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) { p_data = convert(mat); }
  31
  32     void create(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels)
  33     {
  34         rows = _rows;
  35         cols = _cols;
  36         n_channels = _n_channels;
  37         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  38     }
  39
  40     void create(uint _rows, uint _cols, uint _n_channels, uint _n_scales)
  41     {
  42         rows = _rows;
  43         cols = _cols;
  44         n_channels = _n_channels;
  45         n_scales = _n_scales;
  46         p_data.resize(n_channels * cols * rows);
  47     }
  48     // cv::Mat API compatibility
  49     cv::Size size() { return cv::Size(cols, rows); }
  50     int channels() { return n_channels; }
  51     int channels() const { return n_channels; }
  52
  53     // assuming that mat has 2 channels (real, imag)
  54     void set_channel(int idx, const cv::Mat &mat)
  55     {
  56         assert(idx >= 0 && idx < n_channels);
  57         for (int i = 0; i < rows; ++i) {
  58             const std::complex<T> *row = mat.ptr<std::complex<T>>(i);
  59             for (int j = 0; j < cols; ++j)
  60                 p_data[idx * rows * cols + i * cols + j] = row[j];
  61         }
  62     }
  63
  64     T sqr_norm() const
  65     {
  66         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  67         T sum_sqr_norm = 0;
  68         for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i) {
  69             for (auto lhs = p_data.begin() + i * rows * cols; lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs)
  70                 sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  71         }
  72         sum_sqr_norm = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  73         return sum_sqr_norm;
  74     }
  75
  76     void sqr_norm(T *sums_sqr_norms) const
  77     {
  78         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
  79         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
  80         T sum_sqr_norm;
  81         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
  82             sum_sqr_norm = 0;
  83             for (int i = 0; i < n_channels_per_scale; ++i)
  84                 for (auto lhs = p_data.begin() + i * rows * cols + scale * scale_offset;
  85                      lhs != p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols + scale * scale_offset; ++lhs)
  86                     sum_sqr_norm += lhs->real() * lhs->real() + lhs->imag() * lhs->imag();
  87             sums_sqr_norms[scale] = sum_sqr_norm / static_cast<T>(cols * rows);
  88         }
  89         return;
  90     }
  91
  92     ComplexMat_<T> sqr_mag() const
  93     {
  94         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = c.real() * c.real() + c.imag() * c.imag(); });
  95     }
  96
  97     ComplexMat_<T> conj() const
  98     {
  99         return mat_const_operator([](std::complex<T> &c) { c = std::complex<T>(c.real(), -c.imag()); });
 100     }
 101
 102     ComplexMat_<T> sum_over_channels() const
 103     {
 104         assert(p_data.size() > 1);
 105
 106         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
 107         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
 108
 109         ComplexMat_<T> result(this->rows, this->cols, n_scales);
 110         for (uint scale = 0; scale < n_scales; ++scale) {
 111             std::copy(p_data.begin() + scale * scale_offset, p_data.begin() + rows * cols + scale * scale_offset,
 112                       result.p_data.begin() + scale * rows * cols);
 113             for (int i = 1; i < n_channels_per_scale; ++i) {
 114                 std::transform(result.p_data.begin() + scale * rows * cols,
 115                                result.p_data.begin() + (scale + 1) * rows * cols,
 116                                p_data.begin() + i * rows * cols + scale * scale_offset,
 117                                result.p_data.begin() + scale * rows * cols, std::plus<std::complex<T>>());
 118             }
 119         }
 120         return result;
 121     }
 122
 123     // return 2 channels (real, imag) for first complex channel
 124     cv::Mat to_cv_mat() const
 125     {
 126         assert(p_data.size() >= 1);
 127         return channel_to_cv_mat(0);
 128     }
 129     // return a vector of 2 channels (real, imag) per one complex channel
 130     std::vector<cv::Mat> to_cv_mat_vector() const
 131     {
 132         std::vector<cv::Mat> result;
 133         result.reserve(n_channels);
 134
 135         for (int i = 0; i < n_channels; ++i)
 136             result.push_back(channel_to_cv_mat(i));
 137
 138         return result;
 139     }
 140
 141     std::complex<T> *get_p_data() const { return p_data.data(); }
 142
 143     // element-wise per channel multiplication, division and addition
 144     ComplexMat_<T> operator*(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 145     {
 146         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 147     }
 148     ComplexMat_<T> operator/(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 149     {
 150         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs /= c_rhs; }, rhs);
 151     }
 152     ComplexMat_<T> operator+(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 153     {
 154         return mat_mat_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs += c_rhs; }, rhs);
 155     }
 156
 157     // multiplying or adding constant
 158     ComplexMat_<T> operator*(const T &rhs) const
 159     {
 160         return mat_const_operator([&rhs](std::complex<T> &c) { c *= rhs; });
 161     }
 162     ComplexMat_<T> operator+(const T &rhs) const
 163     {
 164         return mat_const_operator([&rhs](std::complex<T> &c) { c += rhs; });
 165     }
 166
 167     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with one channel)
 168     ComplexMat_<T> mul(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 169     {
 170         return matn_mat1_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 171     }
 172
 173     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with multiple channel)
 174     ComplexMat_<T> mul2(const ComplexMat_<T> &rhs) const
 175     {
 176         return matn_mat2_operator([](std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs) { c_lhs *= c_rhs; }, rhs);
 177     }
 178
 179     // text output
 180     friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const ComplexMat_<T> &mat)
 181     {
 182         // for (int i = 0; i < mat.n_channels; ++i){
 183         for (int i = 0; i < 1; ++i) {
 184             os << "Channel " << i << std::endl;
 185             for (uint j = 0; j < mat.rows; ++j) {
 186                 for (uint k = 0; k < mat.cols - 1; ++k)
 187                     os << mat.p_data[j * mat.cols + k] << ", ";
 188                 os << mat.p_data[j * mat.cols + mat.cols - 1] << std::endl;
 189             }
 190         }
 191         return os;
 192     }
 193
 194   private:
 195     mutable std::vector<std::complex<T>> p_data;
 196
 197     // convert 2 channel mat (real, imag) to vector row-by-row
 198     std::vector<std::complex<T>> convert(const cv::Mat &mat)
 199     {
 200         std::vector<std::complex<T>> result;
 201         result.reserve(mat.cols * mat.rows);
 202         for (int y = 0; y < mat.rows; ++y) {
 203             const T *row_ptr = mat.ptr<T>(y);
 204             for (int x = 0; x < 2 * mat.cols; x += 2) {
 205                 result.push_back(std::complex<T>(row_ptr[x], row_ptr[x + 1]));
 206             }
 207         }
 208         return result;
 209     }
 210
 211     ComplexMat_<T> mat_mat_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 212                                     const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 213     {
 214         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 215
 216         ComplexMat_<T> result = *this;
 217         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i) {
 218             auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 219             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin() + i * rows * cols;
 220             for (; lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs, ++rhs)
 221                 op(*lhs, *rhs);
 222         }
 223
 224         return result;
 225     }
 226     ComplexMat_<T> matn_mat1_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 227                                       const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 228     {
 229         assert(mat_rhs.n_channels == 1 && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 230
 231         ComplexMat_<T> result = *this;
 232         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i) {
 233             auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 234             auto rhs = mat_rhs.p_data.begin();
 235             for (; lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs, ++rhs)
 236                 op(*lhs, *rhs);
 237         }
 238
 239         return result;
 240     }
 241     ComplexMat_<T> matn_mat2_operator(void (*op)(std::complex<T> &c_lhs, const std::complex<T> &c_rhs),
 242                                       const ComplexMat_<T> &mat_rhs) const
 243     {
 244         assert(mat_rhs.n_channels == n_channels / n_scales && mat_rhs.cols == cols && mat_rhs.rows == rows);
 245
 246         int n_channels_per_scale = n_channels / n_scales;
 247         int scale_offset = n_channels_per_scale * rows * cols;
 248         ComplexMat_<T> result = *this;
 249         for (uint i = 0; i < n_scales; ++i) {
 250             for (int j = 0; j < n_channels_per_scale; ++j) {
 251                 auto lhs = result.p_data.begin() + (j * rows * cols) + (i * scale_offset);
 252                 auto rhs = mat_rhs.p_data.begin() + (j * rows * cols);
 253                 for (; lhs != result.p_data.begin() + ((j + 1) * rows * cols) + (i * scale_offset); ++lhs, ++rhs)
 254                     op(*lhs, *rhs);
 255             }
 256         }
 257
 258         return result;
 259     }
 260     ComplexMat_<T> mat_const_operator(const std::function<void(std::complex<T> &c_rhs)> &op) const
 261     {
 262         ComplexMat_<T> result = *this;
 263         for (uint i = 0; i < n_channels; ++i)
 264             for (auto lhs = result.p_data.begin() + i * rows * cols;
 265                  lhs != result.p_data.begin() + (i + 1) * rows * cols; ++lhs)
 266                 op(*lhs);
 267         return result;
 268     }
 269
 270     cv::Mat channel_to_cv_mat(int channel_id) const
 271     {
 272         cv::Mat result(rows, cols, CV_32FC2);
 273         for (int y = 0; y < rows; ++y) {
 274             std::complex<T> *row_ptr = result.ptr<std::complex<T>>(y);
 275             for (int x = 0; x < cols; ++x) {
 276                 row_ptr[x] = p_data[channel_id * rows * cols + y * cols + x];
 277             }
 278         }
 279         return result;
 280     }
 281 };
 282
 283 typedef ComplexMat_<float> ComplexMat;
 284 #else
 285 class ComplexMat {
 286   public:
 287     int cols;
 288     int rows;
 289     int n_channels;
 290     int n_scales = 1;
 291
 292     ComplexMat();
 293     ComplexMat(int _rows, int _cols, int _n_channels);
 294     ComplexMat(int _rows, int _cols, int _n_channels, int _n_scales);
 295     ComplexMat(const cv::Mat &mat);
 296
 297     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels);
 298
 299     void create(int _rows, int _cols, int _n_channels, int _n_scales);
 300     // cv::Mat API compatibility
 301     cv::Size size();
 302     int channels();
 303     int channels() const;
 304
 305     // assuming that mat has 2 channels (real, imag)
 306     void set_channel(int idx, const cv::Mat &mat);
 307
 308     float sqr_norm();
 309     void sqr_norm(float *sums_sqr_norms) const;
 310
 311     ComplexMat sqr_mag() const;
 312
 313     ComplexMat conj() const;
 314
 315     ComplexMat sum_over_channels() const;
 316
 317     // return 2 channels (real, imag) for first complex channel
 318     cv::Mat to_cv_mat() const;
 319     // return a vector of 2 channels (real, imag) per one complex channel
 320     std::vector<cv::Mat> to_cv_mat_vector() const;
 321
 322     std::complex<float> *get_p_data() const;
 323
 324     // element-wise per channel multiplication, division and addition
 325     ComplexMat operator*(const ComplexMat &rhs) const;
 326     ComplexMat operator/(const ComplexMat &rhs) const;
 327     ComplexMat operator+(const ComplexMat &rhs) const;
 328
 329     // multiplying or adding constant
 330     ComplexMat operator*(const float &rhs) const;
 331     ComplexMat operator+(const float &rhs) const;
 332
 333     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with one channel)
 334     ComplexMat mul(const ComplexMat &rhs) const;
 335
 336     // multiplying element-wise multichannel by one channel mats (rhs mat is with multiple channel)
 337     ComplexMat mul2(const ComplexMat &rhs) const;
 338
 339     // text output
 340     friend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const ComplexMat &mat)
 341     {
 342         // for (int i = 0; i < mat.n_channels; ++i){
 343         for (int i = 0; i < 1; ++i) {
 344             os << "Channel " << i << std::endl;
 345             for (int j = 0; j < mat.rows; ++j) {
 346                 for (int k = 0; k < mat.cols - 1; ++k)
 347                     os << mat.p_data[j * mat.cols + k] << ", ";
 348                 os << mat.p_data[j * mat.cols + mat.cols - 1] << std::endl;
 349             }
 350         }
 351         return os;
 352     }
 353
 354   private:
 355     mutable std::vector<std::complex<float>> p_data;
 356
 357     // convert 2 channel mat (real, imag) to vector row-by-row
 358     std::vector<std::complex<float>> convert(const cv::Mat &mat);
 359
 360     ComplexMat mat_mat_operator(void (*op)(std::complex<float> &c_lhs, const std::complex<float> &c_rhs),
 361                                 const ComplexMat &mat_rhs) const;
 362     ComplexMat matn_mat1_operator(void (*op)(std::complex<float> &c_lhs, const std::complex<float> &c_rhs),
 363                                   const ComplexMat &mat_rhs) const;
 364     ComplexMat matn_mat2_operator(void (*op)(std::complex<float> &c_lhs, const std::complex<float> &c_rhs),
 365                                   const ComplexMat &mat_rhs) const;
 366     ComplexMat mat_const_operator(const std::function<void(std::complex<float> &c_rhs)> &op) const;
 367
 368     cv::Mat channel_to_cv_mat(int channel_id) const;
 369 };
 370 #endif
 371
 372 #endif // COMPLEX_MAT_HPP_213123048309482094