NumPy 中的傅里叶分析

来源:互联网 发布:有神网络 编辑:程序博客网 时间:2024/06/13 09:31

NumPy 中的傅里叶分析

# 来源:NumPy Essentials ch6

绘图函数

import matplotlib.pyplot as plt import numpy as np def show(ori_func, ft, sampling_period = 5):     n = len(ori_func)     interval = sampling_period / n     # 绘制原始函数    plt.subplot(2, 1, 1)     plt.plot(np.arange(0, sampling_period, interval), ori_func, 'black')     plt.xlabel('Time'), plt.ylabel('Amplitude')     # 绘制变换后的函数    plt.subplot(2,1,2)     frequency = np.arange(n / 2) / (n * interval)     nfft = abs(ft[range(int(n / 2))] / n )     plt.plot(frequency, nfft, 'red')     plt.xlabel('Freq (Hz)'), plt.ylabel('Amp. Spectrum')     plt.show() 

信号处理

# 生成频率为 1(角速度为 2 * pi)的正弦波time = np.arange(0, 5, .005) x = np.sin(2 * np.pi * 1 * time) y = np.fft.fft(x) show(x, y) 

# 将其与频率为 20 和 60 的波叠加起来x2 = np.sin(2 * np.pi * 20 * time) x3 = np.sin(2 * np.pi * 60 * time) x += x2 + x3 y = np.fft.fft(x) show(x, y) 

# 生成方波,振幅是 1,频率为 10Hz# 我们的间隔是 0.05s,每秒有 200 个点# 所以需要每隔 20 个点设为 1x = np.zeros(len(time)) x[::20] = 1 y = np.fft.fft(x) show(x, y) 

# 生成脉冲波x = np.zeros(len(time)) x[380:400] = np.arange(0, 1, .05) x[400:420] = np.arange(1, 0, -.05) y = np.fft.fft(x) show(x, y) 

# 生成随机数x = np.random.random(100) y = np.fft.fft(x) show(x, y) 

原理

x = np.random.random(500) n = len(x) m = np.arange(n) k = m.reshape((n, 1)) M = np.exp(-2j * np.pi * k * m / n) y = np.dot(M, x) np.allclose(y, np.fft.fft(x)) # True '''%timeit np.dot(np.exp(-2j * np.pi * np.arange(n).reshape((n, 1)) * np.arange(n) / n), x) 10 loops, best of 3: 18.5 ms per loop %timeit np.fft.fft(x) 100000 loops, best of 3: 10.9 µs per loop '''

# 傅里叶逆变换M2 = np.exp(2j * np.pi * k * m / n) x2 = np.dot(y, M2) / n np.allclose(x, x2) # True np.allclose(x, np.fft.ifft(y)) # True 

# 创建 10 个 0~9 随机整数的信号a = np.random.randint(10, size = 10) a # array([7, 4, 9, 9, 6, 9, 2, 6, 8, 3]) a.mean() # 6.2999999999999998 # 进行傅里叶变换A = np.fft.fft(a) A '''array([ 63.00000000 +0.00000000e+00j,           -2.19098301 -6.74315233e+00j,         -5.25328890 +4.02874005e+00j,         -3.30901699 -2.40414157e+00j,         13.75328890 -1.38757276e-01j,          1.00000000 -2.44249065e-15j,         13.75328890 +1.38757276e-01j,      -3.30901699 +2.40414157e+00j,         -5.25328890 -4.02874005e+00j,      -2.19098301 +6.74315233e+00j])'''A[0] / 10 # (6.2999999999999998+0j) A[int(10 / 2)] # (1-2.4424906541753444e-15j) # A[0] 是 0 频率的项# A[1:n/2] 是正频率项# A[n/2 + 1: n] 是负频率项# 如果我们要把 0 频率项调整到中间# 可以调用 fft.fftshiftnp.fft.fftshift(A) '''array([  1.00000000 -2.44249065e-15j,        13.75328890 +1.38757276e-01j,         -3.30901699 +2.40414157e+00j,         -5.25328890 -4.02874005e+00j,         -2.19098301 +6.74315233e+00j,         63.00000000 +0.00000000e+00j,         -2.19098301 -6.74315233e+00j,      -5.25328890 +4.02874005e+00j,         -3.30901699 -2.40414157e+00j,        13.75328890 -1.38757276e-01j]) '''# fft2 用于二维,fftn 用于多维x = np.random.random(24) x.shape = 2,12 y2 = np.fft.fft2(x) x.shape = 1,2,12 y3 = np.fft.fftn(x, axes = (1, 2)) np.allclose(y2, y3) # True 

应用

from matplotlib import image # 将上面的图片保存为 scientist.png# 并读入img = image.imread('./scientist.png') # 将图片转换为灰度图# 每个像素是 0.21R + 0.72G + 0.07Bgray_img = np.dot(img[:,:,:3], [.21, .72, .07]) gray_img.shape # (317L, 661L) plt.imshow(gray_img, cmap = plt.get_cmap('gray')) # <matplotlib.image.AxesImage at 0xa6165c0> plt.show() 

# fft2 是二维数组的傅里叶变换# 将空域转换为频域fft = np.fft.fft2(gray_img) amp_spectrum = np.abs(fft) plt.imshow(np.log(amp_spectrum)) # <matplotlib.image.AxesImage at 0xcdeff60> plt.show() 

fft_shift = np.fft.fftshift(fft) plt.imshow(np.log(np.abs(fft_shift))) # <matplotlib.image.AxesImage at 0xd201dd8> plt.show() 

# 放大图像# 我们向 fft_shift 插入零频率,将其尺寸扩大两倍m, n = fft_shift.shape b = np.zeros((int(m / 2), n)) c = np.zeros((2 * m - 1, int(n / 2))) fft_shift = np.concatenate((b, fft_shift, b), axis = 0) fft_shift = np.concatenate((c, fft_shift, c), axis = 1) # 然后再转换回去ifft = np.fft.ifft2(np.fft.ifftshift(fft_shift)) ifft.shape # (633L, 1321L) ifft = np.real(ifft) plt.imshow(ifft, cmap = plt.get_cmap('gray')) # <matplotlib.image.AxesImage at 0xf9a0f98> plt.show() 

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