]> Creatis software - CreaPhase.git/blobdiff - octave_packages/m/general/gradient.m
update packages
[CreaPhase.git] / octave_packages / m / general / gradient.m
diff --git a/octave_packages/m/general/gradient.m b/octave_packages/m/general/gradient.m
new file mode 100644 (file)
index 0000000..9e66267
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,304 @@
+## Copyright (C) 2000-2012 Kai Habel
+##
+## This file is part of Octave.
+##
+## Octave is free software; you can redistribute it and/or modify it
+## under the terms of the GNU General Public License as published by
+## the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or (at
+## your option) any later version.
+##
+## Octave is distributed in the hope that it will be useful, but
+## WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+## MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+## General Public License for more details.
+##
+## You should have received a copy of the GNU General Public License
+## along with Octave; see the file COPYING.  If not, see
+## <http://www.gnu.org/licenses/>.
+
+## -*- texinfo -*-
+## @deftypefn  {Function File} {@var{dx} =} gradient (@var{m})
+## @deftypefnx {Function File} {[@var{dx}, @var{dy}, @var{dz}, @dots{}] =} gradient (@var{m})
+## @deftypefnx {Function File} {[@dots{}] =} gradient (@var{m}, @var{s})
+## @deftypefnx {Function File} {[@dots{}] =} gradient (@var{m}, @var{x}, @var{y}, @var{z}, @dots{})
+## @deftypefnx {Function File} {[@dots{}] =} gradient (@var{f}, @var{x0})
+## @deftypefnx {Function File} {[@dots{}] =} gradient (@var{f}, @var{x0}, @var{s})
+## @deftypefnx {Function File} {[@dots{}] =} gradient (@var{f}, @var{x0}, @var{x}, @var{y}, @dots{})
+##
+## Calculate the gradient of sampled data or a function.  If @var{m}
+## is a vector, calculate the one-dimensional gradient of @var{m}.  If
+## @var{m} is a matrix the gradient is calculated for each dimension.
+##
+## @code{[@var{dx}, @var{dy}] = gradient (@var{m})} calculates the one
+## dimensional gradient for @var{x} and @var{y} direction if @var{m} is a
+## matrix.  Additional return arguments can be use for multi-dimensional
+## matrices.
+##
+## A constant spacing between two points can be provided by the
+## @var{s} parameter.  If @var{s} is a scalar, it is assumed to be the spacing
+## for all dimensions.
+## Otherwise, separate values of the spacing can be supplied by
+## the @var{x}, @dots{} arguments.  Scalar values specify an equidistant
+## spacing.
+## Vector values for the @var{x}, @dots{} arguments specify the coordinate for
+## that
+## dimension.  The length must match their respective dimension of @var{m}.
+##
+## At boundary points a linear extrapolation is applied.  Interior points
+## are calculated with the first approximation of the numerical gradient
+##
+## @example
+## y'(i) = 1/(x(i+1)-x(i-1)) * (y(i-1)-y(i+1)).
+## @end example
+##
+## If the first argument @var{f} is a function handle, the gradient of the
+## function at the points in @var{x0} is approximated using central
+## difference.  For example, @code{gradient (@@cos, 0)} approximates the
+## gradient of the cosine function in the point @math{x0 = 0}.  As with
+## sampled data, the spacing values between the points from which the
+## gradient is estimated can be set via the @var{s} or @var{dx},
+## @var{dy}, @dots{} arguments.  By default a spacing of 1 is used.
+## @seealso{diff, del2}
+## @end deftypefn
+
+## Author:  Kai Habel <kai.habel@gmx.de>
+## Modified: David Bateman <dbateman@free.fr> Added NDArray support
+
+function varargout = gradient (m, varargin)
+
+  if (nargin < 1)
+    print_usage ();
+  endif
+
+  nargout_with_ans = max(1,nargout);
+  if (ismatrix (m))
+    [varargout{1:nargout_with_ans}] = matrix_gradient (m, varargin{:});
+  elseif (isa (m, "function_handle"))
+    [varargout{1:nargout_with_ans}] = handle_gradient (m, varargin{:});
+  elseif (ischar(m))
+    [varargout{1:nargout_with_ans}] = handle_gradient (str2func (m), varargin{:});
+  else
+    error ("gradient: first input must be an array or a function");
+  endif
+
+endfunction
+
+function varargout = matrix_gradient (m, varargin)
+  transposed = false;
+  if (isvector (m))
+    ## make a row vector.
+    transposed = (size (m, 2) == 1);
+    m = m(:).';
+  endif
+
+  nd = ndims (m);
+  sz = size (m);
+  if (length(sz) > 1)
+    tmp = sz(1); sz(1) = sz(2); sz(2) = tmp;
+  endif
+
+  if (nargin > 2 && nargin != nd + 1)
+    print_usage ();
+  endif
+
+  ## cell d stores a spacing vector for each dimension
+  d = cell (1, nd);
+  if (nargin == 1)
+    ## no spacing given - assume 1.0 for all dimensions
+    for i = 1:nd
+      d{i} = ones (sz(i) - 1, 1);
+    endfor
+  elseif (nargin == 2)
+    if (isscalar (varargin{1}))
+      ## single scalar value for all dimensions
+      for i = 1:nd
+        d{i} = varargin{1} * ones (sz(i) - 1, 1);
+      endfor
+    else
+      ## vector for one-dimensional derivative
+      d{1} = diff (varargin{1}(:));
+    endif
+  else
+    ## have spacing value for each dimension
+    if (length(varargin) != nd)
+      error ("gradient: dimensions and number of spacing values do not match");
+    endif
+    for i = 1:nd
+      if (isscalar (varargin{i}))
+        d{i} = varargin{i} * ones (sz(i) - 1, 1);
+      else
+        d{i} = diff (varargin{i}(:));
+      endif
+    endfor
+  endif
+
+  m = shiftdim (m, 1);
+  for i = 1:min (nd, nargout)
+    mr = rows (m);
+    mc = numel (m) / mr;
+    Y = zeros (size (m), class (m));
+
+    if (mr > 1)
+      ## Top and bottom boundary.
+      Y(1,:) = diff (m(1:2, :)) / d{i}(1);
+      Y(mr,:) = diff (m(mr-1:mr, :) / d{i}(mr - 1));
+    endif
+
+    if (mr > 2)
+      ## Interior points.
+      Y(2:mr-1,:) = ((m(3:mr,:) - m(1:mr-2,:))
+          ./ kron (d{i}(1:mr-2) + d{i}(2:mr-1), ones (1, mc)));
+    endif
+
+    ## turn multi-dimensional matrix in a way, that gradient
+    ## along x-direction is calculated first then y, z, ...
+
+    if (i == 1)
+      varargout{i} = shiftdim (Y, nd - 1);
+      m = shiftdim (m, nd - 1);
+    elseif (i == 2)
+      varargout{i} = Y;
+      m = shiftdim (m, 2);
+    else
+      varargout{i} = shiftdim (Y, nd - i + 1);
+      m = shiftdim (m, 1);
+    endif
+  endfor
+
+  if (transposed)
+    varargout{1} = varargout{1}.';
+  endif
+endfunction
+
+function varargout = handle_gradient (f, p0, varargin)
+  ## Input checking
+  p0_size = size (p0);
+
+  if (numel (p0_size) != 2)
+    error ("gradient: the second input argument should either be a vector or a matrix");
+  endif
+
+  if (any (p0_size == 1))
+    p0 = p0 (:);
+    dim = 1;
+    num_points = numel (p0);
+  else
+    num_points = p0_size (1);
+    dim = p0_size (2);
+  endif
+
+  if (length (varargin) == 0)
+    delta = 1;
+  elseif (length (varargin) == 1 || length (varargin) == dim)
+    try
+      delta = [varargin{:}];
+    catch
+      error ("gradient: spacing parameters must be scalars or a vector");
+    end_try_catch
+  else
+    error ("gradient: incorrect number of spacing parameters");
+  endif
+
+  if (isscalar (delta))
+    delta = repmat (delta, 1, dim);
+  elseif (!isvector (delta))
+    error ("gradient: spacing values must be scalars or a vector");
+  endif
+
+  ## Calculate the gradient
+  p0 = mat2cell (p0, num_points, ones (1, dim));
+  varargout = cell (1, dim);
+  for d = 1:dim
+    s = delta (d);
+    df_dx = (f (p0{1:d-1}, p0{d}+s, p0{d+1:end})
+           - f (p0{1:d-1}, p0{d}-s, p0{d+1:end})) ./ (2*s);
+    if (dim == 1)
+      varargout{d} = reshape (df_dx, p0_size);
+    else
+      varargout{d} = df_dx;
+    endif
+  endfor
+endfunction
+
+%!test
+%! data = [1, 2, 4, 2];
+%! dx = gradient (data);
+%! dx2 = gradient (data, 0.25);
+%! dx3 = gradient (data, [0.25, 0.5, 1, 3]);
+%! assert (dx, [1, 3/2, 0, -2]);
+%! assert (dx2, [4, 6, 0, -8]);
+%! assert (dx3, [4, 4, 0, -1]);
+%! assert (size_equal(data, dx));
+
+%!test
+%! [Y,X,Z,U] = ndgrid (2:2:8,1:5,4:4:12,3:5:30);
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (X);
+%! assert (all(dX(:)==1));
+%! assert (all(dY(:)==0));
+%! assert (all(dZ(:)==0));
+%! assert (all(dU(:)==0));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (Y);
+%! assert (all(dX(:)==0));
+%! assert (all(dY(:)==2));
+%! assert (all(dZ(:)==0));
+%! assert (all(dU(:)==0));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (Z);
+%! assert (all(dX(:)==0));
+%! assert (all(dY(:)==0));
+%! assert (all(dZ(:)==4));
+%! assert (all(dU(:)==0));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (U);
+%! assert (all(dX(:)==0));
+%! assert (all(dY(:)==0));
+%! assert (all(dZ(:)==0));
+%! assert (all(dU(:)==5));
+%! assert (size_equal(dX, dY, dZ, dU, X, Y, Z, U));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (U, 5.0);
+%! assert (all(dU(:)==1));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (U, 1.0, 2.0, 3.0, 2.5);
+%! assert (all(dU(:)==2));
+
+%!test
+%! [Y,X,Z,U] = ndgrid (2:2:8,1:5,4:4:12,3:5:30);
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (X+j*X);
+%! assert (all(dX(:)==1+1j));
+%! assert (all(dY(:)==0));
+%! assert (all(dZ(:)==0));
+%! assert (all(dU(:)==0));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (Y-j*Y);
+%! assert (all(dX(:)==0));
+%! assert (all(dY(:)==2-j*2));
+%! assert (all(dZ(:)==0));
+%! assert (all(dU(:)==0));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (Z+j*1);
+%! assert (all(dX(:)==0));
+%! assert (all(dY(:)==0));
+%! assert (all(dZ(:)==4));
+%! assert (all(dU(:)==0));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (U-j*1);
+%! assert (all(dX(:)==0));
+%! assert (all(dY(:)==0));
+%! assert (all(dZ(:)==0));
+%! assert (all(dU(:)==5));
+%! assert (size_equal(dX, dY, dZ, dU, X, Y, Z, U));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (U, 5.0);
+%! assert (all(dU(:)==1));
+%! [dX,dY,dZ,dU] = gradient (U, 1.0, 2.0, 3.0, 2.5);
+%! assert (all(dU(:)==2));
+
+%!test
+%! x = 0:10;
+%! f = @cos;
+%! df_dx = @(x) -sin (x);
+%! assert (gradient (f, x), df_dx (x), 0.2);
+%! assert (gradient (f, x, 0.5), df_dx (x), 0.1);
+
+%!test
+%! xy = reshape (1:10, 5, 2);
+%! f = @(x,y) sin (x) .* cos (y);
+%! df_dx = @(x, y) cos (x) .* cos (y);
+%! df_dy = @(x, y) -sin (x) .* sin (y);
+%! [dx, dy] = gradient (f, xy);
+%! assert (dx, df_dx (xy (:, 1), xy (:, 2)), 0.1)
+%! assert (dy, df_dy (xy (:, 1), xy (:, 2)), 0.1)
+