【Golang】FFT と IFFT の実働サンプル

この例では、長さ 8 までのバイト・スライスしか完全に復元できません。

FFT を理解しょうと思うも、手を動かしてみないとガマンできない検証猿のため、手を出したものの、何かを掴んだ気がするも引き出せない、何がなんだか分からずパニくったのでクールダウン中の備忘録として。勉強して適宜アップデートしていきます。

Go言語（golang）で FFT してみたかった

高速フーリエ変換（FFT, Fast Fourier Transform）と逆高速フーリエ変換（IFFT, Inverse Fast Fourier Transform）のシンプルなサンプルです。

とりあえず、バイトのスライス（可変長配列）をフーリエ変換して、それを元に逆フーリエ変換するだけです。

ポイント：
「複雑な値の変化を、複数の『シンプルな波』の集合体とみなした場合、FFT は各々の波に分解する（周波数成分ごとに分ける）処理である」と解釈した場合、 sin や cos の円形運動（三角関数）だけではダメで、いったん複素数（complex number）への変換が必要となる。

package main

import (
	"fmt"
	"math"
	"math/cmplx"
)

func main() {
	byteData := []byte{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}
	initialStep := 1

	// FFT（入力データを周波数成分に変換）
	complexData := bytesToComplex128(byteData)
	transformed := fft(complexData, len(complexData), initialStep)

	fmt.Println("FFT結果（実部=cos成分、虚部=sin成分、強度=振幅）:")
	for i, v := range transformed {
		if i != 0 {
			fmt.Printf("  #%d: 周波数成分（実部: %f, 虚部: % 2.6f）, 強度: %f\n",
				i+1, real(v), imag(v), cmplx.Abs(v))

			continue
		}

		fmt.Printf("  #%d: 直流成分（入力データの平均値）（実部: %f, 虚部: % 2.6f）, 強度: %f\n",
			i+1, real(v), imag(v), cmplx.Abs(v))
	}

	// IFFT（周波数成分を元のデータに戻す）
	restoredComplex := ifft(transformed, len(transformed), initialStep)
	restoredBytes := complex128ToBytes(restoredComplex)

	fmt.Println("Original bytes:", byteData)
	fmt.Println("Restored bytes:", restoredBytes)
	//
	// Output:
	// FFT結果（実部=cos成分、虚部=sin成分、強度=振幅）:
	// 	 #1: 直流成分（入力データの平均値）（実部: 36.000000, 虚部:  0.000000）, 強度: 36.000000
	// 	 #2: 周波数成分（実部: -4.000000, 虚部:  9.656854）, 強度: 10.452504
	// 	 #3: 周波数成分（実部: -4.000000, 虚部:  4.000000）, 強度: 5.656854
	// 	 #4: 周波数成分（実部: -4.000000, 虚部:  1.656854）, 強度: 4.329569
	// 	 #5: 周波数成分（実部: -4.000000, 虚部:  0.000000）, 強度: 4.000000
	// 	 #6: 周波数成分（実部: -4.000000, 虚部: -1.656854）, 強度: 4.329569
	// 	 #7: 周波数成分（実部: -4.000000, 虚部: -4.000000）, 強度: 5.656854
	// 	 #8: 周波数成分（実部: -4.000000, 虚部: -9.656854）, 強度: 10.452504
	// Original bytes: [1 2 3 4 5 6 7 8]
	// Restored bytes: [1 2 3 4 5 6 7 8]
}

// bytesToComplex128 converts a byte slice to a complex128 slice.
func bytesToComplex128(data []byte) []complex128 {
	complexData := make([]complex128, len(data))

	for i, v := range data {
		complexData[i] = complex(float64(v), 0)
	}

	return complexData
}

// complex128ToBytes converts a complex128 slice to a byte slice.
func complex128ToBytes(data []complex128) []byte {
	byteData := make([]byte, len(data))

	for i, v := range data {
		byteData[i] = byte(math.Round(real(v)))
	}

	return byteData
}

// fft returns a slice of complex128 values that represent the FFT of the input
// data.
func fft(data []complex128, size, step int) []complex128 {
	if size == 1 {
		return []complex128{data[0]}
	}

	angle := -2 * math.Pi / float64(size)  // θ
	exp := cmplx.Rect(1, angle)            // 回転因子（単位円上の角度から計算）
	wn := complex(1, 0)                    // 回転因子の初期化
	a0 := fft(data, size/2, 2*step)        // 偶数番目の要素を処理
	a1 := fft(data[step:], size/2, 2*step) // 奇数番目の要素を処理

	y := make([]complex128, size)
	for k := 0; k < size/2; k++ {
		y[k] = a0[k] + wn*a1[k]
		y[k+size/2] = a0[k] - wn*a1[k]
		wn *= exp // 回転因子の更新
	}

	return y
}

// ifft returns a slice of complex128 values that represent the IFFT of the input
// data.
func ifft(data []complex128, size, step int) []complex128 {
	if size == 1 {
		return []complex128{data[0]}
	}

	angle := 2 * math.Pi / float64(size)    // θ
	exp := cmplx.Rect(1, angle)             // 回転因子（単位円上の角度から計算）
	wn := complex(1, 0)                     // 回転因子の初期化
	a0 := ifft(data, size/2, 2*step)        // 偶数番目の要素を処理
	a1 := ifft(data[step:], size/2, 2*step) // 奇数番目の要素を処理

	y := make([]complex128, size)
	for k := 0; k < size/2; k++ {
		y[k] = (a0[k] + wn*a1[k]) / 2
		y[k+size/2] = (a0[k] - wn*a1[k]) / 2
		wn *= exp // 回転因子の更新
	}

	return y
}

• オンラインで動作を見る @ GoPlayground

_{^{みんな、よくこんなん計算式だけで理解できんな。すげぇよ。動いたとはいえ、意味わかんねぇよ。}}