GNU Octave: Strutture dati e I/O

GNU Octave: strutture dati e input/output

Ing. Andrea Spadaccini
a.spadaccini@diit.unict.it

Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni
Universit` di Catania
a

28 Aprile 2009

Sommario

Strutture dati avanzate
I/O di dati su file
Riepilogo gestione file WAVE
Grafici

Ing. Andrea Spadaccini DIIT - Universit` degli Studi di Catania
a

Cell array Strutture

Parte I

Strutture dati avanzate

a


Riepilogo: vettori

Vettori
I vettori (e le matrici) sono delle strutture dati che consentono di
elaborare dati di tipo omogeneo.

Problema
Esistono strutture dati che consentano di raggruppare dati non
omogenei?
Esempio: carta da gioco

a


Cell array

Scopo
I cell array sono dei contenitori in grado di contenere dati di tipo
arbitrario.

Utilizzo
Si usano in maniera simile ai vettori, con la diﬀerenza che al posto
dell’operatore [] si utilizzano gli operatori () o {}

a


Diﬀerenza tra gli operatori {} e ()

Operatore {}

Costruzione di un cell array
Indicizzazione (per prelevare valori o assegnare nuovi valori)
Selezione elementi multipli: elenco separato da virgole
Eliminazione: svuota la cella senza eliminarla

Operatore ()

Indicizzazione (per prelevare valori o assegnare nuovi valori)
Selezione elementi multipli: nuovo cell array
Eliminazione: elimina la cella

a


Creazione di Cell Array

>> a = cell(1, 2)
a = {
[1,1] = []
[1,2] = []
}

>> arr = {’stringa’, eye(2), 1:2:10}
arr = {
[1,1] = stringa
[1,2] = 1 0
0 1
[1,3] = 1 3 5 7 9
}

a


Aggiunta di un elemento

>> arr{4} = 90
arr = {
[1,1] = stringa
[1,2] =
1 0
0 1
[1,3] =
1 3 5 7 9
[1,4] = 90
}

a


Selezione di elementi

>> arr{1}
ans = stringa
>> arr([1 4])
ans = {
[1,1] = stringa
[1,2] = 90
}
>> arr{[1 4]}
ans =
(,
[1] = stringa
[2] = 90
,)
a


Eliminazione di elementi

>> arr(2) = []
arr = {
[1,1] = stringa
[1,2] = 1 3 5 7 9
[1,3] = 90
}

>> arr{3} = []
arr = {
[1,1] = stringa
[1,2] = 1 3 5 7 9
[1,3] = []
}

a


Conversione di Cell Array

Conversione da Cell Array a matrice
La funzione cell2mat prende come parametro in ingresso un cell array e
tenta di convertirlo in una matrice.
Per eﬀettuare questa conversione, tenta di concatenare tutti gli elementi
del cell array. Questa potrebbe non essere l’operazione desiderata

Esempio di errata conversione

>> cell2mat(arr)
ans =
115 116 114 105 110 103 97 1 3 5 7 9

a


Strutture

Descrizione
GNU Octave consente di realizzare strutture simili alle strutture messe a
disposizione dal linguaggio C, ovvero delle strutture dati che contengano
dati di tipo eterogeneo indicizzabili tramite notazione puntata ed
identiﬁcatori di tipo stringa.

Una diﬀerenza rispetto al C
In C ` possibile creare un nuovo tipo di dato ed usarlo per instanziare
e
diverse variabili di quel tipo.
Ci` non ` vero in Octave, in quanto le strutture sono fortemente
o e
dinamiche, ed ` addirittura possibile aggiungere campi in fase di
e
esecuzione.

a


Creazione di strutture (I)

La funzione struct
La funzione struct consente di creare una struttura speciﬁcando in
maniera alternata il nome del campo ed il valore. Esempio:

>> s = struct(’a’, 1, ’b’, 2)
s =
{
a = 1
b = 2
}

a


Creazione di strutture (II)

Generazione diretta

>> str.x = 1
str =
{
x = 1
}

Attenzione
Questa sintassi ` da evitare, in quanto poco esplicita. Meglio scrivere pi`
e u
codice ed aumentare la leggibilit`.
a

a


Accesso agli elementi di una struttura

Notazione puntata

>> s.a + s.b
ans = 3

Funzione getfield
La funzione getfield prende come parametri una struttura ed una
chiave (o pi` chiavi, in caso di strutture annidate), restituendo l’elemento
u
corrispondente:

>> getfield(s, ’a’) + getfield(s, ’b’)
ans = 3

a


Impostazione degli elementi di una struttura

Notazione puntata

>> s.dato = 1:10
s = {
a = 1
b = 2
dato = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
}

Funzione setfield
Funziona in maniera analoga a getfield, con un parametro aggiuntivo
contenente il valore da impostare.
a


Iterazione degli elementi di una struttura
Sintassi estesa istruzione for
L’istruzione for consente di iterare una struttura con la seguente sintassi:
for [val, key ] = struttura
istruzioni
end

Esempio

>> for [value, key] = s
disp([key ’: ’ mat2str(value)]);
end
a: 1
b: 2
dato: [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
a


Rimozione di elementi da una struttura

Funzione rmfield
Sintassi: rmfield(s, field). Torna una nuova struttura, creata a
partire dalla struttura s eliminando il campo field.

Esempio

>> s = rmfield(s, ’dato’)
ans =
{
a = 1
b = 2
}

a


Altre funzioni utili sulle strutture
isstruct(s) - torna 1 se s ` una struttura
e
isfield(s, name) - torna 1 se s ` una struttura e contiene un
e
campo denominato name
fieldnames(s) - torna un cell array contenente l’elenco dei nomi
dei campi di s
struct2cell(s) - torna un cell array contenente gli elementi di s
Esempio struct2cell

>> struct2cell(s)
ans = {
[1,1] = 1
[2,1] = 2
}
a


Esempio: mazzo di carte (I)
Modello
Useremo come modello del mazzo di carte un vettore di strutture carta.
Ciascuna struttura conterr` un campo seme ed un campo valore.
a
Generazione del mazzo

semi = {’C’, ’Q’, ’F’, ’P’};
valori = 1:13; carte = [];
for i = semi
for j = valori
carta = struct(’seme’, i, ’valore’, j);
carte = [carte carta];
end
end
a


Esempio: mazzo di carte (II)

La prima carta

>> carte(1)
ans =
{
seme = C
valore = 1
}

Mischiamo il mazzo di carte
La funzione randperm(N) torna un vettore contenente gli interi tra 1 ed
N, in ordine casuale. Quindi...
a


Esempio: mazzo di carte (III)
Codice per mischiare il mazzo

carte = carte(randperm(length(carte)));

La prima carta (ovvero una carta a caso)

>> carte(1)
ans =
{
seme = Q
valore = 8
}

a

I comandi save e load I/O in stile C

Parte II

I/O di dati su ﬁle

a


I comandi save e load
save
Sintassi: save [opzioni] nomefile var1 [... varN]
Se invocato senza opzioni, salva le variabili var1 ... varN nel ﬁle
nomefile, utilizzando il formato MatlabTM 5.
Alcune opzioni:
-ascii salva i dati in formato ASCII (vale per scalari, vettori e
matrici)
-v4 -v6 -v7 salvano i dati in formato MatlabTM 4, 6 o 7

load
`
La sintassi ` simile a save, utilizza le stesse opzioni. E possibile omettere
e
l’elenco di variabili, ed in tal caso tutte le variabili presenti nel ﬁle
saranno caricate.
a


Esempio

matrix = ones(3);
save m.mat matrix
exit
(caricamento nuova istanza di Octave)
load m.mat
disp(matrix)
1 1 1
1 1 1
1 1 1

a


Apertura e chiusura

La funzione fopen
Sintassi: fid = fopen(name, mode, arch). Torna un file-id
numerico, da usare nelle successive operazioni.
Opzioni:
name nome del file da aprire
mode modalit` di apertura (’r’, ’w’, ’a’ ..)
a
arch parametri dipendenti dall’architettura
Torna -1 se l’apertura non va a buon fine.

La funzione fclose
Sintassi: fclose(fid).

a


Operazioni su file

fputs(fid, s) scrive la stringa s nel file fid
fprintf(fid, fmt, ..) scrive sul file fid secondo la stringa di
formato fmt ed eventuali parametri aggiuntivi
[v1, v2, .., count] = fscanf(fid, fmt, ’C’) legge dal file
fid, tornando i valori specificati in fmt nelle variabili v1, v2...

a


Esempio

f = fopen(’out.txt’, ’w’);
for i = 1:10
fprintf(f, ’%d %dn’, i, i+1);
end
fclose(f);

f = fopen(’out.txt’, ’r’);
count = 1;
while count >= 1
[v1, v2, count] = fscanf(f, ’%d %dn’, ’C’);
if count > 1
disp(v1); disp(v2);
end
end
a

Octave-Forge Funzioni per l’I/O su ﬁle WAVE

Parte III

Riepilogo gestione ﬁle WAVE

a


Octave-Forge

Cos’` Octave-Forge
e
`
E un insieme di pacchetti semi-uﬃciali per Octave, che ne estendono le
funzionalit`.
a

Cos’` un pacchetto
e
`
E l’equivalente dei toolbox di MatlabTM , ovvero un insieme di funzioni
aventi uno scopo comune. Si presenta sotto forma di ﬁle con estensione
.tar.gz, e si installano con il comando pkg install
nomepacchetto.tar.gz

a


Pacchetti di interesse

Audio - contiene funzioni per l’elaborazione di ﬁle audio (wave ed
altri)
Image - contiene funzioni per l’elaborazione delle immagini
Video - contiene funzioni per l’elaborazione dei video in formato AVI
Signal - contiene funzioni per l’elaborazione dei segnali

a


I/O su file WAVE

La funzione wavread
Sintassi: [y, fs, bits] = wavread(filename). Legge i dati del file
filename, restituendo in y i campioni, in fs la frequenza di
campionamento in Hz, in bits il numero di bit per campione.

La funzione wavwrite
Sintassi: wavwrite(y, fs, bits, filename). Scrive i campioni
presenti nel vettore y nel file filename. Se nbits o fs non sono
specificati, di default utilizza 8000 Hz e 16 bit per campione

a

Introduzione Il comando plot, sintassi di base Stili Grafici multipli Altre funzioni sui grafici

Parte IV

Grafici

a


Il sistema di plotting di GNU Octave

gnuplot
gnuplot [sic] ` il programma che si occupa di realizzare dietro le quinte i
e
grafici di Octave.

Sintassi dei comandi di plotting
Anche in questo frangente, la sintassi di Octave ` equivalente a quella di
e
MatlabTM , con la differenza che alcune opzioni avanzate non sono
implementate a causa di limitazioni di gnuplot.

Suggerimento per gli utenti GNU/Linux
Invocate Octave utilizzando il comando GNUTERM=’wxt’ octave per
ottenere grafici pi` gradevoli grazie al backend wxt di gnuplot.
u

a


Il comando plot, sintassi di base

Invocazione con argomento singolo

Se invocato con un solo argomento di tipo vettore, la funzione plot
genera un graﬁco utilizzando come ascisse gli indici del vettore e
come ordinate gli elementi del vettore.
Se invocato con un solo argomento di tipo matrice, ogni colonna
viene trattata come vettore a s` stante, e viene visualizzato
e
all’interno dello stesso graﬁco secondo le regole dell’invocazione con
vettore

a


Esempi plot singolo parametro

Vettore

interval = linspace(-pi, pi, 100);
plot(sin(interval));

Matrice

plot([sin(interval); cos(interval)]’);

a


Invocazione di plot con due parametri

plot(x, y)
Se plot viene invocato con due parametri, utilizza il primo come vettore
(matrice) delle ascisse ed il secondo come vettore (matrice) delle
ordinate.

Esempio

plot(interval, sin(interval));
plot([interval; interval]’, [sin(interval); cos(interval)]’)

a


Applicare stili ai graﬁci (I)

La stringa di formato
`
E possibile fornire a plot un parametro aggiuntivo, che contiene
informazioni sullo stile della linea da utilizzare per il graﬁco.
Formato: ’stile colore ;etichetta;’. Ciascuna parte ` opzionale.
e

Stili
’-’ linea tratteggiata, ’.’ linea puntata, ’+’ ’*’ ’o’ ’x’ simboli
discreti.

Colori
’k’, ’r’, ’g’, ’b’, ’m’, ’c’, ’w’

a


Applicare stili ai grafici (II)

Etichette
Le etichette sono stringhe che compaiono nella legenda del grafico,
accanto allo stile che rappresenta il dato graficato. I due caratteri ;
prima e dopo l’etichetta sono obbligatori.

Esempi

plot(interval, sin(interval), ’;sin(x);’);
plot(interval, cos(interval), ’g-;cos(x);’);

a


Applicare stili ai graﬁci (III)

Propriet`
a
Oltre alla stringa di formato, ` possibile aggiungere alla funzione plot
e
diversi parametri (coppie chiave/valore) contenenti propriet` del graﬁco.
a

Alcune propriet` comuni
a

linewidth - larghezza della linea
markersize - dimensione del marker

a


Gestione finestre di plotting

Il comando figure
Il comando figure consente di specificare la finestra di plotting da
utilizzare per i prossimi comandi di plotting. Prende come parametro un
intero, che indica la finestra da utilizzare.

Esempio

figure(1)
plot(interval, sin(interval), ’r-;sin(x);’)
figure(2)
plot(interval, cos(interval), ’b-;cos(x);’)

a


Grafici multipli

Cosa intendiamo per grafici multipli?

Plot di pi` serie di dati utilizzando un unico asse cartesiano (unico
u
grafico)
Pi` grafici (assi) nella stessa figura
u

a


Il comando hold
Scopo e sintassi
Lo scopo del comando hold ` quello di disegnare pi` serie di dati nello
e u
stesso grafico, variando il comportamento predefinito (ovvero cancellare
di volta in volta la figura).Il comando hold accetta un parametro, che
pu` valere on (non cancella la figura) o off. Se invocato senza
o
parametri, varia lo stato attuale.
Esempio

figure(2)
hold on
hold off
a


Il comando subplot

Scopo e sintassi
Lo scopo del comanto subplot ` quello di suddividere la figura attuale
e
in sotto-grafici, e di selezionare uno di essi per poterlo utilizzare.
La sintassi ` subplot(nrows, ncols, index), dove nrows ed ncols
e
indicano la dimensione della griglia che si intende realizzare ed index ` e
l’indice del grafico attuale, partendo dal grafico in altro a sinistra (indice
1) fino al grafico in basso a destra (indice nrows * ncols), facendo
variare l’indice riga per riga.

Griglia di esempio
subplot(2, 3, 1) subplot(2, 3, 2) subplot(2, 3, 3)
subplot(2, 3, 4) subplot(2, 3, 5) subplot(2, 3, 6)

a


Esempio: plot multipli

figure(3)
subplot(3, 1, 1)
subplot(3, 1, 2)
hold on
hold off
subplot(3, 1, 3)

a


Titolo ed etichette

Funzione title
La funzione title prende come parametro una stringa ed ha l’eﬀetto di
aggiungere un titolo al graﬁco corrente.

Le funzioni xlabel ed ylabel
Queste due funzioni prendono come parametro una stringa ed
aggiungono un’etichetta all’asse x (o all’asse y).

a


Gestione assi cartesiani
Funzione axis
La funzione axis prende come primo parametro un vettore di 2, 4 o 6
numeri. I primi due numeri sono i limiti dell’asse x, i secondi due dell’asse
y, gli ultimi due dell’asse z.

Impostazione ticks
La funzione gca restituisce il riferimento agli assi correnti. Con questo
riferimento si possono impostare diverse propriet`, tra cui:
a
XTick e YTick, vettore contenente i valori da utilizzare per i ticks
XTicklabel e YTicklabel, vettore contenente gli elementi da
utilizzare come ticks
La funzione da utilizzare per impostare le propriet` ` set(gca,
ae
propriet`, valore)
a
a


Esempio

figure(4)
plot(interval, sin(interval))
axis([-2 * pi, 2 * pi, -1, 1])
set(gca, ’XTick’, -2 * pi: pi / 2: 2 * pi)
set(gca, ’XTicklabel’, {’-2 pi’, ’- 3/2 pi’, ’- pi’,
’- pi/2’, ’0’, ’pi/2’, ’pi’, ’3/2 pi’, ’2 pi’})
title(’sin(x)’)
xlabel(’x’)
ylabel(’sin(x)’)

Da provare
sombrero
peaks
a

Riferimenti

Sito uﬃciale di GNU Octave
http://www.octave.org

Documentazione
John W. Eaton et al. GNU Octave Manual -
http://www.gnu.org/software/octave/doc/interpreter/

a

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