stringtranslate.com

Вейвлет-преобразование

Пример двумерного дискретного вейвлет-преобразования , используемого в JPEG2000 .

В математике ряд вейвлетов — это представление квадратично-интегрируемой ( действительной или комплексной ) функции с помощью определенного ортонормированного ряда, сгенерированного 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 базиса Гильберта , то есть полной ортонормированной системы , для гильбертова пространства квадратично интегрируемых функций.

Базис Гильберта строится как семейство функций посредством диадических сдвигов и растяжений ,

для целых чисел .

Если под стандартным внутренним произведением на ,

это семейство ортонормально, это ортонормированная система:

где находится дельта Кронекера .

Полнота удовлетворяется, если каждая функция может быть разложена по базису как

причем сходимостью ряда следует понимать сходимость по норме . Такое представление f известно как ряд вейвлета . Это означает, что ортонормированный вейвлет является самодвойственным .

Интегральное вейвлет-преобразование — это интегральное преобразование, определяемое как

Коэффициенты вейвлета затем определяются как

Здесь называется бинарным расширением или диадическим расширением , а является бинарным или диадическим положением .

Принцип

Основная идея вейвлет-преобразований заключается в том, что преобразование должно допускать только изменения во временном расширении, но не в форме, накладывая ограничение на выбор подходящих базисных функций. Изменения во временном расширении должны соответствовать соответствующей частоте анализа базисной функции. Основываясь на принципе неопределенности обработки сигнала,

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

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

Когда большой,

  1. Плохое разрешение времени
  2. Хорошее разрешение по частоте
  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. Таким образом, вейвлет-преобразование содержит информацию, аналогичную кратковременному преобразованию Фурье , но с дополнительными специальными свойствами вейвлетов, которые проявляются при разрешении по времени на более высоких частотах анализа базисной функции. Разница во временном разрешении на возрастающих частотах для преобразования Фурье и вейвлет-преобразования показана ниже. Однако следует отметить, что разрешение по частоте уменьшается с ростом частот, в то время как временное разрешение увеличивается. Это следствие принципа неопределенности Фурье некорректно отображено на рисунке.

Это показывает, что вейвлет-преобразование обеспечивает хорошее временное разрешение высоких частот, в то время как для медленно меняющихся функций разрешение по частоте является замечательным.

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

Сжатие вейвлетов

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

Используя вейвлет-преобразование, методы вейвлет-сжатия подходят для представления переходных процессов , таких как ударные звуки в аудио или высокочастотные компоненты в двумерных изображениях, например, изображение звезд на ночном небе. Это означает, что переходные элементы сигнала данных могут быть представлены меньшим объемом информации, чем это было бы в случае использования какого-либо другого преобразования, такого как более распространенное дискретное косинусное преобразование .

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

Сжатие вейвлетов не эффективно для всех типов данных. Сжатие вейвлетов хорошо обрабатывает переходные сигналы. Но гладкие периодические сигналы лучше сжимаются с использованием других методов, в частности традиционного гармонического анализа в частотной области с преобразованиями, связанными с Фурье . Сжатие данных, которые имеют как переходные, так и периодические характеристики, может быть выполнено с помощью гибридных методов, которые используют вейвлеты вместе с традиционным гармоническим анализом. Например, аудиокодек Vorbis в первую очередь использует модифицированное дискретное косинусное преобразование для сжатия звука (который, как правило, плавный и периодический), однако позволяет добавлять гибридный банк вейвлет-фильтров для улучшенного воспроизведения переходных процессов. [8]

См. Дневник разработчика x264: Проблемы с вейвлетами (2010) для обсуждения практических вопросов современных методов использования вейвлетов для сжатия видео.

Метод

Сначала применяется вейвлет-преобразование. Это создает столько коэффициентов , сколько пикселей в изображении (т. е. пока нет сжатия, так как это всего лишь преобразование). Затем эти коэффициенты можно сжать проще, поскольку информация статистически сконцентрирована всего в нескольких коэффициентах. Этот принцип называется кодированием преобразования . После этого коэффициенты квантуются , а квантованные значения кодируются энтропией и/или кодируются длиной серии .

Некоторые 1D и 2D приложения вейвлет-сжатия используют технику, называемую «вейвлет-следы». [9] [10]

Оценка

Требование к сжатию изображения

Для большинства естественных изображений спектральная плотность более низкой частоты выше. [11] В результате информация о низкочастотном сигнале (опорный сигнал) обычно сохраняется, в то время как информация в детальном сигнале отбрасывается. С точки зрения сжатия и реконструкции изображений вейвлет должен соответствовать следующим критериям при выполнении сжатия изображений:

Требование к дисперсии сдвига и поведению звона

Система сжатия изображений Wavelet включает фильтры и децимацию, поэтому ее можно описать как систему с линейным сдвигом-вариантом. Типичная схема преобразования Wavelet представлена ​​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 низкочастотные компоненты, которые являются фильтрами анализа для сжатия изображения и фильтрами синтеза для реконструкции. Чтобы оценить такую ​​систему, мы можем ввести импульс и наблюдать его реконструкцию ; Оптимальным вейвлетом является тот, который приносит минимальную дисперсию сдвига и боковой лепесток к . Несмотря на то, что вейвлет со строгой дисперсией сдвига нереалистичен, можно выбрать вейвлет с небольшой дисперсией сдвига. Например, мы можем сравнить дисперсию сдвига двух фильтров: [12]

Наблюдая за импульсными характеристиками двух фильтров, можно сделать вывод, что второй фильтр менее чувствителен к местоположению входа (т.е. имеет меньший вариант сдвига).

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

До сих пор мы обсуждали одномерное преобразование системы сжатия изображений. Этот вопрос можно распространить на два измерения, при этом предлагается более общий термин — смещаемые многомасштабные преобразования. [13]

Вывод импульсного отклика

Как упоминалось ранее, импульсный отклик можно использовать для оценки системы сжатия/реконструкции изображений.

Для входной последовательности опорный сигнал после одного уровня разложения проходит через прореживание с коэффициентом два, в то время как является фильтром нижних частот. Аналогично, следующий опорный сигнал получается путем прохождения через прореживание с коэффициентом два. После L уровней разложения (и прореживания) отклик анализа получается путем сохранения одного из каждых образцов: .

С другой стороны, для восстановления сигнала x(n) можно рассмотреть опорный сигнал . Если детальные сигналы 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.

Для получения общей системы анализа/синтеза уровня L ответы анализа и синтеза объединяются следующим образом:

.

Наконец, отношение пикового значения к первому боковому лепестку и среднее значение второго бокового лепестка общего импульсного отклика можно использовать для оценки эффективности сжатия вейвлет-изображения.

Сравнение с преобразованием Фурье и частотно-временным анализом

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

Другие практические приложения

Вейвлет-преобразование может предоставить нам частоту сигналов и время, связанное с этими частотами, что делает его очень удобным для применения в многочисленных областях. Например, обработка сигналов ускорений для анализа походки, [16] для обнаружения неисправностей, [17] для анализа сезонных смещений оползней, [18] для проектирования маломощных кардиостимуляторов, а также в сверхширокополосной (UWB) беспроводной связи. [19] [20] [21]

  1. Дискретизация оси

    Применена следующая дискретизация частоты и времени:

    Приводя к вейвлетам вида, дискретная формула для базисного вейвлета:

    Для преобразования можно использовать такие дискретные вейвлеты:

  2. Реализация через БПФ (быстрое преобразование Фурье)

    Как видно из представления вейвлет-преобразования (показано ниже)

    где - коэффициент масштабирования, представляет собой коэффициент сдвига во времени

    и как уже упоминалось в этом контексте, вейвлет-преобразование соответствует свертке функции и вейвлет-функции. Свертка может быть реализована 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-базисной функции по этому коэффициенту и последующее БПФ этой функции
    • Умножение с преобразованным сигналом YFFT первого шага
    • Обратное преобразование произведения во временную область приводит к для различных дискретных значений и дискретному значению
    • Возвращаемся ко второму шагу, пока не будут обработаны все дискретные значения масштабирования
    Существует множество различных типов вейвлет -преобразований для определенных целей. См. также полный список преобразований, связанных с вейвлетами , но наиболее распространенные из них перечислены ниже: вейвлет мексиканской шляпы , вейвлет Хаара , вейвлет Добеши , треугольный вейвлет.
  3. Обнаружение неисправностей в электроэнергетических системах. [22]
  4. Локально адаптивная статистическая оценка функций, гладкость которых существенно варьируется в пределах области определения, или, более конкретно, оценка функций, которые разрежены в области вейвлетов. [23]

Временно-причинные вейвлеты

Для обработки временных сигналов в реальном времени важно, чтобы вейвлет-фильтры не обращались к значениям сигнала из будущего, а также чтобы можно было получить минимальные временные задержки. Временно-каузальные вейвлет-представления были разработаны Сзу и др. [24] и Линдебергом [25] , причем последний метод также включал в себя эффективную по памяти реализацию рекурсивного времени.

Синхронно-сжатое преобразование

Синхронно-сжатое преобразование может значительно улучшить временное и частотное разрешение частотно-временного представления, полученного с помощью обычного вейвлет-преобразования. [26] [27]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Мейер, Ив (1992), Вейвлеты и операторы, Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press, ISBN  0-521-42000-8
  2. ^ Чуй, Чарльз К. (1992), Введение в вейвлеты, Сан-Диего, Калифорния: Academic Press, ISBN 0-12-174584-8 
  3. ^ Добеши, Ингрид. (1992), Десять лекций о вейвлетах, SIAM, ISBN 978-0-89871-274-2 
  4. ^ Акансу, Али Н.; Хаддад, Ричард А. (1992), Разложение сигнала с множественным разрешением: преобразования, поддиапазоны и вейвлеты, Бостон, Массачусетс: Academic Press, ISBN 978-0-12-047141-6 
  5. ^ Гадерпур, Э.; Пагиатакис, С.Д.; Хассан, К.К. (2021). «Обзор обнаружения изменений и анализа временных рядов с приложениями». Прикладные науки . 11 (13): 6141. doi : 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 предсказания на основе вейвлетов» (PDF) . IEEE Transactions on Biomedical Engineering . 44 (12): 1253–1261. doi :10.1109/10.649997. PMID  9401225. S2CID  8834327.
  8. ^ "Спецификация Vorbis I". Фонд Xiph.Org . 4 июля 2020 г. Архивировано из оригинала 3 апреля 2022 г. Получено 10 апреля 2022 г. Vorbis I — это монолитный кодек с адаптивным преобразованием, основанный на модифицированном дискретном косинусном преобразовании. Кодек структурирован так, чтобы позволить добавление гибридного вейвлет-фильтра в Vorbis II для обеспечения лучшего переходного отклика и воспроизведения с использованием преобразования, лучше подходящего для локализованных временных событий.
  9. ^ Н. Малмуруган, А. Шанмугам, С. Джаяраман и В.В. Динеш Чандер. «Новый и оригинальный алгоритм сжатия изображений с использованием следов вейвлетов»
  10. ^ Хо Татт Вэй и Джеоти, В. "Схема сжатия на основе вейвлет-отпечатков для сигналов ЭКГ". Хо Татт Вэй; Джеоти, В. (2004). "Схема сжатия на основе вейвлет-отпечатков для сигналов ЭКГ". 2004 IEEE Region 10 Conference TENCON 2004. Vol. A. p. 283. doi :10.1109/TENCON.2004.1414412. ISBN 0-7803-8560-8. S2CID  43806122.
  11. ^ Дж. Филд, Дэвид (1987). «Связь между статистикой естественных изображений и свойствами реагирования корковых клеток» (PDF) . J. Opt. Soc. Am. A . 4 (12): 2379–2394. Bibcode :1987JOSAA...4.2379F. doi :10.1364/JOSAA.4.002379. PMID  3430225.
  12. ^ Вилласенор, Джон Д. (август 1995 г.). «Оценка вейвлет-фильтра для сжатия изображений». Труды IEEE по обработке изображений . 4 (8): 1053–60. Bibcode : 1995ITIP....4.1053V. doi : 10.1109/83.403412. PMID  18291999.
  13. ^ Simoncelli, EP; Freeman, WT; Adelson, EH; Heeger, DJ (1992). «Смещаемые многомасштабные преобразования». IEEE Transactions on Information Theory . 38 (2): 587–607. doi :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 нейронауки . 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 сетевых акселерометров области тела». Тематическая конференция IEEE 2011 года по биомедицинским беспроводным технологиям, сетям и системам датчиков . С. 79–82. doi :10.1109/BIOWIRELESS.2011.5724356. ISBN 978-1-4244-8316-7. S2CID  37689047.
  17. ^ Лю, Цзе (2012). «Анализ спектра вейвлета Шеннона на усеченных сигналах вибрации для обнаружения зарождающихся неисправностей машины». Measurement Science and Technology . 23 (5): 1–11. Bibcode : 2012MeScT..23e5604L. doi : 10.1088/0957-0233/23/5/055604. S2CID  121684952.
  18. ^ Томас, Р.; Ли, З.; Лопес-Санчес, Дж. М.; Лю, П.; Синглтон, А. (1 июня 2016 г.). «Использование вейвлет-инструментов для анализа сезонных колебаний на основе данных временных рядов InSAR: пример оползня Хуангтупо». Оползни . 13 (3): 437–450. Bibcode : 2016Lands..13..437T. doi : 10.1007/s10346-015-0589-y. ISSN  1612-5118.
  19. ^ Akansu, AN; Serdijn, WA; Selesnick, IW (2010). «Новые приложения вейвлетов: обзор» (PDF) . Physical Communication . 3 : 1–18. doi :10.1016/j.phycom.2009.07.001.
  20. ^ Шейбани, Э.; Джавиди, Г. (декабрь 2009 г.). «Уменьшение размерности и удаление шума в наборах данных беспроводных сенсорных сетей». Вторая международная конференция по вычислительной технике и электротехнике 2009 г. Том 2. стр. 674–677. doi :10.1109/ICCEE.2009.282. ISBN 978-1-4244-5365-8. S2CID  17066179.
  21. ^ Шейбани, Э.О.; Джавиди, Г. (май 2012 г.). «Многоуровневые банки фильтров для улучшенной визуализации SAR». Международная конференция по системам и информатике 2012 г. (ICSAI2012) . стр. 2702–2706. doi :10.1109/ICSAI.2012.6223611. ISBN 978-1-4673-0199-2. S2CID  16302915.
  22. ^ Сильва, К. М.; Соуза, Б. А.; Брито, Н. С. Д. (октябрь 2006 г.). «Обнаружение и классификация неисправностей в линиях электропередачи на основе вейвлет-преобразования и ИНС». Труды IEEE по доставке электроэнергии . 21 (4): 2058–2063. doi :10.1109/TPWRD.2006.876659. S2CID  36881450.
  23. ^ Вассерман, Л. А. (2005). Вся непараметрическая статистика .
  24. ^ Szu, Harold H.; Telfer, Brian A.; Lohmann, Adolf W. (1992). "Причинное аналитическое вейвлет-преобразование". Optical Engineering . 31 (9): 1825. Bibcode : 1992OptEn..31.1825S. doi : 10.1117/12.59911.
  25. ^ Линдеберг, Т. (23 января 2023 г.). «Причинно-следственное и рекурсивное по времени масштабно-ковариантное масштабно-пространственное представление временных сигналов и прошедшего времени». Биологическая кибернетика . 117 (1–2): 21–59. doi : 10.1007/s00422-022-00953-6 . PMC 10160219. PMID  36689001 . 
  26. ^ Добеши, Ингрид; Лу, Цзяньфэн; У, Хау-Тиенг (12 декабря 2009 г.). «Синхронизированные вейвлет-преобразования: инструмент для эмпирической модовой декомпозиции». arXiv : 0912.2437 [math.NA].
  27. ^ Цюй, Хонгья; Ли, Тяньтянь; Чэнь, Гэнда (1 января 2019 г.). «Синхронно-сжатое адаптивное вейвлет-преобразование с оптимальными параметрами для произвольных временных рядов». Механические системы и обработка сигналов . 114 : 366–377. Bibcode : 2019MSSP..114..366Q. doi : 10.1016/j.ymssp.2018.05.020 . S2CID  126007150.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки