Вейвлет для волос
В математике вейвлет Хаара представляет собой последовательность масштабированных функций «квадратной формы», которые вместе образуют вейвлетов семейство или базис . Вейвлет-анализ похож на анализ Фурье в том, что он позволяет представить целевую функцию на интервале в терминах ортонормированного базиса . Последовательность Хаара теперь признана первым известным базисом вейвлетов и широко используется в качестве обучающего примера.
Последовательность Хаара была предложена в 1909 году Альфредом Хааром . [1] Хаар использовал эти функции, чтобы привести пример ортонормированной системы для пространства функций, интегрируемых с квадратом на единичном интервале [0, 1]. Изучение вейвлетов и даже самого термина «вейвлет» появилось намного позже. Как частный случай вейвлета Добеши , вейвлет Хаара также известен как Db1 .
Вейвлет Хаара также является самым простым из возможных вейвлетов. Технический недостаток вейвлета Хаара состоит в том, что он не является непрерывным и, следовательно, не дифференцируемым . Однако это свойство может быть преимуществом для анализа сигналов с внезапными переходами ( дискретных сигналов ), например, для мониторинга поломок инструментов в машинах. [2]
Материнская вейвлет-функция вейвлета Хаара можно описать как
Его функция масштабирования можно описать как
Функции Хаара и система Хаара
[ редактировать ]Для каждой пары n , k целых чисел в , функция Хаара ψ n , k определена на вещественной прямой по формуле
Эта функция поддерживается на правом открытом интервале I n , k = [ k 2 − п , ( к +1)2 − п ) , т. е . он исчезает вне этого интервала. Он имеет интеграл 0 и норму 1 в гильбертовом пространстве L 2 ( ) ,
Функции Хаара попарно ортогональны [ сломанный якорь ] ,
где представляет собой дельту Кронекера . Вот причина ортогональности: когда два опорных интервала и не равны, то они либо не пересекаются, либо меньшая из двух опор, скажем , содержится в нижней или верхней половине другого интервала, на котором функция остается постоянным. В этом случае следует, что произведение этих двух функций Хаара кратно первой функции Хаара, следовательно, произведение имеет целое число 0.
Система Хаара на прямой представляет собой набор функций
Это полно в L 2 ( ): Система Хаара на прямой является ортонормированным базисом в L 2 ( ).
Его вейвлет-свойства
[ редактировать ]Вейвлет Хаара имеет несколько примечательных свойств:
- Любая непрерывная действительная функция с компактным носителем может быть равномерно аппроксимирована линейными комбинациями и их смещенные функции. Это распространяется на те функциональные пространства, где любая функция в них может быть аппроксимирована непрерывными функциями.
- Любая непрерывная действительная функция на [0, 1] может быть аппроксимирована равномерно на [0, 1] линейными комбинациями постоянной функции 1 , и их смещенные функции. [3]
- Ортогональность в форме
- Функции вейвлета/масштабирования с разным масштабом n имеют функциональную взаимосвязь: [4] с
Если
и
затем
Система Хаара на единичном интервале и родственные системы
[ редактировать ]В этом разделе обсуждение ограничивается единичным интервалом [0, 1] и функциями Хаара, которые поддерживаются на [0, 1]. Система функций, рассмотренная Хааром в 1910 г., [5] называемая в этой статье системой Хаара на [0, 1] , состоит из подмножества вейвлетов Хаара, определяемых как
с добавлением постоянной функции 1 на [0, 1].
В терминах гильбертова пространства эта система Хаара на [0, 1] является полной ортонормированной системой, т. е . ортонормированным базисом для пространства L 2 ([0, 1]) функций, интегрируемых с квадратом на единичном интервале.
Система Хаара на [0, 1] — с постоянной функцией 1 в качестве первого элемента, за которой следуют функции Хаара, упорядоченные в соответствии с лексикографическим упорядочением пар ( n , k ), — является также монотонным базисом Шаудера для пространства L. п ([0, 1]) , когда 1 ≤ p < ∞ . [6] Этот базис является безусловным , если 1 < p < ∞ . [7]
Существует родственная система Радемахера , состоящая из сумм функций Хаара:
Обратите внимание, что | р п ( т )| = 1 на [0, 1). Это ортонормированная система, но она не полная. [8] [9] На языке теории вероятностей последовательность Радемахера представляет собой экземпляр последовательности независимых Бернулли случайных величин со средним значением 0. Неравенство Хинчина выражает тот факт, что во всех пространствах L п ([0, 1]), 1 ≤ p < ∞ , последовательность Радемахера эквивалентна базису единичного вектора в ℓ 2 . [10] В частности, замкнутая линейная оболочка последовательности Радемахера в L п ([0, 1]), 1 ≤ p < ∞ , изоморфен ℓ 2 .
Система Фабера – Шаудера.
[ редактировать ]Система Фабера – Шаудера. [11] [12] [13] - это семейство непрерывных функций на [0, 1], состоящее из постоянной функции 1 и кратных неопределенных интегралов функций системы Хаара на [0, 1], выбранных так, чтобы иметь норму 1 в максимальной норме . Эта система начинается с s 0 = 1 , затем s 1 ( t ) = t — неопределенный интеграл, обращающийся в нуль в точке 0 функции 1 , первого элемента системы Хаара на [0, 1]. Далее, для каждого целого числа n ≥ 0 функции s n , k определяются по формуле
Эти функции sn и , k непрерывны, кусочно-линейны поддерживаются интервалом I n , k, который также поддерживает ψ n , k . Функция sn линейна , k равна 1 в средней точке , xn k интервала In , k на обеих , половинах этого интервала. Он везде принимает значения от 0 до 1.
Система Фабера–Шаудера является базисом Шаудера пространства C ([0, 1]) непрерывных функций на [0, 1]. [6] Для каждого f в C ([0, 1]) частичная сумма
системе разложения f в ряд по в Фабера–Шаудера представляет собой непрерывную кусочно-линейную функцию, совпадающую с f точке 2 н + 1 балл к 2 − п , где 0 ≤ k ≤ 2 н . Далее формула
дает возможность вычислить разложение f шаг за шагом . Поскольку f равномерно непрерывна , последовательность { fn } сходится равномерно к f . Отсюда следует, что разложение f в ряд Фабера–Шаудера сходится в C ([0, 1]), а сумма этого ряда равна f .
Система Франклина
[ редактировать ]Система Франклина получается из системы Фабера–Шаудера с помощью процедуры ортонормировки Грама–Шмидта . [14] [15] Поскольку система Франклина имеет ту же линейную оболочку, что и система Фабера–Шаудера, эта оболочка плотна в C ([0, 1]), следовательно, в L 2 ([0, 1]). Таким образом, система Франклина является ортонормированным базисом для L 2 ([0, 1]), состоящее из непрерывных кусочно-линейных функций. П. Франклин доказал в 1928 г., что эта система является базисом Шаудера для C ([0, 1]). [16] Система Франклина также является безусловным базисом Шаудера пространства L п ([0, 1]), когда 1 < p < ∞ . [17] Система Франклина обеспечивает базис Шаудера в дисковой алгебре A ( D ). [17] Это было доказано в 1974 году Бочкаревым, после того как существование основы дисковой алгебры оставалось открытым более сорока лет. [18]
Конструкция Бочкарева базиса Шаудера в A ( D ) выглядит следующим образом: пусть f — комплекснозначная липшицева функция на [0, π]; тогда f — сумма косинусного ряда с абсолютно суммируемыми коэффициентами. Пусть T ( f ) будет элементом A ( D ), определяемым комплексным степенным рядом с теми же коэффициентами,
Базис Бочкарева для A ( D ) образован образами под T функций системы Франклина на [0, π]. Эквивалентное описание Бочкарёва отображения T начинается с расширения f до четной липшицевой функции g 1 на [−π, π], отождествляемой с липшицевой функцией на единичной окружности T . Далее, пусть g 2 будет функцией, сопряженной с g 1 , и определим T ( f ) как функцию из A ( D ), значение которой на границе T группы D равно g 1 + i g 2 .
Имея дело с 1-периодическими непрерывными функциями или, скорее, с непрерывными функциями f на [0, 1] такими, что f (0) = f (1) удаляется функция s 1 ( t ) = t. , из системы Фабера–Шаудера , чтобы получить периодическую систему Фабера–Шаудера . Периодическая система Франклина получается ортонормировкой периодической системы Фабера–-Шаудера. [19] Результат Бочкарева об A ( D ) можно доказать, доказав, что периодическая система Франклина на [0, 2π] является базисом банахова пространства A r , изоморфного A ( D ). [19] Пространство Ar , состоит из комплексных непрерывных функций на единичной окружности T которых сопряженная функция также непрерывна.
Матрица волос
[ редактировать ]Матрица Хаара 2×2, связанная с вейвлетом Хаара, равна
Используя дискретное вейвлет-преобразование , можно преобразовать любую последовательность четной длины в последовательность двухкомпонентных векторов . Если умножить каждый вектор на матрицу справа , получаем результат одного этапа быстрого вейвлет-преобразования Хаара. Обычно последовательности s и d разделяют и продолжают преобразование последовательности s . Последовательность s часто называют частью средних значений , тогда как последовательность d известна как детальная часть. [20]
Если у вас есть последовательность длиной, кратной четырем, можно построить блоки из 4 элементов и преобразовать их аналогичным образом с помощью матрицы Хаара 4 × 4.
который объединяет два этапа быстрого вейвлет-преобразования Хаара.
Сравните с матрицей Уолша , которая представляет собой нелокализованную матрицу 1/–1.
Обычно матрицу Хаара размером 2N×2N можно получить с помощью следующего уравнения.
- где и является произведением Кронекера .
Кронекеровское произведение , где представляет собой матрицу размера m×n и — матрица ap×q, выражается как
Ненормализованная 8-точечная матрица Хаара показано ниже
Обратите внимание, что приведенная выше матрица представляет собой ненормализованную матрицу Хаара. Матрица Хаара, необходимая для преобразования Хаара, должна быть нормализована.
Из определения матрицы Хаара , можно заметить, что в отличие от преобразования Фурье , имеет только действительные элементы (т. е. 1, -1 или 0) и несимметричен.
Возьмите 8-точечную матрицу Хаара. в качестве примера. Первый ряд измеряет среднее значение, а вторая строка измеряет низкочастотную составляющую входного вектора. Следующие две строки чувствительны к первой и второй половине входного вектора соответственно, что соответствует компонентам средней частоты. Остальные четыре строки чувствительны к четырем участкам входного вектора, соответствующим высокочастотным компонентам. [21]
Преображение волос
[ редактировать ]Преобразование Хаара — самое простое из вейвлет-преобразований . Это преобразование перекрестно умножает функцию на вейвлет Хаара с различными сдвигами и растяжениями, подобно тому, как преобразование Фурье перекрестно умножает функцию на синусоидальную волну с двумя фазами и множеством растяжений. [22] [ нужны разъяснения ]
Введение
[ редактировать ]Преобразование Хаара — одна из старейших функций преобразования, предложенная в 1910 году венгерским математиком Альфредом Хааром . Он эффективен в таких приложениях, как сжатие сигналов и изображений в электротехнике и вычислительной технике, поскольку обеспечивает простой и эффективный в вычислительном отношении подход к анализу локальных аспектов сигнала.
Преобразование Хаара получается из матрицы Хаара. Пример матрицы преобразования Хаара 4×4 показан ниже.
Преобразование Хаара можно рассматривать как процесс выборки, в котором строки матрицы преобразования действуют как выборки все более высокого разрешения.
Сравните с преобразованием Уолша , которое также равно 1/–1, но нелокализовано.
Свойство
[ редактировать ]Преобразование Хаара обладает следующими свойствами
- Нет необходимости в умножениях. Для этого требуются только сложения, и в матрице Хаара много элементов с нулевым значением, поэтому время вычислений невелико. Это быстрее, чем преобразование Уолша , матрица которого состоит из +1 и -1.
- Входная и выходная длина одинаковы. Однако длина должна быть степенью 2, т.е. .
- Его можно использовать для анализа локализованных особенностей сигналов. Благодаря ортогональному свойству функции Хаара можно анализировать частотные составляющие входного сигнала.
Трансформация волос и обратная трансформация волос
[ редактировать ]Преобразование Хаара y n n -входной функции x n равно
Матрица преобразования Хаара действительна и ортогональна. Таким образом, обратное преобразование Хаара можно получить с помощью следующих уравнений.
- где является единичной матрицей. Например, когда n = 4
Таким образом, обратное преобразование Хаара имеет вид
Пример
[ редактировать ]Коэффициенты преобразования Хаара 4-точечного сигнала можно найти как
Затем входной сигнал может быть идеально восстановлен с помощью обратного преобразования Хаара.
См. также
[ редактировать ]- Уменьшение размеров
- Матрица Уолша
- Преобразование Уолша
- Вейвлет
- Чирплет
- Сигнал
- Характеристика, похожая на волосы
- Вейвлет Стрёмберга
- Диадическая трансформация
Примечания
[ редактировать ]- ^ см. стр. 361 в «Волосах» (1910) .
- ^ Ли, Б.; Тарнг, Ю.С. (1999). «Применение дискретного вейвлет-преобразования для мониторинга отказа инструмента при концевом фрезеровании с использованием тока двигателя шпинделя». Международный журнал передовых производственных технологий . 15 (4): 238–243. дои : 10.1007/s001700050062 . S2CID 109908427 .
- ^ В отличие от предыдущего утверждения, этот факт не очевиден: см. с. 363 в Хааре (1910) .
- ^ Видакович, Брани (2010). Статистическое моделирование с помощью вейвлетов . Серия Уайли по вероятности и статистике (2-е изд.). стр. 60, 63. doi : 10.1002/9780470317020 . ISBN 9780470317020 .
- ^ с. 361 в волосах (1910)
- ^ Jump up to: а б см. стр. 3 в Й. Линденштраусе , Л. Цафрири, (1977), «Классические банаховы пространства I, пространства последовательностей», Результаты математики и ее пограничных областей 92 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08072-4 .
- ^ Результат принадлежит Р. Э. Пейли , Замечательный ряд ортогональных функций (I) , Proc. Лондонская математика. 34 (1931), стр. 241–264. См. также стр. 155 в Дж. Линденштраусе, Л. Цафрири, (1979), «Классические банаховы пространства II, Функциональные пространства». Результаты математики и ее пограничные области 97 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08888-1 .
- ^ «Ортогональная система» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
- ^ Уолтер, Гилберт Г.; Шен, Сяопин (2001). Вейвлеты и другие ортогональные системы . Бока-Ратон: Чепмен. ISBN 1-58488-227-1 .
- ^ см., например, стр. 66 в Дж. Линденштраусе , Л. Цафрири, (1977), «Классические банаховы пространства I, пространства последовательностей», Результаты математики и ее пограничных областей 92 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08072-4 .
- ^ Фабер, Георг (1910), «Об ортогональных функциях г-на Хаара», Deutsche Math.-Ver (на немецком языке) 19 : 104–112. ISSN 0012-0456 ; http://www-gdz.sub.uni-goettingen.de/cgi-bin/digbib.cgi?PPN37721857X ; http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?GDZPPN002122553
- ^ Шаудер, Юлиуш (1928), «Свойство ортогональной системы Хаара», Mathematical Journal 28 : 317–320.
- ^ Голубов, Б.И. (2001) [1994], «Система Фабера–Шаудера» , Энциклопедия математики , EMS Press
- ^ см. З. Чесельский, Свойства ортонормированной системы Франклина . Студия Матем. 23 1963 г. 141–157.
- ^ Система Франклина. Б.И. Голубов (составитель), Математическая энциклопедия. URL: http://www.encyclepediaofmath.org/index.php?title=Franklin_system&oldid=16655
- ^ Филип Франклин, Набор непрерывных ортогональных функций , Матем. Энн. 100 (1928), 522–529. два : 10.1007/BF01448860
- ^ Jump up to: а б С. В. Бочкарев, Существование базиса в пространстве аналитических в круге функций и некоторые свойства системы Франклина . Мат. Сб. 95 (1974), 3–18 (рус.). Переведено на математику. СССР-Сб. 24 (1974), 1–16.
- ^ Появляется вопрос с. 238, §3 в книге Банаха, Банах, Стефан (1932), Теория линейных операций , Математические монографии, том 1, Варшава: Субсидии Национального фонда культуры, Zbl 0005.20901 . Дисковая алгебра A ( D ) появляется в примере 10, стр. 12 в книге Банаха.
- ^ Jump up to: а б См. стр. 161, III.D.20 и с. 192, III.E.17 в Войтащик, Пшемыслав (1991), Банаховы пространства для аналитиков , Кембриджские исследования по высшей математике, том. 25, Кембридж: Издательство Кембриджского университета, стр. xiv+382, ISBN 0-521-35618-0
- ^ Рух, Дэвид К.; Ван Флит, Патрик Дж. (2009). Теория вейвлетов: элементарный подход с приложениями . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-38840-2 .
- ^ «хаар» . Fourier.eng.hmc.edu. 30 октября 2013 года. Архивировано из оригинала 21 августа 2012 года . Проверено 23 ноября 2013 г.
- ^ Преобразование волос
Ссылки
[ редактировать ]- Хаар, Альфред (1910), «К теории ортогональных функциональных систем», Mathematical Annals , 69 (3): 331–371, doi : 10.1007/BF01456326 , hdl : 2027/uc1.b2619563 , S2CID 120024038
- Чарльз К. Чуи, Введение в вейвлеты , (1992), Academic Press, Сан-Диего, ISBN 0-585-47090-1
- Английский перевод основополагающей статьи Хаара: [1]
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Система Хаара» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
- Бесплатная реализация вейвлет-фильтрации Хаара и интерактивная демонстрация
- Свободное вейвлет-подавление Хаара и сжатие сигнала с потерями
Преображение волос
[ редактировать ]- Кингсбери, Ник. «Преобразование Хаара» . Архивировано из оригинала 19 апреля 2006 года.
- Эк, Дэвид (31 января 2006 г.). «Демо-апплеты преобразования Хаара» .
- Эймс, Грег (7 декабря 2002 г.). «Сжатие изображения» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 января 2011 года.
- Аарон, Энн; Хилл, Майкл; Шриватса, Ананд. «МОСМАТ 500. Генератор фотомозаики. 2. Теория» . Архивировано из оригинала 18 марта 2008 года.
- Ван, Руйе (4 декабря 2008 г.). «Трансформация Хаара» . Архивировано из оригинала 21 августа 2012 года.