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@Talokay(Keitaro Takahashi)

[FFTW] クロスプラットフォーム 対応の FFTWライブラリを使用して高速フーリエ変換を行う

Posted at

最近はWindows, Mac OS, iOSなど、複数のプラットフォームに対応した信号処理プログラムを書く機会が増えたので、クロスプラットフォーム対応のFFTライブラリ、FFTWの使い方をまとめます。

FFTWはフリーソフトウェアでありながら、非常に高速な処理を可能にしているFFTライブラリです。
1次元から多次元のDFTをカバーし、自由なフレームサイズを設定可能なため（効率的な計算は2の累乗にする必要がある）、様々な用途に使用可能です。

開発環境
MacBookPro : macOS High Sierra 10.13.4
Xcode : 9.3.1

#FFTW インストール
Mac OSXのインストール方法は、このサイトがわかり易かった。
http://decafish.blog.so-net.ne.jp/2007-10-06

インストールが無事に完了したら、fftw3.hをXcodeプロジェクトに追加。
さらに、libfftw3.aをBinary Library に追加。（下画像参照）
Screen Shot 2018-06-01 at 13.59.40.png

#FFTW Example1

本家のTutorial: http://www.fftw.org/fftw3_doc/Complex-One_002dDimensional-DFTs.html#Complex-One_002dDimensional-DFTs
を参照し、さらにここではサイン波の周波数解析を行う。

  1. fftw2.h を includeする
main.cpp

#include "fftw3.h"

fftwを使用する際は、fftwによって提供されている独自のcomplex型の変数を宣言する。
ここでは、インプットとアウトプットの両方を宣言。

main.cpp
    fftw_complex *in, *out;

fftw_complex型は以下の様にallocateする。

main.cpp
　　const int fftsize = 1024;
    in = (fftw_complex *)fftw_malloc(sizeof(fftw_complex) * fftsize);
    out = (fftw_complex *)fftw_malloc(sizeof(fftw_complex) *fftsize);

使い方としては以下の通り

main.cpp
    int i = frameIndex; // フレームインデックス
    in[i][0] // 実数
    in[i][1] // 虚数

fftwでは、DFT演算を行いために必要なデータを全て格納したplanというデータ型を使用する。

main.cpp
   fftw_plan p;
   p = fftw_plan_dft_1d(fftsize, in, out, FFTW_FORWARD, FFTW_ESTIMATE);

上記はforward FFT の設定方法で、inverse FFT を行う場合は、FFTW_BACKWARDを第四引数に設定する。
第五引数はFFTW_MEASUREかFFTW_ESTIMATEを設定する

FFTW_MEASURE

演算を行うデータ数が複数ある場合、そのデータに最も適したfftsizeを算出して実行する。具体的には、データ毎に異なるfftsizeを使用して、複数回FFTを行い、適切なfftsizeを見つける。FFTW_ESTIMATEに比べて、実行時間が長くかかる。

FFTW_ESTIMATE

FFTW_MEASUREとは対照的に、単純に同じfftsizeを使用して繰り返し計算する。

###実行

DFT演算を開始する際は fftw_execute() 関数にplanデータを渡して実行する。

main.cpp
   fftw_execute(p);

同じ設定で複数回DFTを処理する場合は、この関数のみを繰り返し呼べば良い。

使い終わった後は、メモリの解放を行う。

main.cpp
   fftw_destroy_plan(plan);
   fftw_free(in);

   /* なんらかの処理　*/
   fftw_free(out);

##テスト

サイン波を使用して、DFT演算テストを行う。

main.cpp
    for(int i=0;i<fftsize;i++){
        buffer[i] = sin((float)440.0 / 44100.0 * 2 * M_PI * i);
    }
main.cpp

int main(int argc, const char * argv[]) {

    const int fftsize = 1024;
    fftw_complex *in, *out;
    fftw_plan plan;
    int i;
    
    in = (fftw_complex *)fftw_malloc(sizeof(fftw_complex) * fftsize);
    out = (fftw_complex *)fftw_malloc(sizeof(fftw_complex) *fftsize);
    plan = fftw_plan_dft_1d(fftsize, in, out, FFTW_FORWARD, FFTW_ESTIMATE);
    
    /* create sin wave of 440Hz */
    for(i=0;i<fftsize;i++){
        in[i][0] = sin((float)440.0 / 44100.0 * 2 * M_PI * i);
        in[i][1] = 0.0;
    }
    
    fftw_execute(plan); /* repeat as needed */
    
    fftw_destroy_plan(plan);
    fftw_free(in);
    
    /* get amplitude */
    float amplitude[1024];
    for(i=0;i<fftsize;i++){
        amplitude[i] = out[i][0] * out[i][0] + out[i][1] * out[i][1];
    }
    /* print the result */
    for(i=0;i<fftsize;i++) printf("amplitude[%d] = %lf\n",i,amplitude[i]);
    
    fftw_free(out);
    return 0;
}

##結果

amplitude[0] = 147.694305
amplitude[1] = 153.062424
amplitude[2] = 170.293625
amplitude[3] = 203.283386
amplitude[4] = 260.676941
amplitude[5] = 361.257751
amplitude[6] = 549.621765
amplitude[7] = 951.076660
amplitude[8] = 2034.421875
amplitude[9] = 6898.182617
amplitude[10] = 222777.671875
amplitude[11] = 17526.615234
amplitude[12] = 3474.977783
amplitude[13] = 1466.198853
amplitude[14] = 815.296509
amplitude[15] = 523.652100
amplitude[16] = 367.454102
amplitude[17] = 273.715393
amplitude[18] = 212.828400
amplitude[19] = 170.907669
amplitude[20] = 140.726440
Screen Shot 2018-06-01 at 14.43.39.png

fftのbinから周波数を求めるやり方は以下

binIndex * 44100.0 / fftsize (0 <= binIndex < fftsize)

よって、ピークの周波数は430.66Hzとなる。

この時、隣り合うbinの強度を参照して重心を求めることで、より正確な値を算出できる。

    float freq = 44100.0 / float(fftsize);
    float freq_accum = amplitude[9] * 9 * freq;
    freq_accum += amplitude[10] * 10 * freq;
    freq_accum += amplitude[11] * 11 * freq;
    
    float amp_accum = amplitude[9] + amplitude[10] + amplitude[11];
    
    float fixed_freq = freq_accum / amp_accum;

私はこのやり方をずっとやっていたが、メジャーなやり方は、隣会う数値から放物線を計算して、その頂点を求めるらしい。

結果は 432.516Hz
精度はあまり高くない。

##原因

生成したサイン波の始まりは０スタートだが、０終わりになっていないので、波形に歪みが生じている。

sin[0] = 0.000000
sin[1] = 0.000001
sin[2] = 0.000005

sin[7] = 0.000196
sin[8] = 0.000290
sin[9] = 0.000408 // 0じゃない！

##窓関数

窓関数を使用する場合は以下の通り。

hanning window

main.cpp
   /* create sin wave of 440Hz */
    for(i=0;i<fftsize;i++){
        in[i][0] = sin((float)440.0 / 44100.0 * 2 * M_PI * i) * (0.5 - 0.5 * cos(2 * M_PI * ((float)i/fftsize)));
        in[i][1] = 0.0;
    }


amplitude[0] = 0.003741
amplitude[1] = 0.004732
amplitude[2] = 0.008512
amplitude[3] = 0.018578
amplitude[4] = 0.046741
amplitude[5] = 0.138677
amplitude[6] = 0.522167
amplitude[7] = 2.904061
amplitude[8] = 34.940998
amplitude[9] = 7698.087891
amplitude[10] = 61670.855469
amplitude[11] = 28713.363281
amplitude[12] = 174.219727
amplitude[13] = 7.470490
amplitude[14] = 1.039181
amplitude[15] = 0.240988
amplitude[16] = 0.075089
amplitude[17] = 0.028418
amplitude[18] = 0.012351
amplitude[19] = 0.005954
amplitude[20] = 0.003112
Screen Shot 2018-06-01 at 14.46.29.png

ピークと、前後のbinの値を元に重心を計算すると、結果は

439.892Hz

かなり近くなった！

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