详解python实现小波变换的一个简单例子-创新互联

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。

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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.h2 = [M_SQRT1_2, M_SQRT1_2]
    self.g1 = [M_SQRT1_2, -M_SQRT1_2]
    self.h3 = [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.h2[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.h3[k] * ai + self._wave.g2[k] * ai1
        i += 2
        ii += 1
        
    for i in range(0, n):
      list[stride*i] = self._scratch[i]

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