为什么在神经影像学 GLM 中离散余弦优于 FFT

信息处理 频率 傅里叶变换
2022-02-09 11:20:23

高通滤波常用于神经影像数据分析。通常,只要将一般线性模型拟合到数据(例如在统计参数映射中),就会将设计矩阵的许多列分配给离散余弦 (DC)。有关图形示例,请参见下图。

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我很好奇为什么这比对数据进行傅立叶变换 (FT) 并应用滤波器或截止值更可取。我认为代表 FT 替代方案的论点是:

  • 您不必在 GLM 的每个应用程序上重新进行高通滤波
  • 由于 DCT 是离散的,我猜测 FT 在提取所有高频分量方面会更准确(看上图,我发现很难相信这几个余弦覆盖了它们之间的所有低频频谱)

我认为 DCT 可能是首选方法的原因:

  • 也许它比 FFT 更快。
  • 也许有一个原因需要在 GLM 拟合的同时执行过滤。

你能告诉我你对此的看法吗?

  • 为什么首选 DCT?
  • FFT不是更好吗?
1个回答

假设我们有一个信号,

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DFT 假设信号是周期性的,例如,

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虽然典型的 DCT 假设信号在边界处是均匀的,例如,

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在 DFT 示例中,您可以看到从信号的一侧到另一侧的大幅跳跃。由于它假设一个周期信号,这个大跳跃引入了很多高频分量。因此,信号的能量分布在更多的频率上。例如,DFT 绝对值的对数是

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因为 DCT 假设信号在边界处是均匀的,所以通常没有大的跳跃,因此没有额外的高频分量。如果这个假设是正确的,更多的能量集中在较低的频率上。例如,DCT 绝对值的对数是

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实际上,可以移动 DCT 假设信号为偶数的点。它不必在边界处。但是,如果您的信号通常具有一些较大的斜坡分量,那么使用边界是有意义的。

对于边缘条件,DCT 等效于(乘以标量)镜像信号的 DFT,

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该信号的DFT绝对值的对数为

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这与上面的 DCT 结果相同。

笔记

DCT 不会自动减少边界效应。考虑一个正弦信号的极端例子,它的 DFT 和 DCT:

在此处输入图像描述在此处输入图像描述在此处输入图像描述

因为偶数假设不成立,DCT 实际上产生了更多的高频分量。

为什么使用它

我猜是因为神经成像信号的漂移,它不是周期性的,因此从开始到结束会有很大的跳跃。这将在 DFT 中引入大量高频分量。使用 DCT 假设信号是均匀的并减少边界效应。