~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Arc.Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Номер скриншота №:
✰ DEE942D28A541C42BD48BF7C54B3A786__1714020120 ✰
Заголовок документа оригинал.:
✰ Wavelet transform - Wikipedia ✰
Заголовок документа перевод.:
✰ Вейвлет-преобразование — Википедия ✰
Снимок документа находящегося по адресу (URL):
✰ https://en.wikipedia.org/wiki/Wavelet_transform ✰
Адрес хранения снимка оригинал (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/de/86/dee942d28a541c42bd48bf7c54b3a786.html ✰
Адрес хранения снимка перевод (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/de/86/dee942d28a541c42bd48bf7c54b3a786__translat.html ✰
Дата и время сохранения документа:
✰ 18.06.2024 18:05:14 (GMT+3, MSK) ✰
Дата и время изменения документа (по данным источника):
✰ 25 April 2024, at 07:42 (UTC). ✰ 

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Сервисы Ask3.ru: 
 Архив документов (Снимки документов, в формате HTML, PDF, PNG - подписанные ЭЦП, доказывающие существование документа в момент подписи. Перевод сохраненных документов на русский язык.)https://arc.ask3.ruОтветы на вопросы (Сервис ответов на вопросы, в основном, научной направленности)https://ask3.ru/answer2questionТоварный сопоставитель (Сервис сравнения и выбора товаров) ✰✰
✰ https://ask3.ru/product2collationПартнерыhttps://comrades.ask3.ru


Совет. Чтобы искать на странице, нажмите Ctrl+F или ⌘-F (для MacOS) и введите запрос в поле поиска.
Arc.Ask3.ru: далее начало оригинального документа

Вейвлет-преобразование — Википедия Jump to content

Вейвлет-преобразование

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
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 [ править ]

Функция называется ортонормированным вейвлетом , если его можно использовать для определения гильбертового базиса , то есть полной ортонормированной системы , для гильбертова пространства. квадратично интегрируемых функций.

Базис Гильберта строится как семейство функций посредством диадических переводов и расширений ,

для целых чисел .

Если под стандартным внутренним продуктом на ,

это семейство ортонормировано, это ортонормированная система:

где это дельта Кронекера .

Полнота удовлетворяется, если каждая функция может быть расширен 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 затем даются

Здесь, называется бинарной дилатацией или диадической дилатацией , и это бинарная или диадическая позиция .

Принцип [ править ]

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 время и угловая частота ( , 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 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, базисная функция можно рассматривать как импульсную характеристику системы, при которой функция был отфильтрован. 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 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 на высоких частотах, в то время как для медленно меняющихся функций частотное разрешение является замечательным.

Другой пример: анализ трех наложенных друг на друга синусоидальных сигналов. с STFT и вейвлет-преобразованием.

Вейвлет-сжатие [ править ]

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 от BBC и Dirac . 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 какое-либо другое преобразование, например более распространенное дискретное косинусное преобразование использовалось .

Дискретное вейвлет-преобразование успешно применяется для сжатия сигналов электрокардиографа (ЭКГ). [7] В данной работе используется высокая корреляция между соответствующими вейвлет-коэффициентами сигналов последовательных сердечных циклов 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, Vorbis аудиокодек 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 [ править ]

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 [ править ]

Требование к сжатию изображений [ править ]

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:

  • Возможность преобразовать более оригинальное изображение в опорный сигнал.
  • Реконструкция с высочайшей точностью на основе опорного сигнала.
  • Не должно приводить к появлению артефактов в изображении, восстановленном только по опорному сигналу.

Требование к отклонению смены и поведению звонка [ править ]

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, которыми являются фильтры анализа. для сжатия изображений и фильтров синтеза для реконструкции. Чтобы оценить такую ​​систему, мы можем ввести импульс и наблюдать за его реконструкцией ; Оптимальным вейвлетом являются те, которые обеспечивают минимальную дисперсию сдвига и боковые лепестки. . 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]

Биортогональные фильтры для вейвлет-сжатия изображений
Длина Коэффициенты фильтра Регулярность
Вейвлет-фильтр 1 Н0 9 .852699, .377402, -.110624, -.023849, .037828 1.068
G0 7 .788486, .418092, -.040689, -.064539 1.701
Вейвлет-фильтр 2 Н0 6 .788486, .047699, -.129078 0.701
G0 10 .615051, .133389, -.067237, .006989, .018914 2.068

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]

Вывод характеристики импульсной

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

Для входной последовательности , опорный сигнал после одного уровня разложения подвергается децимации в два раза, в то время как представляет собой фильтр нижних частот. Аналогично, следующий опорный сигнал получается путем проходит децимацию в два раза. После L уровней разложения (и децимации) ответ анализа получается путем сохранения одного из каждых образцы: .

С другой стороны, чтобы восстановить сигнал x(n), мы можем рассмотреть опорный сигнал . Если деталь сигнализирует равны нулю для , то опорный сигнал на предыдущем этапе ( этап) есть , который получается интерполяцией и свертки с . Аналогично процедура повторяется для получения опорного сигнала. на этапе . После L итераций вычисляется импульсная характеристика синтеза: , который 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. может использоваться для оценки эффективности сжатия вейвлет-изображения.

с преобразованием Фурье и частотно- анализом Сравнение временным

Трансформировать Представление Вход
преобразование Фурье : частота
Частотно-временной анализ время; частота
Вейвлет-преобразование масштабирование; коэффициент временного сдвига

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] Исключение составляет поиск сигналов известной, несинусоидальной формы (например, сердцебиения); в этом случае использование согласованных вейвлетов может превзойти стандартный анализ STFT/Morlet. [15]

практические Другие 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 ускорений для анализа походки, [16] для обнаружения неисправностей, [17] для разработки кардиостимуляторов малой мощности, а также для сверхширокополосной (СШП) беспроводной связи. [18] [19] [20]

  1. Дискретизация ось

    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 масштабный коэффициент, представляет собой коэффициент временного сдвига

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

    • Фурье-преобразование сигнала с 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 для различных дискретных значений и дискретное значение
    • Вернемся ко второму шагу, пока все дискретные значения масштабирования для обрабатываются
    Существует множество различных типов вейвлет-преобразований для конкретных целей. См. также полный список преобразований, связанных с вейвлетами , но наиболее распространенные 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 пределах области, или, более конкретно, оценка функций, которые разрежены в области вейвлетов. [22]

- вейвлеты Временно причинные

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 временем, были разработаны Szu et al. [23] и Линдеберг, [24] причем последний метод также включает в себя рекурсивную по времени реализацию, эффективно использующую память.

Синхронно-сжатое преобразование [ править ]

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

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  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 . ПМИД   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 . ПМИД   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. дои : 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. дои : 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 [ править ]

  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 .
Arc.Ask3.Ru: конец оригинального документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: DEE942D28A541C42BD48BF7C54B3A786__1714020120
URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/Wavelet_transform
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Wavelet transform - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)