小波学习之二（单层一维离散小波变换DWT的Mallat算法C++实现优化）--转载

2023-01-23 20:50:21

在上回《小波学习之一》中，已经详细介绍了Mallat算法C++实现，效果还可以，但也存在一些问题，比如，代码难于理解，同时出现了边界问题。在此，本文将重构代码，采用新的方法解决这些问题，同时也加深对小波变换的理解。

MATLAB作为经典的数学工具，分析其小波变换dwt和idwt实现后发现真的很经典，学习参考价值很高。下面结合南京理工大学谭彩铭的《解读matlab之小波库函数》及MATLAB小波工具包中m文件的情况，作一个小结，最后用C++函数进行实现，并且编译调试OK。
一、MATLAB上dwt函数的工作过程
假设x=[x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) x(6) x(7)]，计算y=dwt(x,’db2’)，其计算过程主要由三个部分组成：
1、边缘延拓，它主要由函数wextend完成。

仔细分析子程序部分，函数wextend的用法为y=wextend('1D','sym',x,3)；这样得到的y=[ x(3) x(2) x(1) x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) x(6) x(7) x(7) x(6) x(5)]
2、卷积运算，它主要由函数conv2完成。
仔细分析子程序部分，核心语句有z=conv2(y,Lo_D,'valid')；这里设Lo_D=[h(1) h(2) h(3) h(4)]。

这2步的实现过程示意图如下：

小波学习之二（单层一维离散小波变换DWT的Mallat算法C++实现优化）--转载

3、最后就是下采样即隔点采样，其下采样是按照式a = z(2:2:length(z))进行的，高频低频部分均如此，项数为floor（(7+4-1)/2）。

最后的dwt低频系数结果是[z(2) z(4) z(6) z(8) z(10)]，高频系数求解过程和低频系数一样，在此不再赘述。

二、MATLAB上idwt函数的工作过程

1、上采样即隔点插0，dyadup(x,0)。

2、卷积运算，它也是最终由函数conv2完成。

3、抽取结果，wkeep1(x,s,'c')。

下面啥都不说show核心代码实现，欢迎讨论。

/**
* @brief 边缘延拓
* @param typeId 延拓数据的类型，1D or 2D
* @param modeId 延拓方式：对称、周期
* @param in 输入数据
* @param inLen 输入数据的长度
* @param filterLen 小波基滤波器长度
* @param out 返回结果数组
* @return 返回结果数组长度
*/
int SignalExtension(int typeId,
int modeId,
double *in,
int inLen,
int filterLen,
double out[])
{
if((NULL == in)||(NULL == out))
return -1;
if(0 != typeId) // 目前只支持一种模型
return -1;
//if(0 != modeId) // 目前只支持一种模型，信号对称拓延 'sym' or 'symh' Symmetric-padding (half-point): boundary value symmetric replication
// return -1;
if( inLen < filterLen ) // inLen should lager than or equal extendLen, otherwise no extension
return -1;
int i;
int extendLen = filterLen - 1;
if(0 == modeId) // 信号对称拓延
{
for(i=0; i<inLen; i++)
{
out[extendLen+i] = in[i];
}
for(i=0; i<extendLen; i++)
{
out[i] = out[2*extendLen - i - 1]; // 左边沿对称延拓
out[inLen + extendLen + i] = out[extendLen + inLen - i - 1]; // 右边沿对称延拓
}
return inLen + 2*extendLen;
}
else if(1 == modeId) // 信号周期拓延
{
for( i = 0; i < extendLen; i++ )
out[i] = in[inLen-extendLen+i];
for ( i = 0; i < inLen; i++ )
out[extendLen+i] = in[i];
return inLen + extendLen;
}
}

/**

 * @brief 边缘延拓

 * @param typeId 延拓数据的类型，1D or 2D

 * @param modeId 延拓方式：对称、周期

 * @param in 输入数据

 * @param inLen 输入数据的长度

 * @param filterLen 小波基滤波器长度

 * @param out 返回结果数组

 * @return 返回结果数组长度

 */

int SignalExtension(int typeId,

		int modeId,

		double *in,

		int inLen,

		int filterLen,

		double out[])

{

    if((NULL == in)||(NULL == out))

        return -1;

    if(0 != typeId) // 目前只支持一种模型

    	return -1;

    //if(0 != modeId) // 目前只支持一种模型，信号对称拓延  'sym' or 'symh'  	Symmetric-padding (half-point): boundary value symmetric replication

    //	return -1;

    if( inLen < filterLen ) // inLen should lager than or equal extendLen, otherwise no extension

    	return -1;

    int i;

    int extendLen = filterLen - 1;

    if(0 == modeId) // 信号对称拓延

    {

        for(i=0; i<inLen; i++)

        {

        	out[extendLen+i] = in[i];

        }

        for(i=0; i<extendLen; i++)

        {

        	out[i]                     = out[2*extendLen - i - 1];       // 左边沿对称延拓

        	out[inLen + extendLen + i] = out[extendLen + inLen - i - 1]; // 右边沿对称延拓

        }

        return inLen + 2*extendLen;

    }

    else if(1 == modeId) // 信号周期拓延

    {

		for( i = 0; i < extendLen; i++ )

			out[i] = in[inLen-extendLen+i];

		for ( i = 0; i < inLen; i++ )

			out[extendLen+i] = in[i];

        return inLen + extendLen;

    }

}

/**
* @brief 上采样隔点插0
* @param data 输入数据指针
* @param n 输入数据长度
* @param result 返回结果数组
* @return 返回结果数组长度
*/
int Upsampling(double* data, int n, double result[])
{
int i;
for( i = 0; i < n; i++ )
{
result[2*i] = data[i];
result[2*i+1] = 0;
}
return( 2*n );
}

/**

 * @brief 上采样  隔点插0

 * @param data 输入数据指针

 * @param n 输入数据长度

 * @param result 返回结果数组

 * @return 返回结果数组长度

 */

int Upsampling(double* data, int n, double result[])

{

	int i;

	for( i = 0; i < n; i++ )

	{

		result[2*i] = data[i];

		result[2*i+1] = 0;

	}

	return( 2*n );

}

/**
* @brief 下采样隔点采样
* @param data 输入数据指针
* @param n 输入数据长度
* @param result 返回结果数组
* @return 返回结果数组长度
*/
int Downsampling(double* data, int n, double result[])
{
int i, m;
m = n/2;
for( i = 0; i < m; i++ )
result[i] = data[i*2 + 1];
return( m );
}

/**

 * @brief 下采样  隔点采样

 * @param data 输入数据指针

 * @param n 输入数据长度

 * @param result 返回结果数组

 * @return 返回结果数组长度

 */

int Downsampling(double* data, int n, double result[])

{

	int i, m;

	m = n/2;

	for( i = 0; i < m; i++ )

		result[i] = data[i*2 + 1];

	return( m );

}

/**
* @brief 卷积运算
* @param shapeId 卷积结果处理方式
* @param double *inSignal, int signalLen, // 输入信号及其长度
* @param double *inFilter, int filterLen, // 输入滤波器及其长度
* @param double outConv[], int *convLen) // 输出卷积结果及其长度
* @return
*/
void Conv1(int shapeId, // 卷积结果处理方式
double *inSignal, int signalLen, // 输入信号及其长度
double *inFilter, int filterLen, // 输入滤波器及其长度
double outConv[], int *convLen) // 输出卷积结果及其长度
{
if((NULL == inSignal)||(NULL == inFilter)||(NULL == outConv))
return;
int n,k,kmin,kmax,p;
if(0 == shapeId) // 对于MATLAB conv(...,'shape') -----full
{
*convLen = signalLen + filterLen - 1;
for (n = 0; n < *convLen; n++)
{
outConv[n] = 0;
kmin = (n >= filterLen - 1) ? n - (filterLen - 1) : 0;
kmax = (n < signalLen - 1) ? n : signalLen - 1;
for (k = kmin; k <= kmax; k++)
{
outConv[n] += inSignal[k] * inFilter[n - k];
}
}
}
else if(1 == shapeId) // 对于MATLAB conv(...,'shape') -----valid
{
*convLen = signalLen - filterLen + 1;
for (n = filterLen - 1; n < signalLen; n++)
{
p = n - filterLen + 1;
outConv[p] = 0;
kmin = (n >= filterLen - 1) ? n - (filterLen - 1) : 0;
kmax = (n < signalLen - 1) ? n : signalLen - 1;
for (k = kmin; k <= kmax; k++)
{
outConv[p] += inSignal[k] * inFilter[n - k];
}
}
}
else
return ;
}

/**

 * @brief 卷积运算

 * @param shapeId 卷积结果处理方式

 * @param double *inSignal, int signalLen, // 输入信号及其长度

 * @param double *inFilter, int filterLen, // 输入滤波器及其长度

 * @param double outConv[], int *convLen)   // 输出卷积结果及其长度

 * @return

 */

void Conv1(int shapeId,                  // 卷积结果处理方式

		double *inSignal, int signalLen, // 输入信号及其长度

		double *inFilter, int filterLen, // 输入滤波器及其长度

		double outConv[], int *convLen)   // 输出卷积结果及其长度

{

    if((NULL == inSignal)||(NULL == inFilter)||(NULL == outConv))

        return;

    int n,k,kmin,kmax,p;

    if(0 == shapeId)      // 对于MATLAB conv(...,'shape')  -----full

    {

    	*convLen = signalLen + filterLen - 1;

    	for (n = 0; n < *convLen; n++)

    	{

    		outConv[n] = 0;

    	    kmin = (n >= filterLen - 1) ? n - (filterLen - 1) : 0;

    	    kmax = (n < signalLen - 1) ? n : signalLen - 1;

    	    for (k = kmin; k <= kmax; k++)

    	    {

    	    	outConv[n] += inSignal[k] * inFilter[n - k];

    	    }

    	}

    }

    else if(1 == shapeId) // 对于MATLAB conv(...,'shape')  -----valid

    {

    	*convLen = signalLen - filterLen + 1;

    	for (n = filterLen - 1; n < signalLen; n++)

    	{

    		p = n - filterLen + 1;

    		outConv[p] = 0;

    	    kmin = (n >= filterLen - 1) ? n - (filterLen - 1) : 0;

    	    kmax = (n < signalLen - 1) ? n : signalLen - 1;

    	    for (k = kmin; k <= kmax; k++)

    	    {

    	    	outConv[p] += inSignal[k] * inFilter[n - k];

    	    }

    	}

    }

    else

    	return ;

}

/**
* @brief 小波变换之分解
* @param sourceData 源数据
* @param dataLen 源数据长度
* @param db 过滤器类型
* @param cA 分解后的近似部分序列-低频部分
* @param cD 分解后的细节部分序列-高频部分
* @return 正常则返回分解后序列的数据长度，错误则返回-1
*/
int Wavelet::Decomposition(double* sourceData, int dataLen, Filter db, double* cA, double* cD)
{
if(dataLen < 2)
return -1;
if((NULL == sourceData)||(NULL == cA)||(NULL == cD))
return -1;
m_db = db;
int filterLen = m_db.length;
int i, n;
int decLen = (dataLen+filterLen-1)/2;
int convLen = 0;
double extendData[dataLen+2*filterLen-2];
double convDataLow[dataLen+filterLen-1];
double convDataHigh[dataLen+filterLen-1];
/*
MATLAB上dwt函数的工作过程
假设x=[x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) x(6) x(7)],计算y=dwt(x,’db2’)。
其计算过程主要由两个部分组成：
1：边缘延拓，它主要由函数wextend完成。
2：卷积运算，它主要由函数conv2完成。
先看第一部分，仔细分析子程序部分，函数wextend的用法为y=wextend('1D','sym',x,3);
这样得到的y=[ x(3) x(2) x(1) x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) x(6) x(7) x(7) x(6) x(5)]
在看第二部分，仔细分析子程序部分，核心语句有z=conv2(y,Lo_D,'valid');
这里设Lo_D=[h(1) h(2) h(3) h(4)]。
3：最后就是下采样，其下采样是按照式a = z(2:2:length(z))进行的，高频低频部分均如此，项数为floor（(7+4-1)/2）。
*/
// 1.边缘延拓
SignalExtension(0, 0 , sourceData, dataLen, filterLen, extendData);
// 2.卷积运算
Conv1(1, extendData, dataLen+2*filterLen-2, db.lowFilterDec, filterLen, convDataLow, &convLen);
Conv1(1, extendData, dataLen+2*filterLen-2, db.highFilterDec, filterLen, convDataHigh, &convLen);
// 3.下采样
Downsampling(convDataLow, dataLen + filterLen - 1, cA);
Downsampling(convDataHigh, dataLen + filterLen - 1, cD);
return decLen;
}

/**

 * @brief 小波变换之分解

 * @param sourceData 源数据

 * @param dataLen 源数据长度

 * @param db 过滤器类型

 * @param cA 分解后的近似部分序列-低频部分

 * @param cD 分解后的细节部分序列-高频部分

 * @return 正常则返回分解后序列的数据长度，错误则返回-1

 */

int Wavelet::Decomposition(double* sourceData, int dataLen, Filter db, double* cA, double* cD)

{

    if(dataLen < 2)

        return -1;

    if((NULL == sourceData)||(NULL == cA)||(NULL == cD))

        return -1;

    m_db = db;

    int filterLen = m_db.length;

    int i, n;

    int decLen = (dataLen+filterLen-1)/2;

    int convLen = 0;

    double extendData[dataLen+2*filterLen-2];

    double convDataLow[dataLen+filterLen-1];

    double convDataHigh[dataLen+filterLen-1];

/*

MATLAB上dwt函数的工作过程

假设x=[x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) x(6) x(7)],计算y=dwt(x,’db2’)。

其计算过程主要由两个部分组成：

1：边缘延拓，它主要由函数wextend完成。

2：卷积运算，它主要由函数conv2完成。

先看第一部分，仔细分析子程序部分，函数wextend的用法为y=wextend('1D','sym',x,3);

这样得到的y=[ x(3) x(2) x(1) x(1) x(2) x(3) x(4) x(5) x(6) x(7) x(7) x(6) x(5)]

在看第二部分，仔细分析子程序部分，核心语句有z=conv2(y,Lo_D,'valid');

这里设Lo_D=[h(1) h(2) h(3) h(4)]。

3：最后就是下采样，其下采样是按照式a = z(2:2:length(z))进行的，高频低频部分均如此，项数为floor（(7+4-1)/2）。

 */

    // 1.边缘延拓

    SignalExtension(0, 0 , sourceData, dataLen, filterLen, extendData);

    // 2.卷积运算

    Conv1(1, extendData, dataLen+2*filterLen-2, db.lowFilterDec, filterLen, convDataLow, &convLen);

    Conv1(1, extendData, dataLen+2*filterLen-2, db.highFilterDec, filterLen, convDataHigh, &convLen);

    // 3.下采样

    Downsampling(convDataLow, dataLen + filterLen - 1, cA);

    Downsampling(convDataHigh, dataLen + filterLen - 1, cD);

    return decLen;

}

/**
* @brief 小波变换之重构
* @param cA 分解后的近似部分序列-低频部分
* @param cD 分解后的细节部分序列-高频部分
* @param cALength 输入数据长度
* @param RecLength 输入重构后的原始数据长度
* @param db 过滤器类型
* @param recData 重构后输出的数据
* @return 正常则返回重构数据长度，错误则返回-1
*/
int Wavelet::Reconstruction(double *cA, double *cD, int cALength, int RecLength, Filter db, double* recData)
{
if((NULL == cA)||(NULL == cD)||(NULL == recData))
return -1;
m_db = db;
int filterLen = m_db.length;
int i,j;
int n,k,p;
int recLen = RecLength;
int convLen = 0;
double convDataLow[recLen+filterLen-1];
double convDataHigh[recLen+filterLen-1];
double cATemp[2*cALength];
double cDTemp[2*cALength];
memset(convDataLow, 0, (recLen+filterLen-1)*sizeof(double)); // 清0
memset(convDataHigh, 0, (recLen+filterLen-1)*sizeof(double)); // 清0
memset(cATemp, 0, 2*cALength*sizeof(double)); // 清0
memset(cDTemp, 0, 2*cALength*sizeof(double)); // 清0
// 1.隔点插0
Upsampling(cA, cALength, cATemp);
Upsampling(cD, cALength, cDTemp);
// 2.卷积运算
Conv1(0, cATemp, 2*cALength-1, db.lowFilterRec, filterLen ,convDataLow, &convLen);
convLen = 0;
Conv1(0, cDTemp, 2*cALength-1, db.highFilterRec, filterLen ,convDataHigh, &convLen);
// 3.抽取结果及求和——实现类似MATLAB中的wkeep1(s,len,'c')的功能
k = (convLen - recLen)/2;
for(i=0; i<recLen; i++)
{
recData[i] = convDataLow[i + k] + convDataHigh[i + k];
}
return recLen;
}

/**

 * @brief 小波变换之重构

 * @param cA 分解后的近似部分序列-低频部分

 * @param cD 分解后的细节部分序列-高频部分

 * @param cALength 输入数据长度

 * @param RecLength 输入重构后的原始数据长度

 * @param db 过滤器类型

 * @param recData 重构后输出的数据

 * @return 正常则返回重构数据长度，错误则返回-1

 */

int Wavelet::Reconstruction(double *cA, double *cD, int cALength, int RecLength, Filter db, double* recData)

{

    if((NULL == cA)||(NULL == cD)||(NULL == recData))

        return -1;

    m_db = db;

    int filterLen = m_db.length;

    int i,j;

    int n,k,p;

    int recLen = RecLength;

    int convLen = 0;

    double convDataLow[recLen+filterLen-1];

    double convDataHigh[recLen+filterLen-1];

    double cATemp[2*cALength];

    double cDTemp[2*cALength];

    memset(convDataLow, 0, (recLen+filterLen-1)*sizeof(double)); // 清0

    memset(convDataHigh, 0, (recLen+filterLen-1)*sizeof(double)); // 清0

    memset(cATemp, 0, 2*cALength*sizeof(double)); // 清0

    memset(cDTemp, 0, 2*cALength*sizeof(double)); // 清0

    // 1.隔点插0

    Upsampling(cA, cALength, cATemp);

    Upsampling(cD, cALength, cDTemp);

    // 2.卷积运算

    Conv1(0, cATemp, 2*cALength-1, db.lowFilterRec, filterLen ,convDataLow, &convLen);

    convLen = 0;

    Conv1(0, cDTemp, 2*cALength-1, db.highFilterRec, filterLen ,convDataHigh, &convLen);

    // 3.抽取结果及求和——实现类似MATLAB中的wkeep1(s,len,'c')的功能

    k = (convLen - recLen)/2;

    for(i=0; i<recLen; i++)

    {

    	recData[i] = convDataLow[i + k] + convDataHigh[i + k];

    }

    return recLen;

}

//----转自 www.cnblogs.com/IDoIUnderstand/）

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