Qt 三种实时时频控件的简易方案

Qt尽管非常强大，但对时频分析的控件支持不是很好。以前主要靠Qwt的Spectrogram来做，但眼瞅着Qt Charts 开源后，Qwt的更新越来越少，真的怕那天它凉凉了。Qt Charts 美工要比Qwt更加摩登，可是显然背后的行业背景不是信号处理，其距离数据分析更进一步（股票啦、人口啦等等），支持二维时频不是很好。经过一段时间尝试，找到了至少三种办法，这里做一个记录。

1 使用 Qt Data Visualization

这是最简单的方法，参照例子 Qt Quick 2 Spectrogram Example。其主要原理是利用 Surface 例子中的框架，用正摄投影（不是透视投影）把照相机放在在正上方，显示出一个二维的着色图形。

这个方法显然有些小题大做，原因：

• Qt Data Visualization 需要较好的显卡支持。在笔者上网本上压根跑不起来。
• 3D模型的消费太高，不利于节约资源以及实时刷新。
• 与波形控件的联动不好弄。

2 从开源SDR项目中抽取控件

GNU-Radio下的gqrx是一款基于Qt的SDR接收机，对时频分析做的很棒哦！首先，从GitHub 里checkout，找到文件夹 qtgui，里面的plotter就是时频图。非常值得肯定的是，这个开源项目中，时频图没有和特定功能耦合起来，可以直接提取出使用。
把时频图相关控件提取出来后，可以方便的进行测试。这个控件做的非常棒，功能很多，接口非常清晰，可以慢慢研究。提取出的纯控件参考我的资源，这里给出提取后的界面。

3 利用Qt Charts 和 QImage 就地撸一个

上述提取的控件虽然强大，但是还是带有很多不必要的资源以及结构定义，前前后后拖了一堆小h,cpp,rc,icon文件，甚是烦恼。既然Qt Charts显示波形已经很棒了，自带橡皮筋缩放等功能，何不结合它撸一个呢？
主要的思路很简单，每刷新一次Qt-Charts，就把当前的波形作为像素，增补到一个QImage中，实现时频图显示。

3.1 色彩映射

FFT后的幅度谱结果一般是dB或者dBm，取决于归一化的方法。假设AD时量化范围为正负1伏特映射到正负2048整形，而后做16384点FFT，则可以在FFT后，把16384、2048这些量化值除掉（或对数减去），换算成浮点的分贝数。正常情况下，该值都是一个负数，范围在-200~0之间。

时频显示控件都会有一个动态范围，我们可以通过线性映射，把dB数映射为RGB

const double vii = (v-m_minBound)/(m_maxBound-m_minBound);
int red = 0,green = 0,blue = 0;
if (vii>=0 && vii<0.25)
        blue = vii/0.25*255;
else if (vii>=0.25 && vii<0.5 )
{
        blue = (0.5-vii)/0.25*255;
        red =  (vii-0.25)/0.25*255;
}
else if (vii>=0.5 && vii<0.75 )
{
        red =  255;
        green = (vii-0.5)/0.25*255;
}
else if (vii>=0.75 && vii<1)
{
        red = 255;
        green = 255;
        blue =  (vii-0.75)/0.25*255;
}
else if (vii>=1)
        red = 255, blue = 255, green = 255;

取不同的映射色彩，即可得到不同的风格，上述风格只是例子。

3.2 QtCharts 视图跟踪

当QtCharts的视图被用户缩放后，波形的显示范围也会发生变化。此时，要对数据的范围进行调整。比如，16384点FFT，由于QtCharts波形控件的范围目前只显示3451~4956点，我们的时频图也要同步上这个变化。
同步变化的方法就是获取QtChart当前的视图参数：

//...QChart * ca;
//...QValueAxis * axx;
//...QVector<double> data;//16384 fft
//获得当前视图的X坐标范围
double dmin = axx->min();
double dmax = axx->max();
//获得当前视图的屏幕坐标范围
QRectF r = ca->plotArea();
//推入一行像素。
apectroWidget->append_data(
	 data,
	 r.left(),
	 r.right(),
	 dmin,
	 dmax
	);
//...
class SpectroWidget{...
//...
 QImage m_image;
};
//...
void SpectroWidget::append_data(QVector<double> vec_data,
        double left,
        double right,
        double left_x,
        double right_x)
{
	 const int width = m_image.width();
	 const int height = m_image.height();
	 const int scsize = m_image.bytesPerLine();
	 //当前视图下走一行
	 for (int l = height-1;l>0;--l)
  		memcpy(m_image.scanLine(l),m_image.scanLine(l-1),scsize);
 	const int datasz = vec_data.size();
 	for (int r = 0;r<width;++r)
 	{
  		if (r<left || r>right)
   			continue;
  		//计算当前点对应的原始数据位置
  		int from = (r-left)/(right-left)*(right_x-left_x) + left_x+.5;
  		//归一化幅度到0-1
  		const double v = (from>=0 && from <datasz)?vec_data[from]:m_minBound;
 		const double vii = (v-m_minBound)/(m_maxBound-m_minBound);
  		//从0-1归一化幅度到彩色
  		qRgb pixcolor = colorMap(style,vii);
  		//设置像素
  		m_image.setPixel(r,0,pixcolor);
 	}
	update();
 }

上述步骤比较简化，X坐标直接采用的是点自然下标0-16383。若根据采样率和中心频率映射到实际Hz单位，还要加上一个线性变换。通过上述步骤，即可实现简易的实时时频控件，且刷新性能很棒。

例子参考这里。

4 其他选项

4.1 Qwt仍旧是最佳选择之一

如果您正在以linux或者msys2为开发环境，继续使用Qwt也是很棒的选择。在类Unix环境中，大部分库的安装都是非常方便的，有各种apt\pacman\yum之类的可用。但由于Qwt是第三方控件，要考虑到windows下的兼容性——为每个Qt版本（其实是Qt主次版本+编译器）都构建一次Qwt是非常繁琐的。

4.2 离线分析控件

离线分析控件需要基于文件进行更加细致的控制，如时间尺度的改变、回溯。目前尚未有非常棒的开源离线时频分析控件，如果哪位大神知道的，恳请分享！