详解python实现小波变换的一个简单例子

yipeiwu_com6年前Python基础

最近工作需要,看了一下小波变换方面的东西,用python实现了一个简单的小波变换类,将来可以用在工作中。

简单说几句原理,小波变换类似于傅里叶变换,都是把函数用一组正交基函数展开,选取不同的基函数给出不同的变换。例如傅里叶变换,选择的是sin和cos,或者exp(ikx)这种复指数函数;而小波变换,选取基函数的方式更加灵活,可以根据要处理的数据的特点(比如某一段上信息量比较多),在不同尺度上采用不同的频宽来对已知信号进行分解,从而尽可能保留多一点信息,同时又避免了原始傅里叶变换的大计算量。以下计算采用的是haar基,它把函数分为2段(A1和B1,但第一次不分),对第一段内相邻的2个采样点进行变换(只考虑A1),变换矩阵为

sqrt(0.5)       sqrt(0.5)

sqrt(0.5)        -sqrt(0.5)

变换完之后,再把第一段(A1)分为两段,同样对相邻的点进行变换,直到无法再分。

下面直接上代码

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): # 正变换
      i = n
      while(i >= 2):
        self._step(list, stride, i, dir)
        i = i>>1
       
    if (dir == -1):  # 逆变换
      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): # 正变换
      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):  # 逆变换
      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]

测试代码如下:

test.py

import math
import Wavelet
 
waveletn = 256
waveletnc = 20  #保留的分量数
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):  # 筛选出前 waveletnc个分量保留
  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)

当waveletnc = 20时,可得到下图,误差大约为2.1

当waveletnc = 100时,则为下图,误差大约为0.04

当waveletnc = 200时,得到下图,误差大约为0.0005

 以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持【听图阁-专注于Python设计】。

相关文章

Python OpenCV实现图片上输出中文

Python OpenCV实现图片上输出中文

OpenCV中在图片上输出中文一般需要借助FreeType库实现。FreeType库是一个完全免费(开源)的、高质量的且可移植的字体引擎,它提供统一的接口来访问多种字体格式文件。但使用F...

跟老齐学Python之编写类之四再论继承

跟老齐学Python之编写类之四再论继承

在上一讲代码的基础上,做进一步修改,成为了如下程序,请看官研习这个程序: 复制代码 代码如下: #!/usr/bin/env python #coding:utf-8 class Per...

Python实现E-Mail收集插件实例教程

Python实现E-Mail收集插件实例教程

__import__函数 我们都知道import是导入模块的,但是其实import实际上是使用builtin函数import来工作的。在一些程序中,我们可以动态去调用函数,如果我们知道...

Python 2.x如何设置命令执行的超时时间实例

前言 在Python2.x中的几个用来执行命令行的库或函数在执行命令是均不能设置一个命令执行的超时时间,用来在命令执行时间超时时终端这个命令的执行,这个功能在3.x(?)中解决了,但是在...

对python PLT中的image和skimage处理图片方法详解

对python PLT中的image和skimage处理图片方法详解

用PLT比较轻量级,用opencv是比较重量级 import numpy as np from PIL import Image if __name__ == '__main__'...