Основные алгоритмы компьютерной графики   БПФ   КГ   ДМ   ТПОИ   Теория сигналов  

Быстрое преобразование Фурье

Листинг программы на C++ (N - любое)

Здесь приведен алгоритм БПФ для произвольного N, вычисляемый через свертку. Данный алгоритм может быть еще значительно ускорен двумя путями.

В начале функции проверяется, что N есть степень двойки N = 2T, и в этом случае вызывается более быстрый алгоритм для степени двойки - то есть, один раз fft_step(x, T, complement, Wstore).

Далее, возможно усовершенствование: не надеяться на компилятор, который должен (при удачном раскладе) оптимизировать вычисления в главном цикле fft_step, а сделать оптимизацию явно. В конце этой страницы приведен оптимизированный вариант функции fft_step. Я его привел отдельно, так как он гораздо менее наглядный. Он рассчитывает на то, что серия структур ShortComplex в памяти представляет собой последовательность double, double, double,... где чередуются реальные и мнимые части.

fft.h

/*
    Fast Fourier Transformation
    ====================================================
    Coded by Miroslav Voinarovsky, 2002
    This source is freeware.
*/

#ifndef FFT_H_
#define FFT_H_

struct Complex;
struct ShortComplex;

/*
  Fast Fourier Transformation
  x: x - array of items
  N: N - number of items in array
  complement: false - normal (direct) transformation, true - reverse transformation
*/
extern void universal_fft(ShortComplex *x, int N, bool complement);

struct ShortComplex
{
    double re, im;
    inline void operator=(const Complex &y);
};

struct Complex
{
    long double re, im;
    inline void operator= (const Complex &y);
    inline void operator= (const ShortComplex &y);
};


inline void ShortComplex::operator=(const Complex &y)    { re = (double)y.re; im = (double)y.im;  }
inline void Complex::operator= (const Complex &y)       { re = y.re; im = y.im; }
inline void Complex::operator= (const ShortComplex &y)  { re = y.re; im = y.im; }

#endif

fft.cpp

/*
    Fast Fourier Transformation
    ====================================================
    Coded by Miroslav Voinarovsky, 2006
    This source is freeware.    
*/

#include "fft.h"
#include <math.h>

// This array contains values from 0 to 255 with reverse bit order
static unsigned char reverse256[]= {
    0x00, 0x80, 0x40, 0xC0, 0x20, 0xA0, 0x60, 0xE0, 
    0x10, 0x90, 0x50, 0xD0, 0x30, 0xB0, 0x70, 0xF0, 
    0x08, 0x88, 0x48, 0xC8, 0x28, 0xA8, 0x68, 0xE8, 
    0x18, 0x98, 0x58, 0xD8, 0x38, 0xB8, 0x78, 0xF8, 
    0x04, 0x84, 0x44, 0xC4, 0x24, 0xA4, 0x64, 0xE4, 
    0x14, 0x94, 0x54, 0xD4, 0x34, 0xB4, 0x74, 0xF4, 
    0x0C, 0x8C, 0x4C, 0xCC, 0x2C, 0xAC, 0x6C, 0xEC, 
    0x1C, 0x9C, 0x5C, 0xDC, 0x3C, 0xBC, 0x7C, 0xFC, 
    0x02, 0x82, 0x42, 0xC2, 0x22, 0xA2, 0x62, 0xE2, 
    0x12, 0x92, 0x52, 0xD2, 0x32, 0xB2, 0x72, 0xF2, 
    0x0A, 0x8A, 0x4A, 0xCA, 0x2A, 0xAA, 0x6A, 0xEA, 
    0x1A, 0x9A, 0x5A, 0xDA, 0x3A, 0xBA, 0x7A, 0xFA, 
    0x06, 0x86, 0x46, 0xC6, 0x26, 0xA6, 0x66, 0xE6, 
    0x16, 0x96, 0x56, 0xD6, 0x36, 0xB6, 0x76, 0xF6, 
    0x0E, 0x8E, 0x4E, 0xCE, 0x2E, 0xAE, 0x6E, 0xEE, 
    0x1E, 0x9E, 0x5E, 0xDE, 0x3E, 0xBE, 0x7E, 0xFE, 
    0x01, 0x81, 0x41, 0xC1, 0x21, 0xA1, 0x61, 0xE1, 
    0x11, 0x91, 0x51, 0xD1, 0x31, 0xB1, 0x71, 0xF1, 
    0x09, 0x89, 0x49, 0xC9, 0x29, 0xA9, 0x69, 0xE9, 
    0x19, 0x99, 0x59, 0xD9, 0x39, 0xB9, 0x79, 0xF9, 
    0x05, 0x85, 0x45, 0xC5, 0x25, 0xA5, 0x65, 0xE5, 
    0x15, 0x95, 0x55, 0xD5, 0x35, 0xB5, 0x75, 0xF5, 
    0x0D, 0x8D, 0x4D, 0xCD, 0x2D, 0xAD, 0x6D, 0xED, 
    0x1D, 0x9D, 0x5D, 0xDD, 0x3D, 0xBD, 0x7D, 0xFD, 
    0x03, 0x83, 0x43, 0xC3, 0x23, 0xA3, 0x63, 0xE3, 
    0x13, 0x93, 0x53, 0xD3, 0x33, 0xB3, 0x73, 0xF3, 
    0x0B, 0x8B, 0x4B, 0xCB, 0x2B, 0xAB, 0x6B, 0xEB, 
    0x1B, 0x9B, 0x5B, 0xDB, 0x3B, 0xBB, 0x7B, 0xFB, 
    0x07, 0x87, 0x47, 0xC7, 0x27, 0xA7, 0x67, 0xE7, 
    0x17, 0x97, 0x57, 0xD7, 0x37, 0xB7, 0x77, 0xF7, 
    0x0F, 0x8F, 0x4F, 0xCF, 0x2F, 0xAF, 0x6F, 0xEF, 
    0x1F, 0x9F, 0x5F, 0xDF, 0x3F, 0xBF, 0x7F, 0xFF,
};

//This is minimized version of type 'complex'. All operations is inline
static long double temp;
inline void operator+=(ShortComplex &x, const Complex &y)        { x.re += (double)y.re; x.im += (double)y.im; }
inline void operator-=(ShortComplex &x, const Complex &y)        { x.re -= (double)y.re; x.im -= (double)y.im; }
inline void operator*=(Complex &x,        const Complex &y)        { temp = x.re; x.re = temp * y.re - x.im * y.im; x.im = temp * y.im + x.im * y.re; }
inline void operator*=(Complex &x,        const ShortComplex &y)    { temp = x.re; x.re = temp * y.re - x.im * y.im; x.im = temp * y.im + x.im * y.re; }
inline void operator/=(ShortComplex &x, double div)                { x.re /= div; x.im /= div; }
inline void operator/=(Complex &x, double div)                { x.re /= div; x.im /= div; }
inline void operator*=(ShortComplex&x, const ShortComplex &y)    { double temp = x.re; x.re = temp * y.re - x.im * y.im; x.im = temp * y.im + x.im * y.re; }


//This is array exp(-2*pi*j/2^n) for n= 1,...,32
//exp(-2*pi*j/2^n) = Complex( cos(2*pi/2^n), -sin(2*pi/2^n) )
static Complex W2n[32]={
    {-1.00000000000000000000000000000000,  0.00000000000000000000000000000000}, // W2 calculator (copy/paste) : po, ps
    { 0.00000000000000000000000000000000, -1.00000000000000000000000000000000},    // W4: p/2=o, p/2=s
    { 0.70710678118654752440084436210485, -0.70710678118654752440084436210485},    // W8: p/4=o, p/4=s
    { 0.92387953251128675612818318939679, -0.38268343236508977172845998403040},    // p/8=o, p/8=s
    { 0.98078528040323044912618223613424, -0.19509032201612826784828486847702}, // p/16=
    { 0.99518472667219688624483695310948, -9.80171403295606019941955638886e-2}, // p/32=
    { 0.99879545620517239271477160475910, -4.90676743274180142549549769426e-2}, // p/64=
    { 0.99969881869620422011576564966617, -2.45412285229122880317345294592e-2}, // p/128=
    { 0.99992470183914454092164649119638, -1.22715382857199260794082619510e-2}, // p/256=
    { 0.99998117528260114265699043772857, -6.13588464915447535964023459037e-3}, // p/(2y9)=
    { 0.99999529380957617151158012570012, -3.06795676296597627014536549091e-3}, // p/(2y10)=
    { 0.99999882345170190992902571017153, -1.53398018628476561230369715026e-3}, // p/(2y11)=
    { 0.99999970586288221916022821773877, -7.66990318742704526938568357948e-4}, // p/(2y12)=
    { 0.99999992646571785114473148070739, -3.83495187571395589072461681181e-4}, // p/(2y13)=
    { 0.99999998161642929380834691540291, -1.91747597310703307439909561989e-4}, // p/(2y14)=
    { 0.99999999540410731289097193313961, -9.58737990959773458705172109764e-5}, // p/(2y15)=
    { 0.99999999885102682756267330779455, -4.79368996030668845490039904946e-5}, // p/(2y16)=
    { 0.99999999971275670684941397221864, -2.39684498084182187291865771650e-5}, // p/(2y17)=
    { 0.99999999992818917670977509588385, -1.19842249050697064215215615969e-5}, // p/(2y18)=
    { 0.99999999998204729417728262414778, -5.99211245264242784287971180889e-6}, // p/(2y19)=
    { 0.99999999999551182354431058417300, -2.99605622633466075045481280835e-6}, // p/(2y20)=
    { 0.99999999999887795588607701655175, -1.49802811316901122885427884615e-6}, // p/(2y21)=
    { 0.99999999999971948897151921479472, -7.49014056584715721130498566730e-7}, // p/(2y22)=
    { 0.99999999999992987224287980123973, -3.74507028292384123903169179084e-7}, // p/(2y23)=
    { 0.99999999999998246806071995015625, -1.87253514146195344868824576593e-7}, // p/(2y24)=
    { 0.99999999999999561701517998752946, -9.36267570730980827990672866808e-8}, // p/(2y25)=
    { 0.99999999999999890425379499688176, -4.68133785365490926951155181385e-8}, // p/(2y26)=
    { 0.99999999999999972606344874922040, -2.34066892682745527595054934190e-8}, // p/(2y27)=
    { 0.99999999999999993151586218730510, -1.17033446341372771812462135032e-8}, // p/(2y28)=
    { 0.99999999999999998287896554682627, -5.85167231706863869080979010083e-9}, // p/(2y29)=
    { 0.99999999999999999571974138670657, -2.92583615853431935792823046906e-9}, // p/(2y30)=
    { 0.99999999999999999892993534667664, -1.46291807926715968052953216186e-9}, // p/(2y31)=
};

#define M_PI (3.1415926535897932384626433832795)

inline void complex_mul(ShortComplex *z, const ShortComplex *z1, const Complex *z2)
{
    z->re = (double)(z1->re * z2->re - z1->im * z2->im);
    z->im = (double)(z1->re * z2->im + z1->im * z2->re);
}

static ShortComplex *createWstore(unsigned int Nmax)
{
    unsigned int N, Skew, Skew2;
    ShortComplex *Wstore, *Warray, *WstoreEnd;
    Complex WN, *pWN;

    Skew2 = Nmax >> 1;
    Wstore = new ShortComplex[Skew2];
    WstoreEnd = Wstore + Skew2;
    Wstore[0].re = 1.0;
    Wstore[0].im = 0.0;

    for(N = 4, pWN = W2n + 1, Skew = Skew2 >> 1; N <= Nmax; N += N, pWN++, Skew2 = Skew, Skew >>= 1)
    {
        //WN = W(1, N) = exp(-2*pi*j/N)
        WN= *pWN; 
        for(Warray = Wstore; Warray < WstoreEnd; Warray += Skew2)
            complex_mul(Warray + Skew, Warray, &WN);
    }
    return Wstore;
}

static void fft_step(ShortComplex *x, unsigned int T, bool complement, const ShortComplex *Wstore)
{
    unsigned int Nmax, I, J, N, Nd2, k, m, Skew, mpNd2, Step;
    unsigned char *Ic = (unsigned char*) &I;
    unsigned char *Jc = (unsigned char*) &J;
    ShortComplex S;
    const ShortComplex *Warray;
    Complex Temp;

    Nmax = 1 << T;    

    //first interchanging
    for(I = 1; I < Nmax - 1; I++)
    {
        Jc[0] = reverse256[Ic[3]];
        Jc[1] = reverse256[Ic[2]];
        Jc[2] = reverse256[Ic[1]];
        Jc[3] = reverse256[Ic[0]];
        J >>= (32 - T);
        if (I < J)
        {
            S = x[I]; 
            x[I] = x[J]; 
            x[J] = S;
        }
    }

    //main loop
    for(N = 2, Nd2 = 1, Skew = Nmax >> 1, Step= 1; N <= Nmax; Nd2 = N, N += N, Skew >>= 1, Step++)
    {
        for(Warray = Wstore, k = 0; k < Nd2; k++, Warray += Skew)
        {
            for(m = k; m < Nmax; m += N)
            {
                Temp = *Warray;
                if (complement)
                    Temp.im= -Temp.im;
                mpNd2= m + Nd2;
                Temp *= x[mpNd2];
                x[mpNd2] = x[m];
                x[mpNd2] -= Temp;
                x[m] += Temp; 
            }
        }
    }
}


/*
  x: x - array of items
  N: N - number of items in array
  complement: false - normal (direct) transformation, true - reverse transformation
*/
void universal_fft(ShortComplex *x, int N, bool complement)
{
    ShortComplex *x_;
    ShortComplex *w;
    ShortComplex *Wstore;

    int T;
    T= (int)floor(log((double)N) / log(2.0) + 0.5);
    if (1 << T == N)
    {
        Wstore= createWstore(N);
        fft_step(x, T, complement, Wstore);
        if (complement)
        {
            for(int i= 0; i < N; i++)
                x[i]/= N;
        }
        delete [] Wstore;
        return;
    }
    //find N', T
    int N2= N+N;
    int N_;
    long double arg;
    for(N_= 1, T= 0; N_ < N2; N_+= N_, T++)
    {
    }
    //find --2pi/N/2 = pi/N
    long double piN= M_PI / N;
    if (complement)
        piN= -piN;
    //find x_[n] = x[n]*e^--2*j*pi*n*n/N/2 = x[n]*e^j*piN*n*n
    x_= new ShortComplex[N_];
    Complex v;
    int n;
    for(n= 0; n < N; ++n)
    {
        arg= piN*n*n;
        v.re= cosl(arg);
        v.im= sinl(arg);
        complex_mul(x_ + n, x + n, &v);
    }
    for(; n < N_; ++n)
        x_[n].re= x_[n].im= 0;

    //find w[n] = e^-j*2*pi*(2*N-2-n)^2/N/2= e^-j*piN*(2*N-2-n)^2
    w= new ShortComplex[N_];
    int N22= 2*N - 2;
    for(n= 0; n < N_; ++n, --N22)
    {
        arg= -piN*N22*N22;
        w[n].re= (double)cos(arg);
        w[n].im= (double)sin(arg);
    }
    //FFT1
    Wstore= createWstore(N_);
    fft_step(x_, T, false, Wstore);
    //FFT2
    fft_step(w, T, false, Wstore);
    //svertka
    for(n= 0; n < N_; ++n)
        x_[n]*= w[n];
    //FFT3 (complement)
    fft_step(x_, T, true, Wstore);
    //find X[n] = X_[n]*e^--j*2*pi*n*n/N/2 = X_[n]*e^j*piN*n*n
    for(n= 0, N22= 2*N - 2; n < N; ++n, --N22)
    {
        arg= piN*n*n;
        v.re= cosl(arg);
        v.im= sinl(arg);
        v/= N_;
        if (complement)
            v/= N;
        complex_mul(x + n, x_ + N22, &v);
    }
    delete [] x_;
    delete [] w;
    delete [] Wstore;
}

Оптимизированный вариант fft_step

  
static void fft_step(ShortComplex *x, unsigned int T, bool complement, const ShortComplex *Wstore)
{
    unsigned int Nmax, I, J, N, Nd2, N2, k, Skew, Step;
    unsigned char *Ic= (unsigned char*) &I;
    unsigned char *Jc= (unsigned char*) &J;
    ShortComplex S;

    Nmax= 1 << T;
    
    double cmul= complement ? -1.0 : +1.0;

    //first interchanging
    for(I = 1; I < Nmax - 1; I++)
    {
        Jc[0]= reverse256[Ic[3]];
        Jc[1]= reverse256[Ic[2]];
        Jc[2]= reverse256[Ic[1]];
        Jc[3]= reverse256[Ic[0]];
        J >>= (32 - T);
        if (I < J)
        {
            S= x[I];
            x[I]= x[J];
            x[J]= S;
        }
    }

    double *Warray;
    double Wre, Wim;
    double Tre, Tim;
    double *arr= (double*)x;
    double *arrEnd= arr + (Nmax + Nmax);

    //main loop
    for(N= 2, Skew= Nmax, Step= 1; N <= Nmax; N += N, Skew >>= 1, Step++)
    {
        N2= N + N;
        Nd2= (N >> 1);
        for(Warray= (double*)Wstore, k= 0; k < Nd2; k++, Warray += Skew)
        {
            Wre= *Warray;
            Wim= cmul*Warray[1];
            for(double *x1re= arr + (k + k); x1re < arrEnd; x1re+= N2)
            {
                double *x1im= x1re + 1;
                double *x2re= x1re + N;
                double *x2im= x2re + 1;
                Tre = Wre * *x2re - Wim * *x2im;
                Tim = Wre * *x2im + Wim * *x2re;
                *x2re= *x1re - Tre;
                *x2im= *x1im - Tim;
                *x1re+= Tre;
                *x1im+= Tim;
            }
        }
    }
}
  
Основные алгоритмы компьютерной графики   БПФ   КГ   ДМ   ТПОИ   Теория сигналов  

Сайт ПДСНПСР. Если ты патриот России - жми сюда!

Знаете ли Вы, что объектно-ориентированное программирование - это технология программирования, при которой программа рассматривается как набор дискретных объектов, содержащих, в свою очередь, наборы структур данных и процедур, взаимодействующих с другими объектами.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 15.01.2018 - 03:10: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
05.10.2017 - 11:03: СОВЕСТЬ - Conscience -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
04.10.2017 - 15:26: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> ПРОБЛЕМА КРИМИНАЛИЗАЦИИ ЭКОНОМИКИ - Карим_Хайдаров.
04.10.2017 - 05:02: Беседка - Chatter -> "Зенит"ы с "Протон"ами будут падать - Карим_Хайдаров.
03.10.2017 - 18:16: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
03.10.2017 - 07:42: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вазгена Авагяна - Карим_Хайдаров.
03.10.2017 - 07:24: ЦИТАТЫ ЧУЖИХ ФОРУМОВ - Outside Quotings -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
03.10.2017 - 05:48: Беседка - Chatter -> WHO IS WHO - КТО ЕСТЬ КТО - Карим_Хайдаров.
02.10.2017 - 19:04: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> Апериодическая комета C/2014 Q2 Lovejoy - Карим_Хайдаров.
02.10.2017 - 14:57: СОВЕСТЬ - Conscience -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
01.10.2017 - 13:58: Беседка - Chatter -> ЭПИСТОЛЯРНАЯ ФИЗИКА - Карим_Хайдаров.
01.10.2017 - 07:23: СОВЕСТЬ - Conscience -> НАСАтые астропиндосы - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution