绘制具有渐变颜色“频谱图”的矩阵

Question

使用 STFT（短时傅里叶变换）后，输出是一个矩阵，表示 3d 图，好像(A[X, Y] = M) A 是输出矩阵，X 是时间，Y 是频率，第三维 M 是由像素颜色的强度表示的幅度如下图：

Spectrogram 2

如何使用 C# 中的图片中的颜色渐变绘制输出矩阵 A？
是否有包含 C# 频谱图控件的库？

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更新：
在对给定的算法进行一些修改后，我可以绘制频谱图，除了第一种颜色变为黑色之外，我没有更改调色板，但我不知道为什么它非常褪色！

这个代表一个声音说

再见

Bye Bye Spectrogram

这是一个pure sine wave，所以它几乎一直是相同的频率

Pure sine wave Spectrogram

输出被接受，它代表了预期的输入信号的频率，但我认为有一种方法可以使频谱图与示例中的频谱图一样好，您能否看看我的代码并提出修改建议？

这是事件处理程序：

private void SpectrogramButton_Click(object sender, EventArgs e)
{
    Complex[][] SpectrogramData = Fourier_Transform.STFT(/*signal:*/ samples,  /*windowSize:*/ 512, /*hopSize:*/ 512);
    SpectrogramBox.Image = Spectrogram.DrawSpectrogram(SpectrogramData, /*Interpolation Factor:*/ 1000, /*Height:*/ 256);
}

而这个是我修改后的绘图功能：

public static Bitmap DrawSpectrogram(Complex[][] Data, int InterpolationFactor, int Height)
{
    // target size:
    Size sz = new Size(Data.GetLength(0), Height);
    Bitmap bmp = new Bitmap(sz.Width, sz.Height);

    // the data array:
    //double[,] data = new double[222, 222];

    // step sizes:
    float stepX = 1f * sz.Width / Data.GetLength(0);
    float stepY = 1f * sz.Height / Data[0].GetLength(0);

    // create a few stop colors:
    List<Color> baseColors = new List<Color>();  // create a color list
    baseColors.Add(Color.Black);
    baseColors.Add(Color.LightSkyBlue);
    baseColors.Add(Color.LightGreen);
    baseColors.Add(Color.Yellow);
    baseColors.Add(Color.Orange);
    baseColors.Add(Color.Red);


    // and the interpolate a larger number of grdient colors:
    List<Color> colors = interpolateColors(baseColors, InterpolationFactor);

    // a few boring test data
    //Random rnd = new Random(1);
    //for (int x = 0; x < data.GetLength(0); x++)
    //    for (int y = 0; y < data.GetLength(1); y++)
    //    {
    //        //data[x, y] = rnd.Next((int)(300 + Math.Sin(x * y / 999) * 200)) +
    //        //                rnd.Next(x + y + 111);
    //        data[x, y] = 0;
    //    }

    // now draw the data:
    float Max = Complex.Max(Data);
    using (Graphics G = Graphics.FromImage(bmp))
        for (int x = 0; x < Data.GetLength(0); x++)
            for (int y = 0; y < Data[0].GetLength(0); y++)
            {
                int Val = (int)Math.Ceiling((Data[x][y].Magnitude / Max) * (InterpolationFactor - 1));
                using (SolidBrush brush = new SolidBrush(colors[(int)Val]))
                    G.FillRectangle(brush, x * stepX, (Data[0].GetLength(0) - y) * stepY, stepX, stepY);
            }

    // and display the result
    return bmp;
}

我不太明白你在回答中所说的log 的东西，对不起，我的知识很少。

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更新：
这是将 log10 添加到幅度后的输出（忽略负值）：

1. This one of "Bye bye" from before:

1. A Shotgun Blast:

1. A Music Box:

我认为这个输出是可以接受的，它与我一开始带来的例子不同，但我认为它更好。

Answer 1

不，我知道没有开箱即用的控件。当然，你很可能可以购买外部库，但是嘘，你不能在 SO 上询问它们......

理论上你可以使用，或者我想我应该说滥用一个Chart控制。但由于DataPoints 是相当昂贵的对象，或者至少比看起来更昂贵，这似乎是不可取的。

相反，您可以简单地将图表绘制成 Bitmap 自己。

• 第一步是决定颜色的渐变。有关此示例，请参阅 interpolateColors function here！

• 然后，您只需使用floats 对数据进行双循环以获取步长和像素大小，然后在此处执行Graphics.FillRectangle。

这是一个使用GDI+ 创建Bitmap 和Winforms PictureBox 用于显示的简单示例。它不会向图形添加任何轴并完全填充它。

它首先创建一些样本数据和带有1000 颜色的渐变。然后它绘制到Bitmap 并显示结果：

private void button6_Click(object sender, EventArgs e)
{
    // target size:
    Size sz = pictureBox1.ClientSize;
    Bitmap bmp = new Bitmap(sz.Width, sz.Height);

    // the data array:
    double[,] data = new double[222, 222];

    // step sizes:
    float stepX = 1f * sz.Width / data.GetLength(0);
    float stepY = 1f * sz.Height / data.GetLength(1);

    // create a few stop colors:
    List<Color> baseColors = new List<Color>();  // create a color list
    baseColors.Add(Color.RoyalBlue);
    baseColors.Add(Color.LightSkyBlue);
    baseColors.Add(Color.LightGreen);
    baseColors.Add(Color.Yellow);
    baseColors.Add(Color.Orange);
    baseColors.Add(Color.Red);
    // and the interpolate a larger number of grdient colors:
    List<Color> colors = interpolateColors(baseColors, 1000);

    // a few boring test data
    Random rnd = new Random(1);
    for (int x = 0; x < data.GetLength(0); x++)
    for (int y = 0; y < data.GetLength(1); y++)
    {
        data[x, y] = rnd.Next( (int) (300 + Math.Sin(x * y / 999) * 200 )) +
                        rnd.Next(  x +  y + 111);
    }

    // now draw the data:
    using (Graphics G = Graphics.FromImage(bmp))
    for (int x = 0; x < data.GetLength(0); x++)
        for (int y = 0; y < data.GetLength(1); y++)
        {
            using (SolidBrush brush = new SolidBrush(colors[(int)data[x, y]]))
                G.FillRectangle(brush, x * stepX, y * stepY, stepX, stepY);
        }

    // and display the result
    pictureBox1.Image = bmp;
}

这是链接中的功能：

List<Color> interpolateColors(List<Color> stopColors, int count)
{
    SortedDictionary<float, Color> gradient = new SortedDictionary<float, Color>();
    for (int i = 0; i < stopColors.Count; i++)
        gradient.Add(1f * i / (stopColors.Count - 1), stopColors[i]);
    List<Color> ColorList = new List<Color>();

    using (Bitmap bmp = new Bitmap(count, 1))
    using (Graphics G = Graphics.FromImage(bmp))
    {
        Rectangle bmpCRect = new Rectangle(Point.Empty, bmp.Size);
        LinearGradientBrush br = new LinearGradientBrush
                                (bmpCRect, Color.Empty, Color.Empty, 0, false);
        ColorBlend cb = new ColorBlend();
        cb.Positions = new float[gradient.Count];
        for (int i = 0; i < gradient.Count; i++)
            cb.Positions[i] = gradient.ElementAt(i).Key;
        cb.Colors = gradient.Values.ToArray();
        br.InterpolationColors = cb;
        G.FillRectangle(br, bmpCRect);
        for (int i = 0; i < count; i++) ColorList.Add(bmp.GetPixel(i, 0));
        br.Dispose();
    }
    return ColorList;
}

您可能想用标签等绘制轴。您可以使用Graphics.DrawString 或TextRenderer.DrawText 来执行此操作。只需在绘图区域周围留出足够的空间！

我使用转换为int 的数据值作为指向颜色表的直接指针。

根据您的数据，您需要按比例缩小它们，甚至使用对数转换。您的第一张图片显示了从 100 到 20k 的 对数 刻度，第二张看起来 线性 从 0 到 100。

如果您向我们展示您的数据结构，我们可以进一步提示您如何调整代码以使用它..

Answer 2

您可以根据其他答案创建位图。使用颜色查找表将 FFT 对数幅度转换为用于每个像素或小矩形的颜色也很常见。