【发布时间】:2015-12-10 08:49:07
【问题描述】:
我正在尝试在R 中实现以下卷积,但没有得到预期的结果:
$$ C_{\sigma}[i]=\sum\limits_{k=-P}^P SDL_{\sigma}[i-k,i] \centerdot S[i] $$
其中 $S[i]$ 是光谱强度向量(洛伦兹信号 / NMR 光谱),$i \in [1,N]$ 其中 $N$ 是数据点的数量(在实际示例中,也许是 32K 值)。这是 Jacob, Deborde 和 Moing, Analytical Bioanalytical Chemistry (2013) 405:5049-5061 (DOI 10.1007/s00216-013-6852-y) 中的方程式 1。
$SDL_{\sigma}$ 是一个计算洛伦兹曲线二阶导数的函数,我实现如下(基于论文中的公式 2):
SDL <- function(x, x0, sigma = 0.0005){
if (!sigma > 0) stop("sigma must be greater than zero.")
num <- 16 * sigma * ((12 * (x-x0)^2) - sigma^2)
denom <- pi * ((4 * (x - x0)^2) + sigma^2)^3
sdl <- num/denom
return(sdl)
}
sigma 是半峰宽,x0 是洛伦兹信号的中心。
我相信SDL 可以正常工作(因为返回值的形状类似于经验 Savitzky-Golay 二阶导数)。我的问题是实现 $C_{\sigma}$,我将其写为:
CP <- function(S = NULL, X = NULL, method = "SDL", W = 2000, sigma = 0.0005) {
# S is the spectrum, X is the frequencies, W is the window size (2*P in the eqn above)
# Compute the requested 2nd derivative
if (method == "SDL") {
P <- floor(W/2)
sdl <- rep(NA_real_, length(X)) # initialize a vector to store the final answer
for(i in 1:length(X)) {
# Shrink window if necessary at each extreme
if ((i + P) > length(X)) P <- (length(X) - i + 1)
if (i < P) P <- i
# Assemble the indices corresponding to the window
idx <- seq(i - P + 1, i + P - 1, 1)
# Now compute the sdl
sdl[i] <- sum(SDL(X[idx], X[i], sigma = sigma))
P <- floor(W/2) # need to reset at the end of each iteration
}
}
if (method == "SG") {
sdl <- sgolayfilt(S, m = 2)
}
# Now convolve! There is a built-in function for this!
cp <- convolve(S, sdl, type = "open")
# The convolution has length 2*(length(S)) - 1 due to zero padding
# so we need rescale back to the scale of S
# Not sure if this is the right approach, but it doesn't affect the shape
cp <- c(cp, 0.0)
cp <- colMeans(matrix(cp, ncol = length(cp)/2)) # stackoverflow.com/q/32746842/633251
return(cp)
}
根据参考资料,二阶导数的计算仅限于大约 2000 个数据点的窗口以节省时间。我认为这部分工作正常。它应该只产生微不足道的扭曲。
下面是整个过程和问题的演示:
require("SpecHelpers")
require("signal")
# Create a Lorentzian curve
loren <- data.frame(x0 = 0, area = 1, gamma = 0.5)
lorentz1 <- makeSpec(loren, plot = FALSE, type = "lorentz", dd = 100, x.range = c(-10, 10))
#
# Compute convolution
x <- lorentz1[1,] # Frequency values
y <- lorentz1[2,] # Intensity values
sig <- 100 * 0.0005 # per the reference
cpSDL <- CP(S = y, X = x, sigma = sig)
sdl <- sgolayfilt(y, m = 2)
cpSG <- CP(S = y, method = "SG")
#
# Plot the original data, compare to convolution product
ylabel <- "data (black), Conv. Prod. SDL (blue), Conv. Prod. SG (red)"
plot(x, y, type = "l", ylab = ylabel, ylim = c(-0.75, 0.75))
lines(x, cpSG*100, col = "red")
lines(x, cpSDL/2e5, col = "blue")
如您所见,CP 使用SDL(蓝色)的卷积乘积与CP 使用SG 方法(红色,这是正确的,除了规模)。我希望使用SDL 方法的结果应该具有相似的形状但不同的比例。
如果到目前为止你一直坚持我,a) 谢谢,b) 你能看出有什么问题吗?毫无疑问,我有一个根本性的误解。
【问题讨论】:
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为什么要迁移到这里?
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@KannarKK 我要求迁移它。 24 小时后,它在 CV 上只收到了 3 或 4 次浏览,目前他们似乎每分钟有时会收到 3-6 个问题。所以它很快就沉没了。
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尽管如此,它似乎更适合 CV,因为它侧重于是否存在概念问题。也许它只是需要更大的赏金?
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@rpierce 当它在 CV 上时,它没有任何赏金。我想我们会看看这里会发生什么,但我可能不得不要求它回去。我同意,我的问题可能是概念性的,这就是我开始使用 CV 的原因。 Mathoverflow 也有很多关于卷积的问题,但当然它们比概念或编程更具象征意义……
标签: r convolution