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我想实时对音频信号进行 FFT,也就是说,当这个人对着麦克风说话时。我将获取数据(我使用 portaudio 执行此操作,如果使用 wavein 会更容易,我很乐意使用它 - 如果您能告诉我如何使用)。接下来,我正在使用 FFTW 库——我知道如何执行 1D、2D(实数和复数)FFT,但我不太确定如何执行此操作,因为我必须执行 3D FFT 才能获得频率、振幅(这将确定颜色渐变)和时间。或者它只是一个 2D FFT,我得到振幅和频率?
最佳答案
我使用滑动 DFT,它比 FFT 快 很多 倍,在每次样本到达输入缓冲区时都需要进行傅里叶变换的情况下。
这是基于这样一个事实,即一旦你对最后 N 个样本执行了傅里叶变换,并且新样本到达,你可以“撤消”最旧样本的效果,并应用最新样本的效果,在单次通过傅立叶数据!这意味着与 FFT 的 O(Log2(n) 乘以 n) 相比,滑动 DFT 性能为 O(n)。此外,为了保持性能,缓冲区大小对 2 的幂没有限制。
下面的完整测试程序将滑动 DFT 与 fftw 进行了比较。在我的生产代码中,我将以下代码优化为不可读,使其速度提高了三倍。
#include <complex>
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <math_defines.h>
#include <float.h>
#define DO_FFTW // libfftw
#define DO_SDFT
#if defined(DO_FFTW)
#pragma comment( lib, "d:\\projects\\common\\fftw\\libfftw3-3.lib" )
namespace fftw {
#include <fftw/fftw3.h>
}
fftw::fftw_plan plan_fwd;
fftw::fftw_plan plan_inv;
#endif
typedef std::complex<double> complex;
// Buffer size, make it a power of two if you want to improve fftw
const int N = 750;
// input signal
complex in[N];
// frequencies of input signal after ft
// Size increased by one because the optimized sdft code writes data to freqs[N]
complex freqs[N+1];
// output signal after inverse ft of freqs
complex out1[N];
complex out2[N];
// forward coeffs -2 PI e^iw -- normalized (divided by N)
complex coeffs[N];
// inverse coeffs 2 PI e^iw
complex icoeffs[N];
// global index for input and output signals
int idx;
// these are just there to optimize (get rid of index lookups in sdft)
complex oldest_data, newest_data;
//initilaize e-to-the-i-thetas for theta = 0..2PI in increments of 1/N
void init_coeffs()
{
for (int i = 0; i < N; ++i) {
double a = -2.0 * PI * i / double(N);
coeffs[i] = complex(cos(a)/* / N */, sin(a) /* / N */);
}
for (int i = 0; i < N; ++i) {
double a = 2.0 * PI * i / double(N);
icoeffs[i] = complex(cos(a),sin(a));
}
}
// initialize all data buffers
void init()
{
// clear data
for (int i = 0; i < N; ++i)
in[i] = 0;
// seed rand()
srand(857);
init_coeffs();
oldest_data = newest_data = 0.0;
idx = 0;
}
// simulating adding data to circular buffer
void add_data()
{
oldest_data = in[idx];
newest_data = in[idx] = complex(rand() / double(N));
}
// sliding dft
void sdft()
{
complex delta = newest_data - oldest_data;
int ci = 0;
for (int i = 0; i < N; ++i) {
freqs[i] += delta * coeffs[ci];
if ((ci += idx) >= N)
ci -= N;
}
}
// sliding inverse dft
void isdft()
{
complex delta = newest_data - oldest_data;
int ci = 0;
for (int i = 0; i < N; ++i) {
freqs[i] += delta * icoeffs[ci];
if ((ci += idx) >= N)
ci -= N;
}
}
// "textbook" slow dft, nested loops, O(N*N)
void ft()
{
for (int i = 0; i < N; ++i) {
freqs[i] = 0.0;
for (int j = 0; j < N; ++j) {
double a = -2.0 * PI * i * j / double(N);
freqs[i] += in[j] * complex(cos(a),sin(a));
}
}
}
double mag(complex& c)
{
return sqrt(c.real() * c.real() + c.imag() * c.imag());
}
void powr_spectrum(double *powr)
{
for (int i = 0; i < N/2; ++i) {
powr[i] = mag(freqs[i]);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
const int NSAMPS = N*10;
clock_t start, finish;
#if defined(DO_SDFT)
// ------------------------------ SDFT ---------------------------------------------
init();
start = clock();
for (int i = 0; i < NSAMPS; ++i) {
add_data();
sdft();
// Mess about with freqs[] here
//isdft();
if (++idx == N) idx = 0; // bump global index
if ((i % 1000) == 0)
std::cerr << i << " iters..." << '\r';
}
finish = clock();
std::cout << "SDFT: " << NSAMPS / ((finish-start) / (double)CLOCKS_PER_SEC) << " fts per second." << std::endl;
double powr1[N/2];
powr_spectrum(powr1);
#endif
#if defined(DO_FFTW)
// ------------------------------ FFTW ---------------------------------------------
plan_fwd = fftw::fftw_plan_dft_1d(N, (fftw::fftw_complex *)in, (fftw::fftw_complex *)freqs, FFTW_FORWARD, FFTW_MEASURE);
plan_inv = fftw::fftw_plan_dft_1d(N, (fftw::fftw_complex *)freqs, (fftw::fftw_complex *)out2, FFTW_BACKWARD, FFTW_MEASURE);
init();
start = clock();
for (int i = 0; i < NSAMPS; ++i) {
add_data();
fftw::fftw_execute(plan_fwd);
// mess about with freqs here
//fftw::fftw_execute(plan_inv);
if (++idx == N) idx = 0; // bump global index
if ((i % 1000) == 0)
std::cerr << i << " iters..." << '\r';
}
// normalize fftw's output
for (int j = 0; j < N; ++j)
out2[j] /= N;
finish = clock();
std::cout << "FFTW: " << NSAMPS / ((finish-start) / (double)CLOCKS_PER_SEC) << " fts per second." << std::endl;
fftw::fftw_destroy_plan(plan_fwd);
fftw::fftw_destroy_plan(plan_inv);
double powr2[N/2];
powr_spectrum(powr2);
#endif
#if defined(DO_SDFT) && defined(DO_FFTW)
// ------------------------------ ---------------------------------------------
const double MAX_PERMISSIBLE_DIFF = 1e-11; // DBL_EPSILON;
double diff;
// check my ft gives same power spectrum as FFTW
for (int i = 0; i < N/2; ++i)
if ( (diff = abs(powr1[i] - powr2[i])) > MAX_PERMISSIBLE_DIFF)
printf("Values differ by more than %g at index %d. Diff = %g\n", MAX_PERMISSIBLE_DIFF, i, diff);
#endif
return 0;
}
关于c - 实时进行 FFT,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/6663222/
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