【scipy 基础】--信号处理

猪猪爱蕾

scipy.signal模块主要用于处理和分析信号。
它提供了大量的函数和方法，用于滤波、卷积、傅里叶变换、噪声生成、周期检测、谱分析等信号处理任务。
此模块的主要作用是提供一套完整的信号处理工具，从而帮助用户对各种连续或者离散的时间序列数据、音频信号、电信号或其他物理信号进行操作和分析。
它支持许多标准的和常用的信号处理技术，例如傅立叶变换（用于频谱分析和频域滤波）、IIR和FIR滤波器设计、卷积、及相关性计算等。
1. 主要功能

信号处理模块包含的函数非常丰富。
类别说明卷积相关函数各类一维，二维数组的卷积计算，包含约9个函数B-样条相关函数n阶B-样条基函数的高斯*似，*滑样条（立方体）滤波等等，包含约10多个函数滤波函数相关对 N 维数组执行中值滤波器，维纳滤波器等等，包含约20个函数过滤器设计相关使用双线性变换从模拟滤波器返回数字IIR滤波器，使用最小二乘误差最小化的FIR滤波器设计，使用窗口法进行FIR滤波器设计，包含约30个函数连续时间线性系统连续时间的，状态空间形式的等各类线性时不变系统，计算其阶跃响应，频率响应等，包含约10个函数离散时间线性系统离散时间的，状态空间形式的等各类线性时不变系统，计算其阶跃响应，频率响应等，包含约10个函数LTI(线性非时变)表示用于求解LTI系统的函数和方法，包括从输入到输出的传递函数的计算、系统稳定性的分析、系统响应的求解等，包含约10个函数窗函数相关用于滤波和谱估计的一套窗函数，包含约30个函数小波相关函数处理小波变换，滤波等，包含约7个函数信号峰值计算函数计算信号的极大，极小值，峰值的突出程度等，包含约7个函数光谱分析相关函数用于分析连续和离散的时间信号、实数和复数的信号等。分析信号的频谱分布、频率响应、谱密度等属性等，包含约11个函数线性调频 Z 变换和变焦 FFT是两种特殊的信号处理方法，用于在频域对信号进行变换和缩放，包含约5个函数与其他子模块相比，明显可以看出scipy.signal子模块的函数数量非常多。
这是因为信号处理涉及的领域和应用场景非常广，
包括通信、计算机应用、物理、化学、生物学、军事、经济等领域；
以及声音处理、图像处理、信号分析、信号检测、频谱分析、雷达、无线通信、音频处理、视频处理、遥感、生物医学信号处理、控制系统、信号压缩、模式识别等各种场景。
2. 功能示例

scipy.signal子模块的功能太多，下面演示其中几个函数抛砖引玉。
2.1. 滤波器示例

既然是信号处理模块，肯定离不开对波的处理。
我们首先构造两个正弦波，一个10HZ，一个30HZ。

1. import numpy as np
2. import matplotlib.pyplot as plt
3. from scipy import signal
5. sig1 = np.sin(2 * np.pi * 10 * t)
6. sig2 = np.sin(2 * np.pi * 30 * t)
7. fig, (ax1, ax2) = plt.subplots(2, 1, sharex=True, figsize=[6, 4])
8. ax1.plot(t, sig1)
9. ax1.set_title("10 Hz 正弦波")
10. ax1.axis([0, 1, -2, 2])
12. ax2.plot(t, sig2)
13. ax2.set_title("30 Hz 正弦波")
14. ax2.axis([0, 1, -2, 2])
16. plt.show()

复制代码

然后将2个正弦波混合起来，同一个20HZ的滤波器进行高通和低通滤波。

1. t = np.linspace(0, 1, 1000, False)  # 1 second
2. sig = np.sin(2 * np.pi * 10 * t) + np.sin(2 * np.pi * 30 * t)
3. fig, (ax1, ax2, ax3) = plt.subplots(3, 1, sharex=True, figsize=[6,6])
4. ax1.plot(t, sig)
5. ax1.set_title("10 Hz 和 30 Hz 混合")
6. ax1.axis([0, 1, -2, 2])
8. # 用20HZ的频率 高通滤波
9. sos_high = signal.butter(10, 20, 'hp', fs=1000, output='sos')
10. # 用20HZ的频率 低通滤波
11. sos_low = signal.butter(10, 20, 'lp', fs=1000, output='sos')
13. # 沿着一维过滤数据
14. filtered_high = signal.sosfilt(sos_high, sig)
15. filtered_low = signal.sosfilt(sos_low, sig)
17. ax2.plot(t, filtered_high)
18. ax2.set_title('20 Hz 高通滤波')
19. ax2.axis([0, 1, -2, 2])
21. ax3.plot(t, filtered_low)
22. ax3.set_title('20 Hz 低通滤波')
23. ax3.axis([0, 1, -2, 2])
24. ax3.set_xlabel('Time [seconds]')
25. plt.tight_layout()
27. plt.show()

复制代码

从图中可以看出，高通滤波之后的结果接*30HZ的波；
低通滤波之后的结果接*10HZ的波。
2.2. 图片模糊度示例

图片中的像素也可以看做是二维的信号，所以也可以用滤波器来调整图片的模糊度。

1. from scipy import signal
2. import cv2
4. # 网络上随便找的python logo 图片
5. fp = "d:/share/python.png"
6. image = plt.imread(fp)
7. gray = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
8. gray = np.asarray(gray, np.float64)
10. fig, ax = plt.subplots(2, 2, sharex=True, sharey=True, figsize=(4, 5))
12. # 高斯窗口
13. w1 = signal.windows.gaussian(101, 2.0)
14. w2 = signal.windows.gaussian(101, 6.0)
15. # 卷积与二维可分离FIR滤波器
16. image_new1 = signal.sepfir2d(gray, w1, w1)
17. image_new2 = signal.sepfir2d(gray, w2, w2)
19. ax[0][0].imshow(image)
20. ax[0][0].set_title("原始图片")
21. ax[0][1].imshow(gray, cmap="gray")
22. ax[0][1].set_title("灰度图片")
24. ax[1][0].imshow(image_new1)
25. ax[1][0].set_title("模糊度较低的图片")
26. ax[1][1].imshow(image_new2)
27. ax[1][1].set_title("模糊度较高的图片")
29. plt.show()

复制代码

3. 总结

总的来说，scipy.signal模块的意义在于它提供了一个统一、强大且灵活的接口，使得对信号进行处理和分析变得相对简单。
它不仅支持基本的信号处理操作，还提供了一些更高级的功能，例如使用不同的窗口函数进行傅立叶变换、使用不同的方法进行滤波等。
此外，它还与NumPy紧密集成，使得用户可以方便地在数组上执行各种操作。

来源:https://www.cnblogs.com/wang_yb/p/17845521.html
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