C语言面向对象实现滑动均值滤波与平均值滤波

一、背景

在实际的数据采集中，我们经常会取多次数据的均值来减小误差。

二、平均值滤波

1.算法介绍

平均值滤波算法是比较常用，也比较简单的滤波算法。在滤波时，将N个周期的采样值计算平均值，算法非常简单。当N取值较大时，滤波后的信号比较平滑，但是灵敏度差；相反N取值较小时，滤波平滑效果差，但灵敏度好。

优点：算法简单，对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振动的系统。

缺点：对异常信号的抑制作用差，无法消除脉冲干扰的影响。

2.代码实现

float data[10];
 
float averageFilter(float in_data)
{
	float sum = 0;
	for(int i=0; i<9; i++)
	{
		data[i]=data[i+1];
		sum = sum + data[i];
	}
	data[9] = in_data;
	sum = sum + data[9];
	
	return(sum/10);
}

在代码中，data[]为全局变量，它用来记录10个周期的采样值，averageFilter()为滤波函数，它的输入为新采集到的数据，函数中，首先将data[]中的数据进行移位，并将新采集到的数据保存到data[]中，同时计算data[]中10个数据的和，最后返回10个数据和的平均值。

3.实例

下面我们通过一个示例来体会平均值滤波的作用，滤波对象为车速信号，滤波效果如下图所示。图中，横轴为时间，单位：秒，纵轴为速度，单位km/h。其中，蓝色为滤波前的数据，红色为滤波后的数据。可见，平均值滤波对数据进行了很大程度的平滑，但是，数据存在滞后。

三、滑动均值滤波（Moving Average）

方法：

把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)。把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。

#include "iostream"
#include "list"
 
using namespace std;
 
int main()
{
        int sum = 0;
        double real = 0;
        int Length = 4; // 四个一组
 
 
	int i[] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16};
 
	size_t sz = sizeof(i)/sizeof(int);
        list<int> int_list(i, i + Length);
cout << "list_size = "<<sz<<endl;
 
        list<int>::iterator i0;
        for( i0 = int_list.begin (); i0 != int_list.end (); i0++)
        {
//            cout << *i0 << endl;
        sum += *i0;
 
        }
        real = sum / (double)Length;
cout << "1 averg = "<<real << endl;
 
 
 
//        sum = sum - *int_list.begin () ;
//cout << "Remove begin "<<*int_list.begin ()<<" sum = "<<sum << endl;
 
//        int_list.pop_front ();
//        int_list.push_back (i[Length]); // 5
//        sum = sum + int_list.back ();
//        real = sum / (double)Length;
//cout << "Add last "<<int_list.back ()<< " sum = "<<sum << endl;
//cout << "2 real = "<<real << endl;
		int total_loop = sz -Length +1;
 
        for (int var = Length; var < sz; ++var) // i[4] = 5
        {
            sum = sum - *int_list.begin () ;
cout << "Remove begin "<<*int_list.begin ()<<" sum = "<<sum << endl;
 
            int_list.pop_front ();
            int_list.push_back (i[var]); // 5
            sum = sum + int_list.back () ;
cout << "Add last "<<int_list.back ()<< " sum = "<<sum << endl;
 
        real = sum / (double)Length;
cout << total_loop + var -sz +1<<" averg = "<<real << endl;
        }
	return 0;
}

上面的代码使用C++实现的，使用了STL的数据结构，有时在一些嵌入式设备中，我们只能使用C语言（C89/C99），因此下面我会实现一个基于C语言的滑动均值滤波。

四、C语言面向面向对象实现滑动均值滤波

在每个数据采集周期内，我们都需要保存最近采集的N个数据，并且每采集一次新数据，剔除掉老数据，然后把新采集的数据插入。可以看出，很适合用循环队列来实现，因为保存的数据个数是固定的，因此我们的循环队列只需使用数组来实现即可。

先来设计我们的结构体，首先结构体中应该包括

• 保存数据的数组
• 剔除掉最旧数据的函数指针
• 加入最新数据的函数指针

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#define N 5

typedef struct avg {
    int data[N];

    int read;
    int write;

    void (* push)(struct avg*, int *);
    void (* pop)(struct avg* a);
    float (* getAvg)(struct avg* a);

}AVG;

void push(struct avg* a, int *d) {
    a->data[a->write] = *d;
    a->write++;
    a->write = a->write%N;
}

void pop(struct avg* a) {
    a->read++;
    a->read = a->read%N;
}

float getAvg(struct avg* a) {
    float sum = 0;
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        sum += a->data[i];
    }
    return sum/N;
}

int main() {
    //定义一个结构体
    AVG test;

    //数据初始化
    memset(test.data, N, 0);
    test.write = 0;
    test.read = 0;
    test.push = push;
    test.pop = pop;
    test.getAvg = getAvg;

    //采集5个数据插入到循环队列中后才可以输出平均值
    int data1 = 1;
    int data2 = 2;
    int data3 = 3;
    int data4 = 4;
    int data5 = 5;
    test.push(&test, &data1);
    test.push(&test, &data2);
    test.push(&test, &data3);
    test.push(&test, &data4);
    test.push(&test, &data5);

    //下面模拟每次采集到新数据，然后剔除旧数据，输出平均值
    printf("avg: %f", test.getAvg(&test));

    //后面采集到新数据需要执行一些操作
    int data = 99;
    test.push(&test, &data);
    test.pop(&test);//其实这句可以不执行
    printf("\navg: %f", test.getAvg(&test));

    test.push(&test, &data);
    test.pop(&test);//其实这句可以不执行
    printf("\navg: %f", test.getAvg(&test));

    test.push(&test, &data);
    test.pop(&test);//其实这句可以不执行
    printf("\navg: %f", test.getAvg(&test));

    test.push(&test, &data);
    test.pop(&test);//其实这句可以不执行
    printf("\navg: %f", test.getAvg(&test));

    test.push(&test, &data);
    test.pop(&test);//其实这句可以不执行
    printf("\navg: %f", test.getAvg(&test));

}