python實現小波變換的一個簡單例子
最近工作需要,看了一下小波變換方面的東西,用python實現了一個簡單的小波變換類,將來可以用在工作中。
簡單說幾句原理,小波變換類似於傅立葉變換,都是把函式用一組正交基函式展開,選取不同的基函式給出不同的變換。例如傅立葉變換,選擇的是sin和cos,或者exp(ikx)這種復指數函式;而小波變換,選取基函式的方式更加靈活,可以根據要處理的資料的特點(比如某一段上資訊量比較多),在不同尺度上採用不同的頻寬來對已知訊號進行分解,從而儘可能保留多一點資訊,同時又避免了原始傅立葉變換的大計算量。以下計算採用的是haar基,它把函式分為2段(A1和B1,但第一次不分),對第一段內相鄰的2個取樣點進行變換(只考慮A1),變換矩陣為
sqrt(0.5) sqrt(0.5)
sqrt(0.5) -sqrt(0.5)
變換完之後,再把第一段(A1)分為兩段,同樣對相鄰的點進行變換,直到無法再分。
下面直接上程式碼
Wavelet.py
import math class wave: def __init__(self): M_SQRT1_2 = math.sqrt(0.5) self.h1 = [M_SQRT1_2, M_SQRT1_2] self.g1 = [M_SQRT1_2, -M_SQRT1_2] self.h2 = [M_SQRT1_2, M_SQRT1_2] self.g2 = [M_SQRT1_2, -M_SQRT1_2] self.nc = 2 self.offset = 0 def __del__(self): return class Wavelet: def __init__(self, n): self._haar_centered_Init() self._scratch = [] for i in range(0,n): self._scratch.append(0.0) return def __del__(self): return def transform_inverse(self, list, stride): self._wavelet_transform(list, stride, -1) return def transform_forward(self, list, stride): self._wavelet_transform(list, stride, 1) return def _haarInit(self): self._wave = wave() self._wave.offset = 0 return def _haar_centered_Init(self): self._wave = wave() self._wave.offset = 1 return def _wavelet_transform(self, list, stride, dir): n = len(list) if (len(self._scratch) < n): print("not enough workspace provided") exit() if (not self._ispower2(n)): print("the list size is not a power of 2") exit() if (n < 2): return if (dir == 1): # 正變換 i = n while(i >= 2): self._step(list, stride, i, dir) i = i>>1 if (dir == -1): # 逆變換 i = 2 while(i <= n): self._step(list, stride, i, dir) i = i << 1 return def _ispower2(self, n): power = math.log(n,2) intpow = int(power) intn = math.pow(2,intpow) if (abs(n - intn) > 1e-6): return False else: return True def _step(self, list, stride, n, dir): for i in range(0, len(self._scratch)): self._scratch[i] = 0.0 nmod = self._wave.nc * n nmod -= self._wave.offset n1 = n - 1 nh = n >> 1 if (dir == 1): # 正變換 ii = 0 i = 0 while (i < n): h = 0 g = 0 ni = i + nmod for k in range(0, self._wave.nc): jf = n1 & (ni + k) h += self._wave.h1[k] * list[stride*jf] g += self._wave.g1[k] * list[stride*jf] self._scratch[ii] += h self._scratch[ii + nh] += g i += 2 ii += 1 if (dir == -1): # 逆變換 ii = 0 i = 0 while (i < n): ai = list[stride*ii] ai1 = list[stride*(ii+nh)] ni = i + nmod for k in range(0, self._wave.nc): jf = n1 & (ni + k) self._scratch[jf] += self._wave.h2[k] * ai + self._wave.g2[k] * ai1 i += 2 ii += 1 for i in range(0, n): list[stride*i] = self._scratch[i]
測試程式碼如下:
test.py
import math import Wavelet waveletn = 256 waveletnc = 20 #保留的分量數 wavelettest = Wavelet.Wavelet(waveletn) waveletorigindata = [] waveletdata = [] for i in range(0, waveletn): waveletorigindata.append(math.sin(i)*math.exp(-math.pow((i-100)/50,2))+1) waveletdata.append(waveletorigindata[-1]) Wavelet.wavelettest.transform_forward(waveletdata, 1) newdata = sorted(waveletdata, key = lambda ele: abs(ele), reverse=True) for i in range(waveletnc, waveletn): # 篩選出前 waveletnc個分量保留 for j in range(0, waveletn): if (abs(newdata[i] - waveletdata[j]) < 1e-6): waveletdata[j] = 0.0 break Wavelet.wavelettest.transform_inverse(waveletdata, 1) waveleterr = 0.0 for i in range(0, waveletn): print(waveletorigindata[i], ",", waveletdata[i]) waveleterr += abs(waveletorigindata[i] - waveletdata[i])/abs(waveletorigindata[i]) print("error: ", waveleterr/waveletn)
當waveletnc = 20時,可得到下圖,誤差大約為2.1
當waveletnc = 100時,則為下圖,誤差大約為0.04
當waveletnc = 200時,得到下圖,誤差大約為0.0005
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