之前搞了一些数字信号处理算法编程(OC),一直没来得及整理,现在整理一下。陆续会更新,包括FFT、巴特沃斯滤波器(高低带通、高低带阻)、数据差值(线性、sinc、三次样条*)、数据压缩(等距、平均、峰值检测)和模仿matlab的STFT功能(spectrogram函数三维绘图)。
注:我比较喜欢使用matlab(也喜欢自己修改matlab的源码做测试,所以重装了好几次了,囧。。。),有部分参考matlab的算法进行(或者直接翻译为OC),算法的运行结果经常会跟matlab运算结果进行比较,算法只做学习用,转载请注明。
另外可能会有不足或者理解偏差的地方,路过的高人请不吝赐教。
好啦,进入正题。
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在数字世界中FFT的意义不言而喻(我曾转载一篇文章有提到:http://blog.csdn.net/shengzhadon/article/details/40539101),这里就不再赘述了。FFT(快速傅里叶变换)是DFT的一种特殊情况,就是当运算点的个数是2的整数次幂的时候进行的运算(不够用0补齐),那就先从DFT开始吧。
一、DFT(本部分就是翻译公式)
定义(来自百科):离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,缩写为DFT),是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式,将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。在形式上,变换两端(时域和频域上)的序列是有限长的,而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT,也应当将其看作其周期延拓的变换。在实际应用中通常采用快速傅里叶变换计算DFT。
DFT的公式是:设x(n)为M点的有限长序列,即在0≤n≤M-1内有值,则定义x(n)的N点(N≥M。当N>M时,补N-M个零值点),离散傅里叶变化定义为
其中,为旋转因子(为方便编辑后续记作W(N, nk),特此说明),其计算公式为,具有以下性质:
①周期性:W(N, nk) = W(N, (n+rN)k) = W(N, n(k+rN)),其中r问整数。
②共轭对称性:(W(N, nk))* = W(N, -nk)。
③可约性:W(N, nk) = W(mN, mnk),W(N, nk) = W(N/m, nk/m),其中m为整数,N/m为整数。
④特殊值:
W(N, N/2) = -1; W(N, (k+N/2)) = -W(N, k); W(N, (N-k)n) = W(N, (N-n)k) = W(N, -nk)。
所以,在计算旋转因子的过程中可以适当的使用特殊值来提高运算的效率。
在计算DFT时,如果数据的点数够计算的点数,则截取计算点数长的数据进行DFT运算,否则将数据点个数补0至计算点个数,然后进行计算,举例如下(举例只是为了说明问题,没有按照编程语言的书写格式)。
比如:数据点数组为 dataArray = {1, 2, 3, 4,5},可以看出数据长度为5。
如果要求做4点DFT运算,则只需截取前4个数作为运算数组进行运算即可,即为{1, 2, 3, 4};
如果要求做8点DFT运算,则需在原数组后补三个0,使长度为8后再进行计算,计算数组为{1, 2, 3, 4,5,0,0,0}。
旋转因子计算代码如下:
注:①传入值格式为W(N, p);②为了提高效率,当旋转因子p = 0时,直接返回 result = 1+0*j = 1;③返回值为负数形式;④利用尤拉公式求负数的指数运算。
/*======================================================================
* 方法名: twiddleFactor
* 方法功能:求FFT计算过程中的旋转因子 - W(N,p)
* 说明: Euler(尤拉)公式 exp(iθ) = cos(θ) - i*sin(θ)
*
* 变量名称:
* N - FFT计算点数
* p - 旋转因子的阶数
*
* 返回值: 旋转因子的复数表示
*=====================================================================*/
+ (ComplexStruct *)twiddleFactor:(int)N andP:(int)p
{
ComplexStruct *twiddle = [[ComplexStruct alloc] init];
if(p==0)
{
[twiddle setReal:1 andSetImg:0];
}
else
{
float tempx = PI_x_2 * p/N;
float real = cos(tempx); //计算复数的实部与虚部
float img = -1 * sin(tempx);
[twiddle setReal:real andSetImg:img]; //调用赋值方法
}
return twiddle;
}
/*======================================================================
* 方法名: dft
* 方法功能:计算数组的DFT,非2的整数次幂的FFT
* N-1
* 公式说明:X(k) = ∑ [x(n)*W(N,nk)],其中,W(N,nk)为旋转因子,k = 0,1,...,N-1
* n=0
*
*
* yVector - 原始数据
* length - 原始数据长度
* N - FFT计算点数
* fftYreal - FFT后的实部
* fftYImg - FFT后的虚部
*
* 返回值: 是否成功的标志,若成功返回true,否则返回false
*=====================================================================*/
+ (BOOL)dft:(float *)yVector andOriginalLength:(NSInteger)length andFFTCount:(NSInteger)N andFFTReal:(float *)fftYReal andFFTYImg:(float *)fftYImg
{
// 标志
BOOL isFFTOK = false;
// 旋转因子指数
NSInteger p;
// N点运算的原始数据
float yVectorN[N];
for (int i = 0; i{
yVectorN[i] = 0.0;
}
// 定义计算过程中用到的复数变量
ComplexStruct *tempFFTY, *yFFT1, *yFFT2;
// 初始化复数变量
yFFT1 = [[ComplexStruct alloc]init];
yFFT2 = nil;
// 判断点数是否够FFT运算点数,并确定最终用于计算的点的值
if (length <= N)
{
// 如果N至少为length,先把yVector全部赋值
for (NSInteger i = 0; i{
yVectorN[i] = yVector[i];
}
// 如果 N > length,后面补零
if (length{
for (NSInteger i = length; i{
yVectorN[i] = 0.0;
}
}
}
else
{
// 如果 Nfor (NSInteger i = 0; i {
yVectorN[i] = yVector[i];
}
}
// 计算结果初始化
for (NSInteger i = 0; i{
fftYReal[i] = 0.0;
fftYImg[i] = 0.0;
}
// 运用公式计算
for (NSInteger i = 0; i{
for (NSInteger j = 0; j{
p = i*j;
tempFFTY = [FFT twiddleFactor:N andP:p];
[yFFT1 setReal:yVectorN[j] andSetImg:0.0];
yFFT2 = [ComplexStruct complexMul:yFFT1 and:tempFFTY];
fftYReal[i] += [yFFT2 getReal];
fftYImg[i] += [yFFT2 getImg];
}
}
return isFFTOK;
}
二、FFT
1.DFT的运算量
复数乘法次数为N*N,复数加法次数为N(N-1),若N>>1,则这两者都近似为N*N,它随N增大为急速增大。
改进途径:①利用旋转因子性质减小计算量;②由于运算量和N*N成正比,因而可将N点DFT分解成小点数的DFT,以减少运算量(点数越小,计算量越小);③改为用FFT计算,复数乘法次数为(N/2)*log(2,N)。
2.FFT可分为按照时间抽选的基-2算法(库利-图基算法DIT-FFT)和按频率抽选的基-2算法(桑德-图基算法DIF-FFT)。本文采用DIT-FFT算法。
3.FFT计算原理及流程图
FFT的计算要求点数必须为2的整数次幂,如果点数不够用0补齐。例如计算{2,3,5,8,4}的8点FFT,需要补3个0后进行计算,如果计算该数组的5点FFT,则先计算8点FFT后截取前5个值即可(不提倡)。
(1)原理
公式推导
设序列x(n)点数为N=2^L,L为整数。将N=2^L,先按照n的奇偶分为两组,其中r = 0, 1, ..., N/2-1
x(2r) = x1(r)
x(2r-1) = x2(r)
则可将DFT化为(式1)
由上式可以看出一个N点的DFT可以分为两个N/2点的DFT,按照上式右组合成N点DFT。但是这里的x1(r)、x2(r)以及X1(k)、X2(k)都是N/2点的序列,即r,k满足r,k=0, 1, ..., N/2-1。而X(k)却有N点,上式计算的只是X(k)的前半项数的结果,因此还需要计算后半项的值。
将①②③代入(式1),就可将X(k)表达为前后两部分:
前半部分,X(k),当k=0, 1, ..., N/2-1
后半部分,X(k),当k=N/2, ..., N-1
蝶形运算说明
蝶形运算,符号表示如下图所示:
所以,FFT的蝶形运算图表示为(8点,2^3 = 8,运算级数最大为L=3)
在蝶形运算中变化规律由W(N, p)推导,其中N为FFT计算点数,J为下角标的值
L = 1时,W(N, p) = W(N, J) = W(2^L, J),其中J = 0;
L = 2时,W(N, p) = W(N, J) = W(2^L, J),其中J = 0, 1;
L = 3时,W(N, p) = W(N, J) = W(2^L, J),其中J = 0, 1, 2, 3;
所以,W(N, p) = W(2^L, J),其中J = 0, 1, ..., 2^(L-1)-1
又因为2^L = 2^M*2^(L-M) = N*2^(L-M),这里N为2的整数次幂,即N=2^M,
W(N, p) = W(2^L, J) = W(N*2^(L-M), J) = W(N, J*2^(M-L))
所以,p = J*2^(M-L),此处J = 0, 1, ..., 2^(L-1)-1,当J遍历结束但计算点数不够N时,J=J+2^L,后继续遍历,直到计算点数为N时不再循环。
举例:N=8点的FFT计算
当L=2时,J = 0, 1两个值,因此p = J*2^(M-L) = 0, 2两个值,即旋转因子有两个值W(8, 0)和W(8, 2),计算中两行之间的距离B = 2^(L-1)=2^(2-1)=2,
代入J=0, 1可求得X(0)、X(0+2)和X(1)、X(1+2),即可求出第2级蝶形运算的X(0), X(1), X(2), X(3),也就是求出一半,此时J加步进2^L=4,即J=J+2^L=4, 5,
再代入J=4, 5可求出X(4), X(4+2)和X(5), X(5+2),即可求出第2级蝶形运算的X(4), X(5), X(6), X(7),已经全部求出,J循环结束。
二进制倒序说明
前面数的排列顺序是进行二进制倒序后的排序。二进制倒序是指将某数转化为二进制表示,将最高位看做最低位、次高位看做次低位...以此类推,计算后的纸进行排序。例如3的二进制表示为011b(3=0*2^2+1*2+1),二进制倒序值为6(011b,最高位看做最低位...即6=0+1*2+1*2^2)
即0到7的二进制排序是:
0, 4, 2, 6, 1, 5, 3, 7
000→000 001→100 010→010 011→110 100→001 101→101 110→011 111→111
(2)流程图及代码
①FFT运算总流程图,包括
②二进制倒序代码(过程见代码注释,可用其他方式实现)
// 二进制倒序说明:
// 二进制倒序是指将数二进制表示后,把最高位当做最低位(以此类推)排序,最高位向次高位进位
// 如倒序后 0 = 000,1 = 100(最高位+1),2 = 010(最高位向次高位进1)
//------------------------------------------------------------------------
// 倒序前 高位->低位 低位->高位 倒序后
//
// 0 0 0 0 --- 0 0 0 0
// 1 0 0 1 --- 1 0 0 4
// 2 转化为二进制 0 1 0 --- 0 1 0 转化为十进制 2
// 3 ===========> 0 1 1 --- 1 1 0 ===========> 6
// 4 1 0 0 --- 0 0 1 1
// 5 1 0 1 --- 1 0 1 5
// 6 1 1 0 --- 0 1 1 3
// 7 1 1 1 --- 1 1 1 7
//------------------------------------------------------------------------
/**
* @brief 对数组vector进行二进制倒序处理,按位计算
* 实现原理:将原数组下角标倒序后赋值给倒序后数组
* @param[in] vector 原数组
* @param[in] N 数组的长度
* @param[out] inverseOrderVector 倒序后的数组
*/
+ (void)inverseOrder:(float *)vector andN:(NSInteger)N andInverseOrderVector:(float *)inverseOrderVector
{
// 求对数,即求出二进制表示时N的位数
NSInteger k = log2(N);
// 按位处理
for (NSInteger i = 0; i{
// 下角标号
NSInteger temp_i = i;
// 计算后的下角标
NSInteger foot = 0;
// 计算过程中,当前所在的位
NSInteger j = 0;
// 第j位上的数
NSInteger temp_foot = 0;
// 每次取低位,变为对应高位,循环求和
while (temp_i)
{
// 取出最后一位
temp_foot = temp_i % 2;
// 计算将最后一位转化为高位的十进制值,并与之前值累加
foot = foot + temp_foot * powf(2, (k - 1 - j));
// 将数右移一位,最右位舍弃
temp_i = temp_i * 0.5;
// 下一位
j++;
}
// 根据下角标取值
inverseOrderVector[i] = vector[foot];
}
}
说明:蝶形运算中又三层循环
第一层(最外层),完成M次迭代过程,即算出A0(k), A1(k), ..., Am(k),其中k=0, 1, ..., N;A2(k)为蝶形运算第2级的结果,如A0(k)=x(k), Am(k)=X(k);
第二层(中间层),完成旋转因子的变化,步进为2^L;
第三层(最里层),完成相同旋转因子的蝶形运算。
FFT实现的代码如下:
/*======================================================================
* 方法名: fft
* 方法功能:计算数组的FFT,运用蝶形运算
*
* 变量名称:
* yVector - 原始数据
* length - 原始数据长度
* N - FFT计算点数
* fftYreal - FFT后的实部
* fftYImg - FFT后的虚部
*
* 返回值: 是否成功的标志,若成功返回true,否则返回false
*=====================================================================*/
+ (BOOL)fft:(float *)yVector andOriginalLength:(NSInteger)length andFFTCount:(NSInteger)N andFFTReal:(float *)fftYReal andFFTYImg:(float *)fftYImg
{
// 确保计算时时2的整数幂点数计算
NSInteger N1 = [self nextNumOfPow2:N];
// 定义FFT运算是否成功的标志
BOOL isFFTOK = false;
// 判断计算点数是否为2的整数次幂
if (N != N1)
{
// 不是2的整数次幂,直接计算DFT
isFFTOK = [self dft:yVector andOriginalLength:length andFFTCount:N andFFTReal:fftYReal andFFTYImg:fftYImg];
// 返回成功标志
return isFFTOK;
}
// 如果计算点数位2的整数次幂,用FFT计算,如下
// 定义变量
float yVectorN[N1]; // N点运算的原始数据
NSInteger powOfN = log2(N1); // N = 2^powOfN,用于标记最大运算级数(公式中表示为:M)
NSInteger level = 1; // 运算级数(第几次运算),最大为powOfN,初值为第一级运算(公式中表示为:L)
NSInteger lineNum; // 行号,倒序排列后的蝶形运算行号(公式中表示为:k)
float inverseOrderY[N1]; // yVector倒序x
NSInteger distanceLine = 1; // 行间距,第level级运算每个蝶形的两个节点距离为distanceLine = 2^(L-1)(公式中表示为:B)
NSInteger p; // 旋转因子的阶数,旋转因子表示为 W(N, p),p = J*2^(M-L)
NSInteger J; // 旋转因子的阶数,旋转因子表示为 W(2^L, J),J = 0, 1, 2,..., 2^(L-1) - 1 = distanceLine - 1
float realTemp, imgTemp, twiddleReal, twiddleImg, twiddleTheta, twiddleTemp = PI_x_2/N1;
NSInteger N_4 = N1/4;
// 判断点数是否够FFT运算点数
if (length <= N1)
{
// 如果N至少为length,先把yVector全部赋值
for (NSInteger i = 0; i{
yVectorN[i] = yVector[i];
}
if (length{
// 如果 N > length 后面补零
for (NSInteger i = length; i{
yVectorN[i] = 0.0;
}
}
}
else
{
// 如果 Nfor (NSInteger i = 0; i {
yVectorN[i] = yVector[i];
}
}
// 调用倒序方法
[self inverseOrder:yVectorN andN:N1 andInverseOrderVector:inverseOrderY];
// 初始值
for (NSInteger i = 0; i{
fftYReal[i] = inverseOrderY[i];
fftYImg[i] = 0.0;
}
// 三层循环
// 第三层(最里):完成相同旋转因子的蝶形运算
// 第二层(中间):完成旋转因子的变化,步进为2^level
// 第一层(最外):完成M次迭代过程,即计算出x(k) = A0(k), A1(k),...,Am(k) = X(k)
// 第一层循环
while (level <= powOfN)
{
distanceLine = powf(2, level - 1); // 初始条件 distanceLine = 2^(level-1)
J = 0;
NSInteger pow2_Level = distanceLine * 2; // 2^level
NSInteger pow2_NSubL = N1/pow2_Level; // 2^(M-L)
// 第二层循环
while (J{
p = J * pow2_NSubL;
lineNum = J;
NSInteger stepCount = 0; // J运算的步进计数
// 求旋转因子
if (p==0)
{
twiddleReal = 1.0;
twiddleImg = 0.0;
}
else if (p == N_4)
{
twiddleReal = 0.0;
twiddleImg = -1.0;
}
else
{
// 计算尤拉公式中的θ
twiddleTheta = twiddleTemp * p;
// 计算复数的实部与虚部
twiddleReal = cos(twiddleTheta);
twiddleImg = -1 * sin(twiddleTheta);
}
// 第三层循环
while (lineNum{
// 计算下角标
NSInteger footNum = lineNum + distanceLine;
/*---------------------------------------
* 用复数运算计算每级中各行的蝶形运算结果
* X(k) = X(k) + X(k+B)*W(N,p)
* X(k+B) = X(k) - X(k+B)*W(N,p)
*---------------------------------------*/
realTemp = fftYReal[footNum] * twiddleReal - fftYImg[footNum] * twiddleImg;
imgTemp = fftYReal[footNum] * twiddleImg + fftYImg[footNum] * twiddleReal;
// 将计算后的实部和虚部分别存放在返回数组中
fftYReal[footNum] = fftYReal[lineNum] - realTemp;
fftYImg[footNum] = fftYImg[lineNum] - imgTemp;
fftYReal[lineNum] = fftYReal[lineNum] + realTemp;
fftYImg[lineNum] = fftYImg[lineNum] + imgTemp;
stepCount += pow2_Level;
// 行号改变
lineNum = J + stepCount;
}
// 旋转因子的阶数变换,达到旋转因子改变的效果
J++;
}
// 运算级数加一
level++;
}
isFFTOK = true;
return isFFTOK;
}
本文开头就已经说了,我个人比较喜欢使用matlab,所以我程序的对比对象当然是matlab。给定t1[8] = {0,1,2,3,4,5,6,7};signal=sin(t1);对signal进行8、16、4、13、6点FFT/DFT计算输出的结果和给定128点数据进行128点FFT计算结果如下图所示:
复制一遍:
FFT,8点计算结果
0.553733 + 0.000000i 2.394647 - 2.097012i -1.386684 + 0.915560i -0.881042 + 0.280414i -0.807574 + 0.000000i -0.881042 - 0.280414i -1.386684 - 0.915560i 2.394647 + 2.097012i
FFT,16点计算结果
0.553733 + 0.000000i 1.431957 + 0.493527i 2.394647 - 2.097012i -1.786256 - 2.899550i -1.386684 + 0.915560i 0.105162 - 0.495158i -0.881042 + 0.280414i 0.249137 - 0.129291i -0.807574 + 0.000000i 0.249137 + 0.129291i -0.881042 - 0.280414i 0.105162 + 0.495158i -1.386684 - 0.915560i -1.786256 + 2.899551i 2.394647 + 2.097012i 1.431957 - 0.493527i
FFT,4点计算结果
1.891888 + 0.000000i -0.909297 - 0.700351i -0.073294 + 0.000000i -0.909297 + 0.700351i
FFT,13点计算结果
0.553733 + 0.000000i 1.898167 + 0.288124i 0.803761 - 3.465451i -2.328951 + 0.137430i 0.200269 - 0.367077i -0.688243 + 0.477332i -0.161869 - 0.528187i -0.161868 + 0.528186i -0.688245 - 0.477332i 0.200271 + 0.367075i -2.328952 - 0.137428i 0.803762 + 3.465451i 1.898167 - 0.288123i
FFT,6点计算结果
0.176162 + 0.000000i -0.276095 - 3.002073i 0.123599 - 0.116304i 0.128828 + 0.000000i 0.123600 + 0.116302i -0.276092 + 3.002073i
FFT,128点计算结果
0.699691 + 0.000000i 0.704772 + 0.010352i 0.719298 + 0.021364i 0.739474 + 0.033697i 0.749607 + 0.047746i 0.679161 + 0.061398i 0.105405 + 0.050647i -6.945906 - 0.423135i 54.641422 + 5.062080i -57.156776 - 6.630915i 9.187446 + 1.338868i 0.342783 + 0.093026i -0.288066 - 0.020889i -0.353394 - 0.043726i -0.328844 - 0.047995i -0.290196 - 0.047167i -0.253328 - 0.044825i -0.221405 - 0.042109i -0.194470 - 0.039423i -0.171855 - 0.036897i -0.152811 - 0.034570i -0.136679 - 0.032440i -0.122920 - 0.030495i -0.111105 - 0.028715i -0.100891 - 0.027084i -0.092007 - 0.025581i -0.084229 - 0.024193i -0.077390 - 0.022905i -0.071342 - 0.021706i -0.065971 - 0.020587i -0.061182 - 0.019537i -0.056895 - 0.018550i -0.053044 - 0.017619i -0.049575 - 0.016737i -0.046441 - 0.015901i -0.043601 - 0.015106i -0.041024 - 0.014347i -0.038679 - 0.013621i -0.036542 - 0.012927i -0.034593 - 0.012260i -0.032808 - 0.011617i -0.031181 - 0.010997i -0.029686 - 0.010398i -0.028318 - 0.009818i -0.027066 - 0.009256i -0.025917 - 0.008710i -0.024865 - 0.008177i -0.023903 - 0.007660i -0.023024 - 0.007153i -0.022220 - 0.006657i -0.021489 - 0.006172i -0.020825 - 0.005695i -0.020224 - 0.005227i -0.019682 - 0.004767i -0.019197 - 0.004313i -0.018766 - 0.003867i -0.018383 - 0.003419i -0.018055 - 0.002986i -0.017772 - 0.002551i -0.017534 - 0.002121i -0.017342 - 0.001693i -0.017193 - 0.001268i -0.017087 - 0.000845i -0.017025 - 0.000423i -0.017003 + 0.000000i -0.017025 + 0.000422i -0.017087 + 0.000845i -0.017193 + 0.001268i -0.017342 + 0.001693i -0.017534 + 0.002121i -0.017772 + 0.002551i -0.018055 + 0.002986i -0.018383 + 0.003425i -0.018766 + 0.003866i -0.019197 + 0.004314i -0.019682 + 0.004767i -0.020224 + 0.005227i -0.020825 + 0.005695i -0.021489 + 0.006172i -0.022220 + 0.006656i -0.023024 + 0.007153i -0.023902 + 0.007659i -0.024865 + 0.008177i -0.025917 + 0.008710i -0.027066 + 0.009256i -0.028318 + 0.009818i -0.029686 + 0.010398i -0.031179 + 0.010998i -0.032808 + 0.011617i -0.034592 + 0.012259i -0.036542 + 0.012927i -0.038679 + 0.013621i -0.041024 + 0.014347i -0.043601 + 0.015106i -0.046441 + 0.015901i -0.049574 + 0.016737i -0.053044 + 0.017619i -0.056894 + 0.018549i -0.061182 + 0.019537i -0.065971 + 0.020587i -0.071342 + 0.021706i -0.077390 + 0.022905i -0.084229 + 0.024193i -0.092005 + 0.025579i -0.100891 + 0.027084i -0.111107 + 0.028715i -0.122921 + 0.030496i -0.136679 + 0.032441i -0.152811 + 0.034570i -0.171855 + 0.036897i -0.194470 + 0.039423i -0.221401 + 0.042109i -0.253328 + 0.044825i -0.290195 + 0.047166i -0.328844 + 0.047996i -0.353394 + 0.043726i -0.288066 + 0.020889i 0.342783 - 0.093026i 9.187446 - 1.338871i -57.156776 + 6.630923i 54.641422 - 5.062086i -6.945903 + 0.423136i 0.105404 - 0.050648i 0.679161 - 0.061398i 0.749607 - 0.047746i 0.739474 - 0.033698i 0.719298 - 0.021364i 0.704768 - 0.010354i
测试结果显示:iOS程序与MATLAB程序运算结果一致,但是MATLAB运算效率高。以下是多次比较求平均后的时间值
为了更直观的观察,将其他的信号(几个信号叠加后的信号)通过fft计算后并作频域处理导入matlab,绘制图如下:
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OK,FFT随笔一份,方便自己以后查阅。其中一定会有很多不足,望路过的大神订正。谢过