python信号处理教程_python玩转信号处理与机器学习入门

python玩转信号处理与机器学习入门

作者:王镇

面对毫无规律的随机信号,看着杂乱无章的振动波形,你是否也像曾经的我一样一头雾水,不知从何处下手。莫慌,接下来小编就带你入门怎样用python处理这些看似毫无卵用实则蕴藏巨大信息的随机信号。我们日常生活中所见的心电图,声波图都是信号在时域上的一种表现,但它们无法呈现出信号在频域上的信息。因此,本文将主要介绍信号从时域到频域上的一些变换,常见的有FFT(快速傅里叶变换),PSD(功率谱密度),auto-correlation(自相关分析)。最后小编将带你完成一个实例,通过手机采集的振动信号识别人体的动作。

一、介绍

本部分将介绍FFT,PSD,auto-correlation的基本概念以及python代码实现。

1.1 混合信号

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图1 信号在时域上的表现

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图2 信号在频域上的表现

上图展示了混合信号在时域上的表现形式,图(a)为一频率为1Hz,振幅为2的正弦波信号,图(b)为一频率为5Hz,振幅为1的正弦波信号,图(c)为(a)、(b)两信号的叠加结果。

1.2 FFT

FFT英文全称Fast Fourier Transformation,即快速傅里叶变换,它可以轻松地分析出混合信号中的各频率组成成分。对上述中的混合信号做FFT变换,结果如图2(a),可以明显地看到混合信号包含频率分别为1Hz和5Hz的成分。FFT变换的代码如下:

from scipy.fftpack import fft

def get_fft_values(y_values, N, f_s):

f_values = np.linspace(0.0, f_s/2.0, N//2)

fft_values_ = fft(y_values)

fft_values = 2.0/N * np.abs(fft_values_[0:N//2])

return f_values, fft_values

1.3 PSD

PSD英文全称Power Spectral Density,即功率谱密度,它和FFT一样,反映的是信号在频域上的信息。其中PSD频谱图脉冲下方的面积表示信号在该频率上的能量分布。

对上述中的混合信号做PSD变换,结果如图2(b),可以明显地看到混合信号在频率为1Hz和5Hz上的能量分布。PSD变换的代码如下:

from scipy.signal import welch

def get_psd_values(y_values, N, f_s):

f_values, psd_values = welch(y_values, fs=f_s)

return f_values, psd_values

1.4 Autocorrelation

Autocorrelation是自相关的意思,它可以求出信号的自相关性,即信号经过一个时延后与自身的相似性。对上述中的混合信号计算Autocorrelation,结果如图2(c)所示

。有趣的是Autocorrelation与PSD是一组FFT变换对,对Autocorrelation作FFT变换可得到PSD,对PSD作IFFT(快速傅里叶逆变换)可得到Autocorrelation。

def autocorr(x):

result = np.correlate(x, x, mode='full')

return result[len(result)//2:]

def get_autocorr_values(y_values, N, f_s):

autocorr_values = autocorr(y_values)

x_values = np.array([ 1.0*jj/f_s for jj in range(0, N)])

return x_values, autocorr_values

二 实例

经过上面的简单介绍相信你已经了解并掌握了信号在频域上的变换。写下来让我们运用刚学的知识结合机器学习知识来分析一个实例 Human Activity Recognition Using Smartphones Data Set。该数据集通过在30个不同年龄分布的志愿者上做实验采集得到,在志愿者的腰上固定一手机,手机以50Hz的采样频率采集内嵌加速度计和陀螺仪的数据,志愿者被要求做以下六个动作:walking(行走),walking upstairs(爬楼梯),walking downstairs(下楼梯),sitting(坐着),standing(站着),laying(躺下)。在滤除噪声之后,通过滑动窗口的方式将信号切分成2.56s的窗口,每个窗口包含128个样本。该数据集包含三组数据three-axial linear body acceleration(去除重力加速度的加速度计数据)、three-axial linear total acceleration(包含重力加速度的加速度计数据)、three-axial angular velocity(陀螺仪的数据),因此共有九个分量,其中训练集有7392个窗口,测试集有2947个窗口。

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图3 数据集分布

2.1 数据可视化

随机选取一信号,绘出其在时域和频域上的波形图如下所示,绘图代码详见项目链接:

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图4 一个例子的展示

2.2 特征提取

做好了频谱变换之后,我们需要从中提取特征,这样才能应用我们所熟悉的诸如随机森林,逻辑回归,支持向量机之类的机器学习模型。那么提取什么特征呢,一种方式是提取脉冲(peak)发生时所在的横纵坐标,我们提取频谱中的前5个脉冲的横纵坐标作为特征。其中提取peak信息可用detect_peaks。

def get_first_n_peaks(x, y, no_peaks=5):

x_, y_ = list(x), list(y)

if len(x_) >= no_peaks:

return x_[:no_peaks], y_[:no_peaks]

else:#少于5个peaks,以0填充

missing_no_peaks = no_peaks-len(x_)

return x_ + [0]*missing_no_peaks, y_ + [0]*missing_no_peaks

def get_features(x_values, y_values, mph):

indices_peaks = detect_peaks(y_values, mph=mph)

peaks_x, peaks_y = get_first_n_peaks(

x_values[indices_peaks], y_values[indices_peaks])

return peaks_x + peaks_y

def extract_features_labels(dataset, labels, N, f_s, denominator):

percentile = 5

list_of_features = []

list_of_labels = []

for signal_no in range(0, len(dataset)):

features = []

list_of_labels.append(labels[signal_no])

for signal_comp in range(0, dataset.shape[2]):

signal = dataset[signal_no, :, signal_comp]

signal_min = np.nanpercentile(signal, percentile)

signal_max = np.nanpercentile(signal, 100-percentile)

#ijk = (100 - 2*percentile)/10

#set minimum peak height

mph = signal_min + (signal_max - signal_min)/denominator

features += get_features(*get_psd_values(signal, N, f_s), mph)

features += get_features(*get_fft_values(signal, N, f_s), mph)

features += get_features(*get_autocorr_values(signal, N, f_s), mph)

list_of_features.append(features)

return np.array(list_of_features), np.array(list_of_labels)

X_train, Y_train = extract_features_labels(train_signals, train_labels, N, f_s, denominator)

X_test, Y_test = extract_features_labels(test_signals, test_labels, N, f_s, denominator)

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图5 特征提取详细介绍

2.3 模型训练及结果展示

当构建完特征矩阵以及其对应的标签之后,我们可以选择scikit-learn库中的相关模型进行训练。

clf = RandomForestClassifier(n_estimators=1000)

clf.fit(X_train, Y_train)

print("Accuracy on training set is : {}".format(clf.score(X_train, Y_train)))

print("Accuracy on test set is : {}".format(clf.score(X_test, Y_test)))

Y_test_pred = clf.predict(X_test)

print(classification_report(Y_test, Y_test_pred))

结果如下。

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图6 分类结果展示

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图7 模型比较

正如结果所展示的那样,我们能以相当高的准确率(89%)对这些信号进行分类,取得这个结果,我们甚至都没有做任何手动的特征工程,所有特征都是自动获取的,对于每个变换,我们取前五个峰值的横纵坐标(若少于五个则填充0)。可以理解的一点是,这270个特性中的一些特征将比其他特征提供更多的信息,若我们能主动地选择对分类很重要的特征进行组合,或者对超参数进行优化,相信准确率还能继续提高。

参考文献:

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来源:oschina

链接:https://my.oschina.net/u/4109778/blog/4277567

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