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   public:
  12     uint cols;
  13     uint rows;
  14     uint n_channels;
  15     uint n_scales = 1;
  16
  17     ComplexMat_() : cols(0), rows(0), n_channels(0) {}
  18     ComplexMat_(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels) : cols(_cols), rows(_rows), n_channels(_n_channels)
  19     {
  20         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  21     }
  22
  23     ComplexMat_(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels, uint _n_scales)
  24         : cols(_cols), rows(_rows), n_channels(_n_channels), 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)
  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         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  41     }
  42
  43     void create(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels, uint _n_scales)
  44     {
  45         rows = _rows;
  46         cols = _cols;
  47         n_channels = _n_channels;
  48         n_scales = _n_scales;
  49         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  50     }
  51     // cv::Mat API compatibility
  52     cv::Size size() { return cv::Size(cols, rows); }
  53     int channels() { return n_channels; }
  54     int channels() const { return n_channels; }
  55
  56     // assuming that mat has 2 channels (real, imag)
  57     void set_channel(int idx, const cv::Mat &mat)
  58     {
  59         assert(idx >= 0 && idx < n_channels);
  60         for (int i = 0; i < rows; ++i) {
  61             const std::complex<T> *row = mat.ptr<std::complex<T>>(i);
  62             for (int 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         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  70         T 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; lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs)
  73                 sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  74         }
  75         sum_sqr_norm = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  76         return sum_sqr_norm;
  77     }
  78
  79     void sqr_norm(T *sums_sqr_norms) const
  80     {
  81         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  82         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
  83         T sum_sqr_norm;
  84         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
  85             sum_sqr_norm = 0;
  86             for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i)
  87                 for (auto lhs = p_data.begin() + i * rows * cols + scale * scale_offset;
  88                      lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols + scale * scale_offset; ++lhs)
  89                     sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  90             sums_sqr_norms[scale] = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  91         }
  92         return;
  93     }
  94
  95     ComplexMat_<T> sqr_mag() const
  96     {
  97         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = c.real() * c.real() + c.imag() * c.imag(); });
  98     }
  99
 100     ComplexMat_<T> conj() const
 101     {
 102         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = std::complex<T>(c.real(), -c.imag()); });
 103     }
 104
 105     ComplexMat_<T> sum_over_channels() const
 106     {
 107         assert(p_data.size() > 1);
 108
 109         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
 110         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
 111
 112         ComplexMat_<T> result(this->rows, this->cols, n_scales);
 113         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
 114             std::copy(p_data.begin() + scale * scale_offset, p_data.begin() + rows * cols + scale * scale_offset,
 115                       result.p_data.begin() + scale * rows * cols);
 116             for (int i = 1; i < n_channels_per_scale; ++i) {
 117                 std::transform(result.p_data.begin() + scale * rows * cols,
 118                                result.p_data.begin() + (scale + 1) * rows * cols,
 119                                p_data.begin() + i * rows * cols + scale * scale_offset,
 120                                result.p_data.begin() + scale * rows * cols, std::plus<std::complex<T>>());
 121             }
 122         }
 123         return result;
 124     }
 125
 126     // return 2 channels (real, imag) for first complex channel
 127     cv::Mat to_cv_mat() const
 128     {
 129         assert(p_data.size() >= 1);
 130         return channel_to_cv_mat(0);
 131     }
 132     // return a vector of 2 channels (real, imag) per one complex channel
 133     std::vector<cv::Mat> to_cv_mat_vector() const
 134     {
 135         std::vector<cv::Mat> result;
 136         result.reserve(n_channels);
 137
 138         for (int i = 0; i < n_channels; ++i)
 139             result.push_back(channel_to_cv_mat(i));
 140
 141         return result;
 142     }
 143
 144     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 by one channel mats (rhs mat is with multiple channel)
 177     ComplexMat_<T> mul2(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 178     {
 179         return matn_mat2_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     mutable 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 && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 218
 219         ComplexMat_<T> result = *this;
 220         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i) {
 221             auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 222             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin() + i * rows * cols;
 223             for (; lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs, ++rhs)
 224                 op(*lhs, *rhs);
 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 (int y = 0; y < rows; ++y) {
 277             std::complex<T> *row_ptr = result.ptr<std::complex<T>>(y);
 278             for (int 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 #else
 288 class ComplexMat {
 289   public:
 290     int cols;
 291     int rows;
 292     int n_channels;
 293     int n_scales = 1;
 294
 295     ComplexMat();
 296     ComplexMat(int _rows, int _cols, int _n_channels);
 297     ComplexMat(int _rows, int _cols, int _n_channels, int _n_scales);
 298     ComplexMat(const cv::Mat &mat);
 299
 300     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels);
 301
 302     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels, int _n_scales);
 303     // cv::Mat API compatibility
 304     cv::Size size();
 305     int channels();
 306     int channels() const;
 307
 308     // assuming that mat has 2 channels (real, imag)
 309     void set_channel(int idx, const cv::Mat &mat);
 310
 311     float sqr_norm();
 312     void sqr_norm(float *sums_sqr_norms) const;
 313
 314     ComplexMat sqr_mag() const;
 315
 316     ComplexMat conj() const;
 317
 318     ComplexMat sum_over_channels() const;
 319
 320     // return 2 channels (real, imag) for first complex channel
 321     cv::Mat to_cv_mat() const;
 322     // return a vector of 2 channels (real, imag) per one complex channel
 323     std::vector<cv::Mat> to_cv_mat_vector() const;
 324
 325     std::complex<float> *get_p_data() const;
 326
 327     // element-wise per channel multiplication, division and addition
 328     ComplexMat operator*(const ComplexMat &rhs) const;
 329     ComplexMat operator/(const ComplexMat &rhs) const;
 330     ComplexMat operator+(const ComplexMat &rhs) const;
 331
 332     // multiplying or adding constant
 333     ComplexMat operator*(const float &rhs) const;
 334     ComplexMat operator+(const float &rhs) const;
 335
 336     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with one channel)
 337     ComplexMat mul(const ComplexMat &rhs) const;
 338
 339     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with multiple channel)
 340     ComplexMat mul2(const ComplexMat &rhs) const;
 341
 342     // text output
 343     friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const ComplexMat &mat)
 344     {
 345         // for (int i = 0; i < mat.n_channels; ++i){
 346         for (int i = 0; i < 1; ++i) {
 347             os << "Channel " << i << std::endl;
 348             for (int j = 0; j < mat.rows; ++j) {
 349                 for (int k = 0; k < mat.cols - 1; ++k)
 350                     os << mat.p_data[j * mat.cols + k] << ", ";
 351                 os << mat.p_data[j * mat.cols + mat.cols - 1] << std::endl;
 352             }
 353         }
 354         return os;
 355     }
 356
 357   private:
 358     mutable std::vector<std::complex<float>> p_data;
 359
 360     // convert 2 channel mat (real, imag) to vector row-by-row
 361     std::vector<std::complex<float>> convert(const cv::Mat &mat);
 362
 363     ComplexMat mat_mat_operator(void (*op)(std::complex<float> &c_lhs, const std::complex<float> &c_rhs),
 364                                 const ComplexMat &mat_rhs) const;
 365     ComplexMat matn_mat1_operator(void (*op)(std::complex<float> &c_lhs, const std::complex<float> &c_rhs),
 366                                   const ComplexMat &mat_rhs) const;
 367     ComplexMat matn_mat2_operator(void (*op)(std::complex<float> &c_lhs, const std::complex<float> &c_rhs),
 368                                   const ComplexMat &mat_rhs) const;
 369     ComplexMat mat_const_operator(const std::function<void(std::complex<float> &c_rhs)> &op) const;
 370
 371     cv::Mat channel_to_cv_mat(int channel_id) const;
 372 };
 373 #endif
 374
 375 #endif // COMPLEX_MAT_HPP_213123048309482094