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 #ifdef TEMPLATE_COMPLEXMAT
  10 template<typename T> class ComplexMat_
  11 {
  12 public:
  13     int cols;
  14     int rows;
  15     int n_channels;
  16     int n_scales = 1;
  17
  18     ComplexMat_() : cols(0), rows(0), n_channels(0) {}
  19     ComplexMat_(int _rows, int _cols, int _n_channels) : cols(_cols), rows(_rows), n_channels(_n_channels)
  20     {
  21         p_data.resize(n_channels*cols*rows);
  22     }
  23
  24
  25     //assuming that mat has 2 channels (real, img)
  26     ComplexMat_(const cv::Mat & mat) : cols(mat.cols), rows(mat.rows), n_channels(1)
  27     {
  28         p_data = convert(mat);
  29     }
  30
  31     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels)
  32     {
  33         rows = _rows;
  34         cols = _cols;
  35         n_channels = _n_channels;
  36         p_data.resize(n_channels*cols*rows);
  37     }
  38
  39     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels, int _n_scales)
  40     {
  41         rows = _rows;
  42         cols = _cols;
  43         n_channels = _n_channels;
  44         n_scales = _n_scales;
  45         p_data.resize(n_channels*cols*rows);
  46     }
  47     // cv::Mat API compatibility
  48     cv::Size size() { return cv::Size(cols, rows); }
  49     int channels() { return n_channels; }
  50     int channels() const { return n_channels; }
  51
  52     //assuming that mat has 2 channels (real, imag)
  53     void set_channel(int idx, const cv::Mat & mat)
  54     {
  55         assert(idx >= 0 && idx < n_channels);
  56         for (int i = 0; i < rows; ++i){
  57             const std::complex<T> *row = mat.ptr<std::complex<T>>(i);
  58             for (int j = 0; j < cols; ++j)
  59                 p_data[idx*rows*cols+i*cols+j]=row[j];
  60         }
  61     }
  62
  63
  64     void sqr_norm(T *sums_sqr_norms) const
  65     {
  66         int n_channels_per_scale = n_channels/n_scales;
  67         int scale_offset = n_channels_per_scale*rows*cols;
  68         T sum_sqr_norm;
  69         for (int scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
  70             sum_sqr_norm = 0;
  71             for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i)
  72                 for (auto lhs = p_data.begin()+i*rows*cols+scale*scale_offset; lhs != p_data.begin()+(i+1)*rows*cols+scale*scale_offset; ++lhs)
  73                     sum_sqr_norm += lhs->real()*lhs->real() + lhs->imag()*lhs->imag();
  74             sums_sqr_norms[scale] = sum_sqr_norm/static_cast<T>(cols*rows);
  75         }
  76         return;
  77     }
  78
  79     ComplexMat_<T> sqr_mag() const
  80     {
  81         return mat_const_operator( [](std::complex<T> & c) { c = c.real()*c.real() + c.imag()*c.imag(); } );
  82     }
  83
  84     ComplexMat_<T> conj() const
  85     {
  86         return mat_const_operator( [](std::complex<T> & c) { c = std::complex<T>(c.real(), -c.imag()); } );
  87     }
  88
  89     ComplexMat_<T> sum_over_channels() const
  90     {
  91         assert(p_data.size() > 1);
  92
  93         int n_channels_per_scale = n_channels/n_scales;
  94         int scale_offset = n_channels_per_scale*rows*cols;
  95
  96         ComplexMat_<T> result(this->rows, this->cols, n_scales);
  97         for (int scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
  98             std::copy(p_data.begin()+scale*scale_offset,p_data.begin()+rows*cols+scale*scale_offset, result.p_data.begin()+scale*rows*cols);
  99             for (int i = 1; i < n_channels_per_scale; ++i) {
 100                 std::transform(result.p_data.begin()+scale*rows*cols, result.p_data.begin()+(scale+1)*rows*cols, p_data.begin()+i*rows*cols+scale*scale_offset,
 101                                result.p_data.begin()+scale*rows*cols, std::plus<std::complex<T>>());
 102             }
 103         }
 104         return result;
 105     }
 106
 107     //return 2 channels (real, imag) for first complex channel
 108     cv::Mat to_cv_mat() const
 109     {
 110         assert(p_data.size() >= 1);
 111         return channel_to_cv_mat(0);
 112     }
 113     // return a vector of 2 channels (real, imag) per one complex channel
 114     std::vector<cv::Mat> to_cv_mat_vector() const
 115     {
 116         std::vector<cv::Mat> result;
 117         result.reserve(n_channels);
 118
 119         for (int i = 0; i < n_channels; ++i)
 120             result.push_back(channel_to_cv_mat(i));
 121
 122         return result;
 123     }
 124
 125     std::complex<T>* get_p_data() const
 126     {
 127         return p_data.data();
 128     }
 129
 130     //element-wise per channel multiplication, division and addition
 131     ComplexMat_<T> operator*(const ComplexMat_<T> & rhs) const
 132     {
 133         return mat_mat_operator( [](std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 134     }
 135     ComplexMat_<T> operator/(const ComplexMat_<T> & rhs) const
 136     {
 137         return mat_mat_operator( [](std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs) { c_lhs /= c_rhs; }, rhs);
 138     }
 139     ComplexMat_<T> operator+(const ComplexMat_<T> & rhs) const
 140     {
 141         return mat_mat_operator( [](std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs)  { c_lhs += c_rhs; }, rhs);
 142     }
 143
 144     //multiplying or adding constant
 145     ComplexMat_<T> operator*(const T & rhs) const
 146     {
 147         return mat_const_operator( [&rhs](std::complex<T> & c) { c *= rhs; });
 148     }
 149     ComplexMat_<T> operator+(const T & rhs) const
 150     {
 151         return mat_const_operator( [&rhs](std::complex<T> & c) { c += rhs; });
 152     }
 153
 154     //multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with one channel)
 155     ComplexMat_<T> mul(const ComplexMat_<T> & rhs) const
 156     {
 157         return matn_mat1_operator( [](std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 158     }
 159
 160     //multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with multiple channel)
 161     ComplexMat_<T> mul2(const ComplexMat_<T> & rhs) const
 162     {
 163         return matn_mat2_operator( [](std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 164     }
 165
 166     //text output
 167     friend std::ostream & operator<<(std::ostream & os, const ComplexMat_<T> & mat)
 168     {
 169         //for (int i = 0; i < mat.n_channels; ++i){
 170         for (int i = 0; i < 1; ++i){
 171             os << "Channel " << i << std::endl;
 172             for (int j = 0; j < mat.rows; ++j) {
 173                 for (int k = 0; k < mat.cols-1; ++k)
 174                     os << mat.p_data[j*mat.cols + k] << ", ";
 175                 os << mat.p_data[j*mat.cols + mat.cols-1] << std::endl;
 176             }
 177         }
 178         return os;
 179     }
 180
 181
 182 private:
 183     mutable std::vector<std::complex<T>> p_data;
 184
 185     //convert 2 channel mat (real, imag) to vector row-by-row
 186     std::vector<std::complex<T>> convert(const cv::Mat & mat)
 187     {
 188         std::vector<std::complex<T>> result;
 189         result.reserve(mat.cols*mat.rows);
 190         for (int y = 0; y < mat.rows; ++y) {
 191             const T * row_ptr = mat.ptr<T>(y);
 192             for (int x = 0; x < 2*mat.cols; x += 2){
 193                 result.push_back(std::complex<T>(row_ptr[x], row_ptr[x+1]));
 194             }
 195         }
 196         return result;
 197     }
 198
 199     ComplexMat_<T> mat_mat_operator(void (*op)(std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs), const ComplexMat_<T> & mat_rhs) const
 200     {
 201         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 202
 203         ComplexMat_<T> result = *this;
 204         for (int i = 0; i < n_channels; ++i) {
 205             auto lhs = result.p_data.begin()+i*rows*cols;
 206             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin()+i*rows*cols;
 207             for ( ; lhs != result.p_data.begin()+(i+1)*rows*cols; ++lhs, ++rhs)
 208                 op(*lhs, *rhs);
 209         }
 210
 211         return result;
 212     }
 213     ComplexMat_<T> matn_mat1_operator(void (*op)(std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs), const ComplexMat_<T> & mat_rhs) const
 214     {
 215         assert(mat_rhs.n_channels == 1 && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 216
 217         ComplexMat_<T> result = *this;
 218         for (int i = 0; i < n_channels; ++i) {
 219             auto lhs = result.p_data.begin()+i*rows*cols;
 220             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin();
 221             for ( ; lhs != result.p_data.begin()+(i+1)*rows*cols; ++lhs, ++rhs)
 222                 op(*lhs, *rhs);
 223         }
 224
 225         return result;
 226     }
 227     ComplexMat_<T> matn_mat2_operator(void (*op)(std::complex<T> & c_lhs, const std::complex<T> & c_rhs), const ComplexMat_<T> & mat_rhs) const
 228     {
 229         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels/n_scales && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 230
 231         int n_channels_per_scale = n_channels/n_scales;
 232         int scale_offset = n_channels_per_scale*rows*cols;
 233         ComplexMat_<T> result = *this;
 234         for (int i = 0; i < n_scales; ++i) {
 235             for (int j = 0; j < n_channels_per_scale; ++j) {
 236                 auto lhs = result.p_data.begin()+(j*rows*cols)+(i*scale_offset);
 237                 auto rhs = mat_rhs.p_data.begin()+(j*rows*cols);
 238                 for ( ; lhs != result.p_data.begin()+((j+1)*rows*cols)+(i*scale_offset); ++lhs, ++rhs)
 239                     op(*lhs, *rhs);
 240             }
 241         }
 242
 243         return result;
 244     }
 245     ComplexMat_<T> mat_const_operator(const std::function<void(std::complex<T> & c_rhs)> & op) const
 246     {
 247         ComplexMat_<T> result = *this;
 248         for (int i = 0; i < n_channels; ++i)
 249             for (auto lhs = result.p_data.begin()+i*rows*cols; lhs != result.p_data.begin()+(i+1)*rows*cols; ++lhs)
 250                 op(*lhs);
 251         return result;
 252     }
 253
 254     cv::Mat channel_to_cv_mat(int channel_id) const
 255     {
 256         cv::Mat result(rows, cols, CV_32FC2);
 257         for (int y = 0; y < rows; ++y) {
 258             std::complex<T> * row_ptr = result.ptr<std::complex<T>>(y);
 259             for (int x = 0; x < cols; ++x){
 260                 row_ptr[x] = p_data[channel_id*rows*cols+y*cols+x];
 261             }
 262         }
 263         return result;
 264     }
 265
 266 };
 267
 268 typedef ComplexMat_<float> ComplexMat;
 269 #else
 270 class ComplexMat
 271 {
 272 public:
 273     int cols;
 274     int rows;
 275     int n_channels;
 276     int n_scales = 1;
 277
 278     ComplexMat();
 279     ComplexMat(int _rows, int _cols, int _n_channels);
 280     ComplexMat(const cv::Mat & mat);
 281
 282     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels);
 283
 284     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels, int _n_scales);
 285     // cv::Mat API compatibility
 286     cv::Size size();
 287     int channels();
 288     int channels() const;
 289
 290     //assuming that mat has 2 channels (real, imag)
 291     void set_channel(int idx, const cv::Mat & mat);
 292
 293
 294     void sqr_norm(float *sums_sqr_norms) const;
 295
 296     ComplexMat sqr_mag() const;
 297
 298     ComplexMat conj() const;
 299
 300     ComplexMat sum_over_channels() const;
 301
 302     //return 2 channels (real, imag) for first complex channel
 303     cv::Mat to_cv_mat() const;
 304     // return a vector of 2 channels (real, imag) per one complex channel
 305     std::vector<cv::Mat> to_cv_mat_vector() const;
 306
 307     std::complex<float>* get_p_data() const;
 308
 309     //element-wise per channel multiplication, division and addition
 310     ComplexMat operator*(const ComplexMat & rhs) const;
 311     ComplexMat operator/(const ComplexMat & rhs) const;
 312     ComplexMat operator+(const ComplexMat & rhs) const;
 313
 314     //multiplying or adding constant
 315     ComplexMat operator*(const float & rhs) const;
 316     ComplexMat operator+(const float & rhs) const;
 317
 318     //multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with one channel)
 319     ComplexMat mul(const ComplexMat & rhs) const;
 320
 321     //multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with multiple channel)
 322     ComplexMat mul2(const ComplexMat & rhs) const;
 323
 324     //text output
 325     friend std::ostream & operator<<(std::ostream & os, const ComplexMat & mat)
 326     {
 327         //for (int i = 0; i < mat.n_channels; ++i){
 328         for (int i = 0; i < 1; ++i){
 329             os << "Channel " << i << std::endl;
 330             for (int j = 0; j < mat.rows; ++j) {
 331                 for (int k = 0; k < mat.cols-1; ++k)
 332                     os << mat.p_data[j*mat.cols + k] << ", ";
 333                 os << mat.p_data[j*mat.cols + mat.cols-1] << std::endl;
 334             }
 335         }
 336         return os;
 337     }
 338
 339
 340 private:
 341     mutable std::vector<std::complex<float>> p_data;
 342
 343     //convert 2 channel mat (real, imag) to vector row-by-row
 344     std::vector<std::complex<float>> convert(const cv::Mat & mat);
 345
 346     ComplexMat mat_mat_operator(void (*op)(std::complex<float> & c_lhs, const std::complex<float> & c_rhs), const ComplexMat & mat_rhs) const;
 347     ComplexMat matn_mat1_operator(void (*op)(std::complex<float> & c_lhs, const std::complex<float> & c_rhs), const ComplexMat & mat_rhs) const;
 348     ComplexMat matn_mat2_operator(void (*op)(std::complex<float> & c_lhs, const std::complex<float> & c_rhs), const ComplexMat & mat_rhs) const;
 349     ComplexMat mat_const_operator(const std::function<void(std::complex<float> & c_rhs)> & op) const;
 350
 351     cv::Mat channel_to_cv_mat(int channel_id) const;
 352
 353 };
 354 #endif
 355
 356 #endif //COMPLEX_MAT_HPP_213123048309482094