NICE_Segmentation/RSMarkovCluster.h

#ifndef RSMARKOVCLUSTER
#define RSMARKOVCLUSTER

/**
 * @file RSMarkovCluster.h
 * @brief ...
 * @author Björn Fröhlich, Alexander Freytag
 * @date ???
 */

#include <core/vector/VectorT.h>
#include <core/basics/Config.h>
#include <segmentation/math/NodeCentricRepMatrix.h>
#include <core/vector/VVector.h>
#include <segmentation/RegionSegmentationMethod.h>

#include <core/imagedisplay/ImageDisplay.h>

// std - includes
#include <algorithm>
#include <limits>
#include <sys/types.h>

namespace OBJREC
{
class RSMarkovCluster : public RegionSegmentationMethod
{
    /* Typedefs und Memberklassen */
  public:
    /**
    * @brief Memberklasse um ein Koordinatenpaar zu repraesentieren.
    */
    class Coord : public std::pair< int, int >
    {
      public:
        //! Standard-Konstruktor
        Coord() : std::pair<int, int>() {};

        //! Initialisierungs-Konstruktor
        Coord ( const int y, const int x ) : std::pair<int, int> ( y, x ) {};

        //! Copy-Konstruktor
        Coord ( Coord const& coord ) : std::pair <int, int> ( coord ) {};

        //! Standard-Destruktor
        ~Coord() {};

        /**
        * @brief Einfache Methode zum berechnen der PNorm eines Koordinatenpaares.
        * @param p - Normart
        * @return p-Norm
        */
        inline double pnorm ( const uint p ) const
        {
          return pow ( pow ( abs ( std::pair< int, int >::first ), p ) + pow ( abs ( std::pair< int, int >::second ), p ), ( 1.0 / p ) );
        };

        /* Operatoren */
        //! =+ operator
        Coord& operator+= ( Coord const& rhs )
        {
          ( *this ).first += rhs.first;
          ( *this ).second += rhs.second;
          return ( *this );
        };
        //! + operator
        Coord operator+ ( Coord const& rhs )
        {
          Coord tmp ( ( *this ) );
          tmp += rhs;
          return tmp;
        };
    };

  private:
    //! Simpler Datentyp um die Offsets zu speichern.
    typedef std::vector< RSMarkovCluster::Coord > Offsets;
    //! Simpler Datentyp zum Speichern der Detours.
    typedef std::vector< std::vector< std::pair< uint, uint > > > Detours;

    /* Membermethoden und -variablen */
  public:
    
    ///////////////////// ///////////////////// /////////////////////
    //                   CONSTRUCTORS / DESTRUCTORS
    ///////////////////// ///////////////////// /////////////////////
    
    /**
     * @brief default constructor 
     * @author Alexander Freytag
     * @date 08-02-2014 ( dd-mm-yyyy )
     */
    RSMarkovCluster();    
    
    //! Standard-Konstruktor
    RSMarkovCluster ( const NICE::Config* conf );

    //! Standard-Destruktor
    virtual ~RSMarkovCluster();
    
    /** 
    * @brief Setup internal variables and objects used
    * @author Alexander Freytag
    * @param conf Config file to specify variable settings
    * @param s_confSection
    * @date 08-02-2014 ( dd-mm-yyyy )
    */       
    virtual void initFromConfig ( const NICE::Config * _conf, const std::string & _confSection = "RSMarkovCluster" );      
    
    ///////////////////// ///////////////////// /////////////////////
    //                      SEGMENTATION STUFF
    ///////////////////// ///////////////////// //////////////////    

    /* Ueberschriebene Methoden */
    /**
    * @brief Segmentierungsmethode.
    * @param Image - (Grauwert) Eingabebild
    * @param Matrix - Segmentierungsmaske
    */
    int segRegions ( const NICE::Image &img, NICE::Matrix &mask ) const;

    /**
    * @brief Segmentierungsmethode.
    * @param ColorImage - (Farbbild) Eingabebild
    * @param Matrix - Segmentierungsmaske
    */
    int segRegions ( const NICE::ColorImage &cimg, NICE::Matrix &mask ) const;

  private:
    int iterations;
    //! Clusterradius
    double r;
    //! Edgeweight Parameter
    double mu;
    //! Inflation Parameter
    double p;
    //! Chaosthreshold
    double chaosThreshold;


    /* */
    /**
    * @brief Vorausberechnung der Offsets
    */
    void precalcOffsets ( Offsets& offsets ) const;

    /**
    * @brief Vorausberechnung der Detours
    */
    void precalcDetours ( Detours& detours, const Offsets& offsets ) const;

    /**
    * @brief Finder Cluster und markieren derer in der mark Maske.
    */
    int findCluster ( const Offsets& offsets, OBJREC::NodeCentricRepMatrix& L, NICE::Matrix& mark ) const;

    /**
    * @brief Errechnen des Indexes eines Pixels anhand seiner Koordinaten.
    */
    inline uint indexOfPixel ( const Coord& yx, const uint xSize ) const;

    /**
    * @brief Normalisieren der L Matrix. Dh. alle abgehenenden Kanten werden zu 1 normiert.
    */
    void normalize ( OBJREC::NodeCentricRepMatrix& L ) const;

    /**
    * @brief Inflationoperator anwenden. Es gilt: Lout<--inf(Lin)
    */
    void inflation ( const OBJREC::NodeCentricRepMatrix& Lin, OBJREC::NodeCentricRepMatrix& Lout ) const;

    /**
    * @brief Expansionoperator anwenden. Es gilt: Lout<--exp(Lin)
    */
    void expansion ( const OBJREC::NodeCentricRepMatrix& Lin, OBJREC::NodeCentricRepMatrix& Lout, const Offsets& offsets, const Detours& detours ) const;

    /**
    * @brief Ueberprueft auf negativ NaN und gibt in dem Falle 0.0 zurueck, sonst val.
    */
    inline double checkForNAN ( const double val ) const;

    /**
    * @brief Anwenden des Clusterings auf die L1-Matrix.
    * @note Kovergenzkriterium ist die Veraenderung innerhalb der Matrix zwischen aufeinanderfolgenden Iterationen.
    */
    void runClustering ( const Offsets& offsets, const Detours& detours, OBJREC::NodeCentricRepMatrix& L1 ) const;

    /**
    * @brief Initialisierung der MarkovMatrix. Diese Methode ist anwendbar fuer Farb- und Grauwertbilder.
    */
    void initMarkovMatrix ( const uchar* imageData, const uint imageHeight, const uint imageWidth, const uint channelCount, const Offsets& offsets, OBJREC::NodeCentricRepMatrix& L ) const;

    /**
    * @brief Berechnung der Kantenstaerke fuer eine gegebene Farb- oder Grauwertdifferenz.
    */
    inline double edgeWeight ( const NICE::Vector& imageValueDiff ) const;

    /**
    * @brief Ausgabe der Matrix in eine Datei. VORSICHT: nur fuer sehr kleine Bilder anwenden.
    */
    void printMatrix ( const OBJREC::NodeCentricRepMatrix& L, const Offsets& offsets, const std::string& filename ) const;
    
    ///////////////////// INTERFACE PERSISTENT /////////////////////
    // interface specific methods for store and restore
    ///////////////////// INTERFACE PERSISTENT /////////////////////   
    
    /** 
     * @brief Load object from external file (stream)
     * @author Alexander Freytag
     * @date 08-02-2014 ( dd-mm-yyyy )
     */     
    void restore ( std::istream & is, int format = 0 );
    
    /** 
     * @brief Save object to external file (stream)
     * @author Alexander Freytag
     * @date 08-02-2014 ( dd-mm-yyyy )
     */     
    void store ( std::ostream & os, int format = 0 ) const;
    
    /** 
     * @brief Clear object
     * @author Alexander Freytag
     * @date 08-02-2014 ( dd-mm-yyyy )
     */     
    void clear ();     

};
}

#endif