FFT计算错误 - Swift

Question

我正在尝试进行快速傅里叶变换。我基于Surge进行计算，但是我无法得到正确的结果。当我对1000赫兹的声音进行fft时，结果看起来像这样：。而当我使用Python进行相同的处理时，结果看起来更加正确：。Python代码如下：

import numpy as np
import scipy.io.wavfile
import numpy.fft
import matplotlib.pyplot as plt

FILENAME = 'beep.wav'

fs, data = scipy.io.wavfile.read(FILENAME)
data = data[:801]
spacing = 1 / float(fs)
freq = numpy.fft.rfft(data)
freq_power = np.abs(freq)
a = 1 / (2 * spacing)
b = (len(data) + 1) // 2
freq_axis = np.linspace(0, a, b)
plt.plot(freq_axis, freq_power)
plt.show()

Swift代码看起来像这样：

import Accelerate
public func sqrt(x: [Float]) -> [Float] {
var results = [Float](count: x.count, repeatedValue: 0.0)
vvsqrtf(&results, x, [Int32(x.count)])

return results
}

public func fft(input: [Float]) -> [Float] {
var real = [Float](input)
var imaginary = [Float](count: input.count, repeatedValue: 0.0)
var splitComplex = DSPSplitComplex(realp: &real, imagp: &imaginary)

let length = vDSP_Length(floor(log2(Float(input.count))))
let radix = FFTRadix(kFFTRadix2)
let weights = vDSP_create_fftsetup(length, radix)
println(weights)
vDSP_fft_zip(weights, &splitComplex, 1, 8, FFTDirection(FFT_FORWARD))

var magnitudes = [Float](count: input.count, repeatedValue: 0.0)
vDSP_zvmags(&splitComplex, 1, &magnitudes, 1, vDSP_Length(input.count))

var normalizedMagnitudes = [Float](count: input.count, repeatedValue: 0.0)
vDSP_vsmul(sqrt(magnitudes), 1, [2.0 / Float(input.count)], &normalizedMagnitudes, 1, vDSP_Length(input.count))
vDSP_destroy_fftsetup(weights)

return normalizedMagnitudes
}

再次强调，Swift代码是导致意外结果的代码。我做错了什么？

- Kevin

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你没有展示出在Swift中读取wave文件的等效方法。你是否验证过（通过打印输出等方式）你在Swift fft中输入的数据和长度与你从Python的wave文件读取得到的数据类似？ - hotpaw2

你如何解决这个问题？ - Santos Ramón

我也使用Swift Surge库执行FFT，与仅使用MATLAB时得到的结果不同。 - SwiftMatt

Answer 1

看起来您正在使用带有 Accelerate 框架的 Swift 浮点数组，但您可能需要使用 UnsafeMutablePointer<Float> 类型来分配您的向量，因为 Accelerate 框架是一个 Objective-C 框架。以下是一个示例。

public func sqrt(x: [Float]) -> [Float] {
    // convert swift array to C vector
    var temp = UnsafeMutablePointer<Float>.alloc(x.count)
    for (var i=0;i<x.count;i++) {
        temp[i] = x[i];
    }
    var count = UnsafeMutablePointer<Int32>.alloc(1)
    count[0] = Int32(x.count)
    vvsqrtf(temp, temp, count)
    // convert C vector to swift array
    var results = [Float](count: x.count, repeatedValue: 0.0)
    for (var i=0;i<x.count;i++) {
        results[i] = temp[i];
    }
    // Free memory
    count.dealloc(1)
    temp.dealloc(x.count)
    return results
}

为了提高性能，最好在整个代码中使用 UnsafeMutablePointer<Float> 类型来处理数据向量，而不是在函数调用中反复转换，就像我在这个示例中所做的那样。此外，您还应该保存您的 FFT 设置并重复使用以获得更好的性能。

由于您正在使用 vDSP FFT，您可能还会喜欢 vDSP_zvabs API，该 API 从 FFT 结果中计算出分贝值的幅度。

最后，请务必阅读有关加速框架 FFT API 的数据打包和缩放的链接。 https://developer.apple.com/library/mac/documentation/Performance/Conceptual/vDSP_Programming_Guide/UsingFourierTransforms/UsingFourierTransforms.html 为了提高性能，vDSP API 不输出最明显的比例值（因为您无疑会在其他地方对数据进行缩放），并且将一些额外的数据打包到一些 FFT 点中。

- D. Donley

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按照惯例，Swift在for循环后不使用括号。 - SwiftMatt