels; ++i){
 186         for (int i = 0; i < 1; ++i) {
 187             os << "Channel " << i << std::endl;
 188             for (uint j = 0; j < mat.rows; ++j) {
 189                 for (uint k = 0; k < mat.cols - 1; ++k)
 190                     os << mat.p_data[j * mat.cols + k] << ", ";
 191                 os << mat.p_data[j * mat.cols + mat.cols - 1] << std::endl;
 192             }
 193         }
 194         return os;
 195     }
 196
 197   private:
 198     std::vector<std::complex<T>> p_data;
 199
 200     // convert 2 channel mat (real, imag) to vector row-by-row
 201     std::vector<std::complex<T>> convert(const cv::Mat &mat)
 202     {
 203         std::vector<std::complex<T>> result;
 204         result.reserve(mat.cols * mat.rows);
 205         for (int y = 0; y < mat.rows; ++y) {
 206             const T *row_ptr = mat.ptr<T>(y);
 207             for (int x = 0; x < 2 * mat.cols; x += 2) {
 208                 result.push_back(std::complex<T>(row_ptr[x], row_ptr[x + 1]));
 209             }
 210         }
 211         return result;
 212     }
 213
 214     ComplexMat_<T> mat_mat_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 215                                     const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 216     {
 217         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels/n_scales && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 218
 219         ComplexMat_<T> result = *this;
 220         for (uint s = 0; s < n_scales; ++s) {
 221             auto lhs = result.p_data.begin() + (s * n_channels/n_scales * rows * cols);
 222             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin();
 223             for (uint i = 0; i < n_channels/n_scales * rows * cols; ++i)
 224                 op(*(lhs + i), *(rhs + i));
 225         }
 226
 227         return result;
 228     }
 229     ComplexMat_<T> matn_mat1_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 230                                       const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 231     {
 232         assert(mat_rhs.n_channels == 1 && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 233
 234         ComplexMat_<T> result = *this;
 235         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i) {
 236             auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 237             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin();
 238             for (; lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs, ++rhs)
 239                 op(*lhs, *rhs);
 240         }
 241
 242         return result;
 243     }
 244     ComplexMat_<T> matn_mat2_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 245                                       const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 246     {
 247         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels / n_scales && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 248
 249         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
 250         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
 251         ComplexMat_<T> result = *this;
 252         for (uint i = 0; i < n_scales; ++i) {
 253             for (int j = 0; j < n_channels_per_scale; ++j) {
 254                 auto lhs = result.p_data.begin() + (j * rows * cols) + (i * scale_offset);
 255                 auto rhs = mat_rhs.p_data.begin() + (j * rows * cols);
 256                 for (; lhs != result.p_data.begin() + ((j + 1) * rows * cols) + (i * scale_offset); ++lhs, ++rhs)
 257                     op(*lhs, *rhs);
 258             }
 259         }
 260
 261         return result;
 262     }
 263     ComplexMat_<T> mat_const_operator(const std::function<void(std::complex<T> &c_rhs)> &op) const
 264     {
 265         ComplexMat_<T> result = *this;
 266         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i)
 267             for (auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 268                  lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs)
 269                 op(*lhs);
 270         return result;
 271     }
 272
 273     cv::Mat channel_to_cv_mat(int channel_id) const
 274     {
 275         cv::Mat result(rows, cols, CV_32FC2);
 276         for (uint y = 0; y < rows; ++y) {
 277             std::complex<T> *row_ptr = result.ptr<std::complex<T>>(y);
 278             for (uint x = 0; x < cols; ++x) {
 279                 row_ptr[x] = p_data[channel_id * rows * cols + y * cols + x];
 280             }
 281         }
 282         return result;
 283     }
 284 };
 285
 286 typedef ComplexMat_<float> ComplexMat;
 287
 288 #endif // COMPLEX_MAT_HPP_213123048309482094