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
   9 template <typename T> class ComplexMat_ {
  10   public:
  11     uint cols;
  12     uint rows;
  13     uint n_channels;
  14     uint n_scales = 1;
  15
  16     ComplexMat_() : cols(0), rows(0), n_channels(0) {}
  17     ComplexMat_(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels) : cols(_cols), rows(_rows), n_channels(_n_channels)
  18     {
  19         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  20     }
  21
  22     ComplexMat_(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels, uint _n_scales)
  23         : cols(_cols), rows(_rows), n_channels(_n_channels), n_scales(_n_scales)
  24     {
  25         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  26     }
  27
  28     // assuming that mat has 2 channels (real, img)
  29     ComplexMat_(const cv::Mat &mat) : cols(uint(mat.cols)), rows(uint(mat.rows)), n_channels(1)
  30     {
  31         p_data = convert(mat);
  32     }
  33
  34     void create(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels)
  35     {
  36         rows = _rows;
  37         cols = _cols;
  38         n_channels = _n_channels;
  39         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  40     }
  41
  42     void create(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels, uint _n_scales)
  43     {
  44         rows = _rows;
  45         cols = _cols;
  46         n_channels = _n_channels;
  47         n_scales = _n_scales;
  48         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  49     }
  50     // cv::Mat API compatibility
  51     cv::Size size() { return cv::Size(cols, rows); }
  52     int channels() { return n_channels; }
  53     int channels() const { return n_channels; }
  54
  55     // assuming that mat has 2 channels (real, imag)
  56     void set_channel(int idx, const cv::Mat &mat)
  57     {
  58         assert(idx >= 0 && idx < n_channels);
  59         for (int i = 0; i < rows; ++i) {
  60             const std::complex<T> *row = mat.ptr<std::complex<T>>(i);
  61             for (int j = 0; j < cols; ++j)
  62                 p_data[idx * rows * cols + i * cols + j] = row[j];
  63         }
  64     }
  65
  66     T sqr_norm() const
  67     {
  68         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  69         T sum_sqr_norm = 0;
  70         for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i) {
  71             for (auto lhs = p_data.begin() + i * rows * cols; lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs)
  72                 sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  73         }
  74         sum_sqr_norm = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  75         return sum_sqr_norm;
  76     }
  77
  78     void sqr_norm(T *sums_sqr_norms) const
  79     {
  80         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  81         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
  82         T sum_sqr_norm;
  83         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
  84             sum_sqr_norm = 0;
  85             for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i)
  86                 for (auto lhs = p_data.begin() + i * rows * cols + scale * scale_offset;
  87                      lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols + scale * scale_offset; ++lhs)
  88                     sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  89             sums_sqr_norms[scale] = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  90         }
  91         return;
  92     }
  93
  94     ComplexMat_<T> sqr_mag() const
  95     {
  96         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = c.real() * c.real() + c.imag() * c.imag(); });
  97     }
  98
  99     ComplexMat_<T> conj() const
 100     {
 101         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = std::complex<T>(c.real(), -c.imag()); });
 102     }
 103
 104     ComplexMat_<T> sum_over_channels() const
 105     {
 106         assert(p_data.size() > 1);
 107
 108         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
 109         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
 110
 111         ComplexMat_<T> result(this->rows, this->cols, n_scales);
 112         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
 113             std::copy(p_data.begin() + scale * scale_offset, p_data.begin() + rows * cols + scale * scale_offset,
 114                       result.p_data.begin() + scale * rows * cols);
 115             for (int i = 1; i < n_channels_per_scale; ++i) {
 116                 std::transform(result.p_data.begin() + scale * rows * cols,
 117                                result.p_data.begin() + (scale + 1) * rows * cols,
 118                                p_data.begin() + i * rows * cols + scale * scale_offset,
 119                                result.p_data.begin() + scale * rows * cols, std::plus<std::complex<T>>());
 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 (int 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() const { return p_data.data(); }
 144
 145     // element-wise per channel multiplication, division and addition
 146     ComplexMat_<T> operator*(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 147     {
 148         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 149     }
 150     ComplexMat_<T> operator/(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 151     {
 152         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs /= c_rhs; }, rhs);
 153     }
 154     ComplexMat_<T> operator+(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 155     {
 156         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs += c_rhs; }, rhs);
 157     }
 158
 159     // multiplying or adding constant
 160     ComplexMat_<T> operator*(const T &rhs) const
 161     {
 162         return mat_const_operator([&rhs](std::complex<T> &c) { c *= rhs; });
 163     }
 164     ComplexMat_<T> operator+(const T &rhs) const
 165     {
 166         return mat_const_operator([&rhs](std::complex<T> &c) { c += rhs; });
 167     }
 168
 169     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with one channel)
 170     ComplexMat_<T> mul(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 171     {
 172         return matn_mat1_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 173     }
 174
 175     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with multiple channel)
 176     ComplexMat_<T> mul2(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 177     {
 178         return matn_mat2_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 179     }
 180
 181     // text output
 182     friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const ComplexMat_<T> &mat)
 183     {
 184         // for (int i = 0; i < mat.n_channels; ++i){
 185         for (int i = 0; i < 1; ++i) {
 186             os << "Channel " << i << std::endl;
 187             for (uint j = 0; j < mat.rows; ++j) {
 188                 for (uint k = 0; k < mat.cols - 1; ++k)
 189                     os << mat.p_data[j * mat.cols + k] << ", ";
 190                 os << mat.p_data[j * mat.cols + mat.cols - 1] << std::endl;
 191             }
 192         }
 193         return os;
 194     }
 195
 196   private:
 197     mutable std::vector<std::complex<T>> p_data;
 198
 199     // convert 2 channel mat (real, imag) to vector row-by-row
 200     std::vector<std::complex<T>> convert(const cv::Mat &mat)
 201     {
 202         std::vector<std::complex<T>> result;
 203         result.reserve(mat.cols * mat.rows);
 204         for (int y = 0; y < mat.rows; ++y) {
 205             const T *row_ptr = mat.ptr<T>(y);
 206             for (int x = 0; x < 2 * mat.cols; x += 2) {
 207                 result.push_back(std::complex<T>(row_ptr[x], row_ptr[x + 1]));
 208             }
 209         }
 210         return result;
 211     }
 212
 213     ComplexMat_<T> mat_mat_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 214                                     const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 215     {
 216         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 217
 218         ComplexMat_<T> result = *this;
 219         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i) {
 220             auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 221             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin() + i * rows * cols;
 222             for (; lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs, ++rhs)
 223                 op(*lhs, *rhs);
 224         }
 225
 226         return result;
 227     }
 228     ComplexMat_<T> matn_mat1_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 229                                       const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 230     {
 231         assert(mat_rhs.n_channels == 1 && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 232
 233         ComplexMat_<T> result = *this;
 234         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i) {
 235             auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 236             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin();
 237             for (; lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs, ++rhs)
 238                 op(*lhs, *rhs);
 239         }
 240
 241         return result;
 242     }
 243     ComplexMat_<T> matn_mat2_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 244                                       const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 245     {
 246         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels / n_scales && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 247
 248         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
 249         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
 250         ComplexMat_<T> result = *this;
 251         for (uint i = 0; i < n_scales; ++i) {
 252             for (int j = 0; j < n_channels_per_scale; ++j) {
 253                 auto lhs = result.p_data.begin() + (j * rows * cols) + (i * scale_offset);
 254                 auto rhs = mat_rhs.p_data.begin() + (j * rows * cols);
 255                 for (; lhs != result.p_data.begin() + ((j + 1) * rows * cols) + (i * scale_offset); ++lhs, ++rhs)
 256                     op(*lhs, *rhs);
 257             }
 258         }
 259
 260         return result;
 261     }
 262     ComplexMat_<T> mat_const_operator(const std::function<void(std::complex<T> &c_rhs)> &op) const
 263     {
 264         ComplexMat_<T> result = *this;
 265         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i)
 266             for (auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 267                  lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs)
 268                 op(*lhs);
 269         return result;
 270     }
 271
 272     cv::Mat channel_to_cv_mat(int channel_id) const
 273     {
 274         cv::Mat result(rows, cols, CV_32FC2);
 275         for (int y = 0; y < rows; ++y) {
 276             std::complex<T> *row_ptr = result.ptr<std::complex<T>>(y);
 277             for (int x = 0; x < cols; ++x) {
 278                 row_ptr[x] = p_data[channel_id * rows * cols + y * cols + x];
 279             }
 280         }
 281         return result;
 282     }
 283 };
 284
 285 typedef ComplexMat_<float> ComplexMat;
 286
 287 #endif // COMPLEX_MAT_HPP_213123048309482094