stringtranslate.com

Вейвлет-преобразование

Пример 2D дискретного вейвлет-преобразования , используемого в JPEG2000 .

В математике вейвлет -ряд — это представление интегрируемой с квадратом ( действительной или комплекснозначной ) функции с помощью определенного ортонормированного ряда , генерируемого вейвлетом . В этой статье дается формальное математическое определение ортонормированного вейвлета и интегрального вейвлет-преобразования . [1] [2] [3] [4] [5]

Определение

Функция называется ортонормированным вейвлетом , если ее можно использовать для определения гильбертова базиса , то есть полной ортонормированной системы , для гильбертова пространства функций, интегрируемых с квадратом .

Базис Гильберта строится как семейство функций посредством двоичных сдвигов и расширений ,

для целых чисел .

Если при стандартном внутреннем продукте на ,

это семейство ортонормировано, это ортонормированная система:

где находится дельта Кронекера .

Полнота удовлетворяется, если каждую функцию можно разложить в базисе как

при этом под сходимостью ряда понимается сходимость по норме . Такое представление f известно как вейвлет-серия . Это означает, что ортонормированный вейвлет самодуален .

Интегральное вейвлет-преобразование — это интегральное преобразование, определяемое как

Вейвлет -коэффициенты тогда определяются выражением

Здесь называется бинарной дилатацией или диадической дилатацией и представляет собой бинарную или диадическую позицию .

Принцип

Фундаментальная идея вейвлет-преобразований заключается в том, что преобразование должно допускать только изменения во времени, но не в форме, что накладывает ограничение на выбор подходящих базисных функций. Ожидается, что изменения временного расширения будут соответствовать соответствующей частоте анализа базовой функции. На основе принципа неопределенности обработки сигналов,

где представляет собой время и угловую частоту ( , где – обычная частота ).

Чем выше требуемое разрешение по времени, тем ниже должно быть разрешение по частоте. Чем большее расширение окон анализа выбрано , тем больше значение .

Когда он большой,

  1. Плохое разрешение времени
  2. Хорошее частотное разрешение
  3. Низкая частота, большой коэффициент масштабирования

Когда маленький

  1. Хорошее временное разрешение
  2. Плохое разрешение по частоте
  3. Высокая частота, малый коэффициент масштабирования

Другими словами, базисную функцию можно рассматривать как импульсную характеристику системы, с помощью которой функция была отфильтрована. Преобразованный сигнал предоставляет информацию о времени и частоте. Следовательно, вейвлет-преобразование содержит информацию, аналогичную кратковременному преобразованию Фурье , но с дополнительными специальными свойствами вейвлетов, которые проявляются при разрешении во времени на более высоких частотах анализа базисной функции. Разница во временном разрешении на возрастающих частотах для преобразования Фурье и вейвлет-преобразования показана ниже. Однако обратите внимание, что разрешение по частоте уменьшается с увеличением частоты, в то время как временное разрешение увеличивается. Это следствие принципа неопределенности Фурье неверно отображено на рисунке.

Это показывает, что вейвлет-преобразование хорошо обеспечивает временное разрешение высоких частот, тогда как для медленно меняющихся функций частотное разрешение является замечательным.

Другой пример: анализ трех наложенных синусоидальных сигналов с помощью STFT и вейвлет-преобразования.

Вейвлет-сжатие

Вейвлет-сжатие — это форма сжатия данных, хорошо подходящая для сжатия изображений (иногда также сжатия видео и аудио ). Известные реализации — JPEG 2000 , DjVu и ECW для неподвижных изображений, JPEG XS , CineForm и Dirac от BBC . Цель состоит в том, чтобы хранить данные изображения в файле как можно меньше места . Вейвлет-сжатие может быть как без потерь , так и с потерями . [6]

Используя вейвлет-преобразование, методы вейвлет-сжатия подходят для представления переходных процессов , таких как перкуссионные звуки в аудио или высокочастотные компоненты в двумерных изображениях, например, изображения звезд на ночном небе. Это означает, что переходные элементы сигнала данных могут быть представлены меньшим объемом информации, чем было бы в случае, если бы использовалось какое-либо другое преобразование, например более распространенное дискретное косинусное преобразование .

Дискретное вейвлет-преобразование было успешно применено для сжатия сигналов электрокардиографа (ЭКГ) [7]. В этой работе высокая корреляция между соответствующими вейвлет-коэффициентами сигналов последовательных сердечных циклов используется с использованием линейного прогнозирования.

Вейвлет-сжатие неэффективно для всех типов данных. Вейвлет-сжатие хорошо обрабатывает переходные сигналы. Но гладкие периодические сигналы лучше сжимаются с помощью других методов, в частности, традиционного гармонического анализа в частотной области с преобразованиями Фурье . Сжатие данных, имеющих как переходные, так и периодические характеристики, может быть выполнено с помощью гибридных методов, в которых используются вейвлеты наряду с традиционным гармоническим анализом. Например, аудиокодек Vorbis в основном использует модифицированное дискретное косинусное преобразование для сжатия звука (который обычно является плавным и периодическим), однако позволяет добавить банк гибридных вейвлет-фильтров для улучшения воспроизведения переходных процессов. [8]

См. «Дневник разработчика x264: Проблемы с вейвлетами» (2010 г.), где обсуждаются практические вопросы современных методов использования вейвлетов для сжатия видео.

Метод

Сначала применяется вейвлет-преобразование. В результате получается столько коэффициентов , сколько пикселей в изображении (т. е. сжатие еще не производится, поскольку это всего лишь преобразование). Эти коэффициенты затем можно будет легче сжать, поскольку информация статистически сконцентрирована всего в нескольких коэффициентах. Этот принцип называется кодированием с преобразованием . После этого коэффициенты квантуются , а квантованные значения подвергаются энтропийному кодированию и/или кодированию длины серии .

В некоторых одномерных и двумерных приложениях вейвлет-сжатия используется метод, называемый «вейвлет-следы». [9] [10]

Оценка

Требования к сжатию изображений

Для большинства естественных изображений спектральная плотность нижних частот выше. [11] В результате информация низкочастотного сигнала (опорного сигнала) обычно сохраняется, тогда как информация подробного сигнала отбрасывается. С точки зрения сжатия и реконструкции изображений вейвлет при выполнении сжатия изображений должен соответствовать следующим критериям:

Требование к отклонению смещения и звонковому поведению

Система сжатия вейвлет-изображений включает в себя фильтры и прореживание, поэтому ее можно описать как систему с линейным сдвигом. Типичная диаграмма вейвлет-преобразования показана ниже:

Система преобразования содержит два фильтра анализа (фильтр нижних частот и фильтр верхних частот ), процесс прореживания, процесс интерполяции и два фильтра синтеза ( и ). Система сжатия и реконструкции обычно включает в себя низкочастотные компоненты, то есть фильтры анализа для сжатия изображения и фильтры синтеза для реконструкции. Чтобы оценить такую ​​систему, мы можем ввести импульс и наблюдать его реконструкцию ; Оптимальным вейвлетом являются те, которые обеспечивают минимальную дисперсию сдвига и боковые лепестки до . Несмотря на то, что вейвлет со строгим отклонением сдвига нереалистичен, можно выбрать вейвлет с лишь небольшим отклонением сдвига. Например, мы можем сравнить дисперсию сдвига двух фильтров: [12]

Наблюдая за импульсными характеристиками двух фильтров, мы можем сделать вывод, что второй фильтр менее чувствителен к местоположению входа (т.е. это вариант с меньшим сдвигом).

Еще одной важной проблемой сжатия и реконструкции изображений является колебательное поведение системы, которое может привести к серьезным нежелательным артефактам в реконструированном изображении. Чтобы добиться этого, вейвлет-фильтры должны иметь большое отношение пика к боковым лепесткам.

До сих пор мы обсуждали одномерную трансформацию системы сжатия изображений. Эту проблему можно распространить на два измерения, при этом предлагается более общий термин — смещаемые многомасштабные преобразования. [13]

Получение импульсной характеристики

Как упоминалось ранее, импульсный отклик можно использовать для оценки системы сжатия/восстановления изображения.

Для входной последовательности опорный сигнал после одного уровня разложения подвергается прореживанию в два раза и является фильтром нижних частот. Аналогично, следующий опорный сигнал получается путем прореживания в два раза. После L уровней разложения (и децимации) ответ анализа получается путем сохранения одного из каждых образцов: .

С другой стороны, чтобы восстановить сигнал x(n), мы можем рассмотреть опорный сигнал . Если сигналы детализации равны нулю для , то опорный сигнал на предыдущем этапе ( этапе) равен , который получается путем интерполяции и свертки с . Аналогично процедура повторяется для получения опорного сигнала на этапе . После L итераций вычисляется импульсная характеристика синтеза: , которая связывает опорный сигнал и восстановленный сигнал.

Чтобы получить общую систему анализа/синтеза уровня L, ответы анализа и синтеза объединяются, как показано ниже:

.

Наконец, отношение пика к первому боковому лепестку и среднее значение второго бокового лепестка общей импульсной характеристики можно использовать для оценки эффективности сжатия вейвлет-изображения.

Сравнение с преобразованием Фурье и частотно-временным анализом

Вейвлеты имеют некоторые небольшие преимущества перед преобразованиями Фурье в сокращении вычислений при исследовании определенных частот. Однако они редко бывают более чувствительными, и действительно, обычный вейвлет Морле математически идентичен кратковременному преобразованию Фурье с использованием оконной функции Гаусса. [14] Исключением является поиск сигналов известной, несинусоидальной формы (например, сердцебиение); в этом случае использование согласованных вейвлетов может превзойти стандартный анализ STFT/Morlet. [15]

Другие практические применения

Вейвлет-преобразование может предоставить нам частоту сигналов и время, связанное с этими частотами, что делает его очень удобным для применения во многих областях. Например, обработка сигналов ускорения для анализа походки, [16] для обнаружения неисправностей, [17] для проектирования кардиостимуляторов малой мощности, а также в сверхширокополосной (СШП) беспроводной связи. [18] [19] [20]

  1. Дискретизация оси

    Применили следующую дискретизацию частоты и времени:

    Что приводит к вейвлетам вида, дискретная формула для базового вейвлета:

    Такие дискретные вейвлеты можно использовать для преобразования:

  2. Реализация через БПФ (быстрое преобразование Фурье)

    Как видно из представления вейвлет-преобразования (показано ниже)

    где коэффициент масштабирования представляет собой коэффициент временного сдвига

    и, как уже упоминалось в этом контексте, вейвлет-преобразование соответствует свертке функции и вейвлет-функции. Свертку можно реализовать как умножение в частотной области. При этом следующий подход к реализации приводит к:

    • Фурье-преобразование сигнала с помощью БПФ
    • Выбор дискретного масштабного коэффициента
    • Масштабирование вейвлет-базиса по этому коэффициенту и последующее БПФ этой функции
    • Умножение на преобразованный сигнал YFFT первого шага
    • Обратное преобразование произведения во временную область приводит к различным дискретным значениям и дискретному значению
    • Возвращаемся ко второму шагу, пока не будут обработаны все дискретные значения масштабирования.
    Существует множество различных типов вейвлет-преобразований для конкретных целей. См. также полный список преобразований, связанных с вейвлетами , но наиболее распространенные из них перечислены ниже: вейвлет «Мексиканская шляпа» , вейвлет Хаара , вейвлет Добеши , треугольный вейвлет.
  3. Обнаружение неисправностей в электроэнергетических системах. [21]
  4. Локально адаптивная статистическая оценка функций, гладкость которых существенно варьируется в зависимости от области, или, более конкретно, оценка функций, которые разрежены в вейвлет-области. [22]

Временные вейвлеты

Для обработки временных сигналов в реальном времени важно, чтобы вейвлет-фильтры не обращались к значениям сигналов из будущего, а также чтобы можно было получить минимальные временные задержки. Представления вейвлетов, причинных по времени, были разработаны Сью и др. [23] и Линдебергом [24] , причем последний метод также включает в себя эффективно рекурсивную по времени реализацию.

Синхронно-сжатое преобразование

Синхронно-сжатое преобразование может значительно улучшить временное и частотное разрешение частотно-временного представления, полученного с использованием обычного вейвлет-преобразования. [25] [26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мейер, Ив (1992), Вейвлеты и операторы, Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета, ISBN  0-521-42000-8
  2. ^ Чуи, Чарльз К. (1992), Введение в вейвлеты, Сан-Диего, Калифорния: Academic Press, ISBN 0-12-174584-8 
  3. ^ Добеши, Ингрид. (1992), Десять лекций по вейвлетам, SIAM, ISBN 978-0-89871-274-2 
  4. ^ Акансу, Али Н.; Хаддад, Ричард А. (1992), Разложение сигнала с несколькими разрешениями: преобразования, поддиапазоны и вейвлеты, Бостон, Массачусетс: Academic Press, ISBN 978-0-12-047141-6 
  5. ^ Гадерпур, Э.; Пагиатакис, С.Д.; Хасан, Квебек (2021). «Опрос по обнаружению изменений и анализу временных рядов с помощью приложений». Прикладные науки . 11 (13): 6141. дои : 10.3390/app11136141 . hdl : 11573/1655273 .
  6. ^ JPEG 2000 , например, может использовать вейвлет 5/3 для преобразования без потерь (обратимого) и вейвлет 9/7 для преобразования с потерями (необратимого).
  7. ^ Рамакришнан, АГ; Саха, С. (1997). «Кодирование ЭКГ с помощью линейного прогнозирования на основе вейвлетов» (PDF) . Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 44 (12): 1253–1261. дои : 10.1109/10.649997. PMID  9401225. S2CID  8834327.
  8. ^ "Спецификация Vorbis I" . Фонд Xiph.Org . 04.07.2020. Архивировано из оригинала 3 апреля 2022 г. Проверено 10 апреля 2022 г. Vorbis I — это кодек монолитного преобразования с прямой адаптацией, основанный на модифицированном дискретном косинусном преобразовании. Кодек структурирован так, чтобы обеспечить добавление гибридного банка вейвлет-фильтров в Vorbis II, чтобы обеспечить лучший переходный отклик и воспроизведение с использованием преобразования, лучше подходящего для локализованных временных событий.
  9. ^ Н. Малмуруган, А. Шанмугам, С. Джаяраман и В.В. Динеш Чандер. «Новый алгоритм сжатия изображений с использованием вейвлет-следов»
  10. ^ Хо Татт Вэй и Джеоти, В. «Схема сжатия сигналов ЭКГ на основе вейвлет-следов». Хо Татт Вэй; Джеоти, В. (2004). «Схема сжатия сигналов ЭКГ на основе вейвлет-следов». 2004 г. Конференция IEEE Region 10 TENCON 2004 г. Том. А. п. 283. дои :10.1109/TENCON.2004.1414412. ISBN 0-7803-8560-8. S2CID  43806122.
  11. ^ Дж. Филд, Дэвид (1987). «Связь между статистикой естественных изображений и ответными свойствами клеток коры» (PDF) . J. Опт. Соц. Являюсь. А.4 (12): 2379–2394. Бибкод : 1987JOSAA...4.2379F. дои : 10.1364/JOSAA.4.002379. ПМИД  3430225.
  12. ^ Вилласенор, Джон Д. (август 1995 г.). «Оценка вейвлет-фильтра для сжатия изображения». Транзакции IEEE при обработке изображений . 4 (8): 1053–60. Бибкод : 1995ITIP....4.1053V. дои : 10.1109/83.403412. ПМИД  18291999.
  13. ^ Симончелли, EP; Фриман, WT; Адельсон, Э.Х.; Хигер, диджей (1992). «Сдвигаемые многомасштабные преобразования». Транзакции IEEE по теории информации . 38 (2): 587–607. дои : 10.1109/18.119725. S2CID  43701174.
  14. ^ Брунс, Андреас (2004). «Анализ сигналов на основе Фурье, Гильберта и вейвлетов: действительно ли это разные подходы?». Журнал методов нейробиологии . 137 (2): 321–332. doi :10.1016/j.jneumeth.2004.03.002. PMID  15262077. S2CID  21880274.
  15. ^ Кранц, Стивен Г. (1999). Панорама гармонического анализа . Математическая ассоциация Америки. ISBN 0-88385-031-1.
  16. ^ Мартин, Э. (2011). «Новый метод оценки длины шага с помощью акселерометров сети области тела». Тематическая конференция IEEE 2011 г. по биомедицинским беспроводным технологиям, сетям и сенсорным системам . стр. 79–82. doi : 10.1109/BIOWIRELESS.2011.5724356. ISBN 978-1-4244-8316-7. S2CID  37689047.
  17. ^ Лю, Цзе (2012). «Вейвлет-спектральный анализ Шеннона усеченных сигналов вибрации для обнаружения зарождающихся неисправностей оборудования». Измерительная наука и технология . 23 (5): 1–11. Бибкод : 2012MeScT..23e5604L. дои : 10.1088/0957-0233/23/5/055604. S2CID  121684952.
  18. ^ Акансу, АН; Сердейн, Вашингтон; Селесник, И.В. (2010). «Новые приложения вейвлетов: обзор» (PDF) . Физическое общение . 3 : 1–18. doi : 10.1016/j.phycom.2009.07.001.
  19. ^ Шейбани, Э.; Джавиди, Г. (декабрь 2009 г.). «Уменьшение размерности и удаление шума в наборах данных беспроводной сенсорной сети». 2009 Вторая международная конференция по компьютерной и электротехнике . Том. 2. стр. 674–677. дои : 10.1109/ICCEE.2009.282. ISBN 978-1-4244-5365-8. S2CID  17066179.
  20. ^ Шейбани, Э.О.; Джавиди, Г. (май 2012 г.). «Банки фильтров с разным разрешением для улучшения изображений SAR». Международная конференция по системам и информатике 2012 (ICSAI2012) . стр. 2702–2706. doi : 10.1109/ICSAI.2012.6223611. ISBN 978-1-4673-0199-2. S2CID  16302915.
  21. ^ Сильва, К.М.; Соуза, бакалавр; Брито, НРД (октябрь 2006 г.). «Обнаружение и классификация неисправностей в линиях электропередачи на основе вейвлет-преобразования и ИНС». Транзакции IEEE при доставке электроэнергии . 21 (4): 2058–2063. дои : 10.1109/TPWRD.2006.876659. S2CID  36881450.
  22. ^ Вассерман, Луизиана (2005). Вся непараметрическая статистика .
  23. ^ Сзу, Гарольд Х.; Телфер, Брайан А.; Ломанн, Адольф В. (1992). «Каузальное аналитическое вейвлет-преобразование». Оптическая инженерия . 31 (9): 1825. Бибкод : 1992OptEn..31.1825S. дои : 10.1117/12.59911.
  24. Линдеберг, Т. (23 января 2023 г.). «Причинно-временное и рекурсивное по времени масштабно-пространственное представление временных сигналов и прошлого времени». Биологическая кибернетика . 117 (1–2): 21–59. дои : 10.1007/s00422-022-00953-6 . ПМЦ 10160219 . ПМИД  36689001. 
  25. ^ Добеши, Ингрид; Лу, Цзяньфэн; Ву, Хау-Тьенг (12 декабря 2009 г.). «Синхросжатые вейвлет-преобразования: инструмент для декомпозиции эмпирических мод». arXiv : 0912.2437 [math.NA].
  26. ^ Цюй, Хунья; Ли, Тяньтянь; Чен, Генда (01 января 2019 г.). «Синхронно-сжатое адаптивное вейвлет-преобразование с оптимальными параметрами для произвольных временных рядов». Механические системы и обработка сигналов . 114 : 366–377. Бибкод : 2019MSSP..114..366Q. дои : 10.1016/j.ymssp.2018.05.020 . S2CID  126007150.


[1]

Внешние ссылки

  1. ^ Прасад, Ахилеш; Маан, Джитендрасингх; Верма, Сандип Кумар (2021). «Вейвлет-преобразования, связанные с индексным преобразованием Уиттекера». Математические методы в прикладных науках . 44 (13): 10734–10752. Бибкод : 2021MMAS...4410734P. дои : 10.1002/ммма.7440. ISSN  1099-1476. S2CID  235556542.