Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пример двумерного дискретного вейвлет-преобразования, используемого в JPEG2000 . Исходное изображение подвергается высокочастотной фильтрации, в результате чего получаются три больших изображения, каждое из которых описывает локальные изменения яркости (деталей) исходного изображения. Затем он подвергается фильтрации нижних частот и масштабируется, давая приближенное изображение; это изображение подвергается высокочастотной фильтрации для получения трех изображений с меньшей детализацией и низкочастотной фильтрации для получения окончательного приближенного изображения в верхнем левом углу. [ требуется разъяснение ]

В численном анализе и функционального анализа , A дискретное вейвлет - преобразование ( DWT ) является любой вейвлет - преобразование , для которого вейвлетов дискретно пробы. Как и в случае с другими вейвлет-преобразованиями, его ключевым преимуществом перед преобразованиями Фурье является временное разрешение: оно фиксирует как частоту, так и информацию о местоположении (местоположение во времени).

Примеры [ править ]

Вейвлеты Хаара [ править ]

Первый DWT был изобретен венгерским математиком Альфредом Хааром . Для входа, представленного списком чисел, можно рассматривать вейвлет- преобразование Хаара для объединения входных значений в пары, сохранения разницы и передачи суммы. Этот процесс повторяется рекурсивно, объединяя суммы в пары, чтобы доказать следующую шкалу, что приводит к различиям и окончательной сумме.

Вейвлеты Добеши [ править ]

Наиболее часто используемый набор дискретных вейвлет-преобразований был сформулирован бельгийским математиком Ингрид Добешис в 1988 году. Эта формулировка основана на использовании рекуррентных соотношений для генерации все более тонких дискретных выборок неявной материнской вейвлет-функции; каждое разрешение вдвое больше предыдущего масштаба. В своей основополагающей статье Добеши выводит семейство вейвлетов , первым из которых является вейвлет Хаара. С тех пор интерес к этой области резко возрос, и было разработано множество вариаций оригинальных вейвлетов Добеши. [1] [2]

Комплексное вейвлет-преобразование двойного дерева (DℂWT) [ править ]

Комплексное вейвлет-преобразование с двойным деревом (ℂWT) является относительно недавним усовершенствованием дискретного вейвлет-преобразования (DWT) с важными дополнительными свойствами: оно почти инвариантно относительно сдвига и избирательно по направлению в двух и более высоких измерениях. Это достигается только с коэффициентом избыточности , который существенно ниже, чем у недецимированного DWT. Многомерное (MD) двойное дерево ℂWT неразделимо, но основано на эффективном в вычислительном отношении банке разделяемых фильтров (FB). [3]

Другое [ править ]

Другие формы дискретного вейвлет - преобразования включают LeGall-Tabatabai (LGT) 5/3 вейвлет , разработанный Didier Le Gall и Ali J. Табатабаи в 1988 году (используется в JPEG 2000 ), [4] [5] [6] биномиальное СУК разработала от Ali Naci Akansu в 1990 году, [7] множество разделов в иерархических деревьев (SPIHT) алгоритм , разработанный Amir Said с William A. Перлман в 1996 году [8] не- или undecimated вейвлет - преобразование (где даунсамплинг опущен), и Ньюленд преобразования (где ортонормирована базис вейвлетов формируется из надлежащим образом построеныфильтры-цилиндры в частотном пространстве ). Преобразования вейвлет-пакетов также связаны с дискретным вейвлет-преобразованием. Еще одна форма - сложное вейвлет-преобразование .

Свойства [ править ]

DWT Хаара иллюстрирует желательные свойства вейвлетов в целом. Во-первых, это можно делать в операциях; во-вторых, он фиксирует не только понятие частотного содержания входных данных, исследуя его в различных масштабах, но также и временное содержание, то есть время, в которое эти частоты встречаются. В совокупности эти два свойства делают быстрое вейвлет-преобразование (FWT) альтернативой обычному быстрому преобразованию Фурье (FFT).

Проблемы со временем [ править ]

Благодаря операторам изменения скорости в банке фильтров, дискретный WT не инвариантен во времени, но на самом деле очень чувствителен к выравниванию сигнала во времени. Для решения нестационарной проблемы вейвлет-преобразований Маллат и Чжун предложили новый алгоритм для вейвлет-представления сигнала, который инвариантен к временным сдвигам. [9] В соответствии с этим алгоритмом, который называется TI-DWT, только параметр масштаба выбирается по диадической последовательности 2 ^ j (j∈Z), и вейвлет-преобразование вычисляется для каждого момента времени. [10] [11]

Приложения [ править ]

Дискретное вейвлет-преобразование имеет огромное количество приложений в науке, технике, математике и информатике. В частности, он используется для кодирования сигналов , чтобы представить дискретный сигнал в более избыточной форме, часто в качестве предварительной обработки для сжатия данных . Практические приложения можно также найти в обработке сигналов ускорений для анализа походки, [12] обработки изображений [13], в цифровой связи и многих других. [14] [15] [16]

Показано, что дискретное вейвлет-преобразование (дискретное по масштабу и сдвигу и непрерывное во времени) успешно реализовано в качестве банка аналоговых фильтров при обработке биомедицинских сигналов для разработки маломощных кардиостимуляторов, а также в сверхширокополосной (СШП) беспроводной связи. [17]

Пример обработки изображений [ править ]

Изображение с гауссовым шумом.
Изображение с удаленным гауссовым шумом.

Вейвлеты часто используются для шумоподавления двухмерных сигналов, например изображений. В следующем примере представлены три шага для удаления нежелательного белого гауссовского шума из показанного зашумленного изображения. Matlab использовался для импорта и фильтрации изображения.

Первый шаг - выбрать тип вейвлета и уровень разложения N. В этом случае были выбраны 3,5 биортогональных вейвлета с уровнем N, равным 10. Биортогональные вейвлеты обычно используются при обработке изображений для обнаружения и фильтрации белого гауссовского шума [18] из-за их высокого контраста значений интенсивности соседних пикселей. С помощью этих вейвлетов выполняется вейвлет-преобразование двумерного изображения.

Следующим шагом после декомпозиции файла изображения является определение пороговых значений для каждого уровня от 1 до N. Стратегия Бирже-Массарта [19] является довольно распространенным методом выбора этих пороговых значений. С помощью этого процесса устанавливаются индивидуальные пороги для N = 10 уровней. Применение этих пороговых значений составляет большую часть фактической фильтрации сигнала.

Последний шаг - восстановить изображение по измененным уровням. Это достигается с помощью обратного вейвлет-преобразования. Полученное изображение без белого гауссовского шума показано под исходным изображением. При фильтрации любой формы данных важно количественно определить отношение сигнал / шум результата. [ необходима цитата ] В этом случае SNR шумного изображения по сравнению с оригиналом было 30,4958%, а SNR шумоподавленного изображения 32,5525%. В результате улучшение вейвлет-фильтрации дает прирост отношения сигнал / шум 2,0567%. [20]

Важно отметить, что выбор других вейвлетов, уровней и стратегий определения пороговых значений может привести к различным типам фильтрации. В этом примере для удаления был выбран белый гауссовский шум. Хотя с другим порогом его можно было бы так же легко усилить.

Сравнение с преобразованием Фурье [ править ]

Чтобы проиллюстрировать различия и сходства между дискретным вейвлет-преобразованием и дискретным преобразованием Фурье , рассмотрим DWT и DFT следующей последовательности: (1,0,0,0), единичный импульс .

ДПФ имеет ортогональный базис ( матрица ДПФ ):

в то время как DWT с вейвлетами Хаара для данных длиной 4 имеет ортогональный базис в строках:

(Для упрощения записи используются целые числа, поэтому основания ортогональны, но не ортонормированы .)

Предварительные наблюдения включают:

  • Синусоидальные волны различаются только своей частотой. Первый не завершает никаких циклов, второй завершает один полный цикл, третий завершает два цикла, а четвертый завершает три цикла (что эквивалентно завершению одного цикла в противоположном направлении). Различия в фазах можно представить, умножив заданный базисный вектор на комплексную константу.
  • Вейвлеты, напротив, имеют и частоту, и местоположение. Как и раньше, первый завершает нулевые циклы, а второй - один цикл. Однако у третьего и четвертого одинаковая частота, в два раза больше, чем у первого. Вместо того, чтобы различаться по частоте, они различаются расположением - третий ненулевой по первым двум элементам, а четвертый ненулевой по вторым двум элементам.

Разложение последовательности по этим основаниям дает:

DWT демонстрирует локализацию: член (1,1,1,1) дает среднее значение сигнала, (1,1, –1, –1) помещает сигнал в левую часть домена, а (1 , –1,0,0) помещает его в левую часть левой части, а усечение на любом этапе дает субдискретизированную версию сигнала:

Функция sinc , показывающая артефакты во временной области ( недолеты и звонки ) при усечении ряда Фурье.

ДПФ, напротив, выражает последовательность интерференцией волн различных частот - таким образом, усечение ряда дает версию ряда с фильтром нижних частот :

Примечательно, что среднее приближение (2-членное) отличается. С точки зрения частотной области это лучшее приближение, но с точки зрения временной области у него есть недостатки - он демонстрирует недорегулирование - одно из значений отрицательно, хотя исходный ряд везде неотрицателен - и звенит там , где правая сторона не равно нулю, в отличие от вейвлет-преобразования. С другой стороны, приближение Фурье правильно показывает пик, и все точки находятся в пределах своего правильного значения, хотя все точки имеют ошибку. Вейвлет-приближение, напротив, помещает пик в левой половине, но не имеет пика в первой точке, и, хотя оно точно верно для половины значений (отражающих местоположение), оно имеет ошибку для других значений.

Это иллюстрирует виды компромиссов между этими преобразованиями и то, как в некоторых отношениях DWT обеспечивает предпочтительное поведение, особенно для моделирования переходных процессов.

Определение [ править ]

Один уровень преобразования [ править ]

DWT сигнала рассчитывается путем прохождения его через ряд фильтров. Сначала образцы проходят через фильтр нижних частот с импульсной характеристикой, в результате чего получается свертка двух:

Сигнал также разлагается одновременно с использованием фильтра верхних частот . Выходы дают детальные коэффициенты (из фильтра верхних частот) и коэффициенты аппроксимации (из нижнего прохода). Важно, чтобы эти два фильтра были связаны друг с другом и назывались квадратурными зеркальными фильтрами .

Блок-схема анализа фильтров

Однако, поскольку половина частот сигнала теперь удалена, половина отсчетов может быть отброшена в соответствии с правилом Найквиста. Выходной сигнал фильтра нижних частот на диаграмме выше затем субдискретизируется на 2 и далее обрабатывается, снова пропуская его через новый фильтр нижних частот и фильтр верхних частот с половиной частоты среза предыдущего, то есть:

Это разложение уменьшило вдвое временное разрешение, поскольку только половина каждого выходного сигнала фильтра характеризует сигнал. Однако каждый выход имеет половину полосы частот входа, поэтому разрешение по частоте было удвоено.

С оператором подвыборки

приведенное выше суммирование можно записать более кратко.

Однако вычисление полной свертки с последующей понижающей дискретизацией приведет к потере времени вычислений.

Схема подъема - это оптимизация, в которой эти два вычисления чередуются.

Каскадные и фильтрующие банки [ править ]

Это разложение повторяется для дальнейшего увеличения разрешения по частоте, и коэффициенты аппроксимации разлагаются с помощью фильтров верхних и нижних частот, а затем подвергаются понижающей дискретизации. Это представлено в виде двоичного дерева с узлами, представляющими подпространство с другой частотно-временной локализацией. Дерево известно как банк фильтров .

3-х уровневый блок фильтров

На каждом уровне на приведенной выше диаграмме сигнал разбивается на низкие и высокие частоты. Из - за процесса разложения входной сигнал должен быть кратным , где это количество уровней.

Например, сигнал с 32 отсчетами, частотным диапазоном от 0 до и 3 уровнями разложения, 4 шкалы вывода:

Представление DWT в частотной области

Связь с материнским вейвлетом [ править ]

Реализацию набора фильтров вейвлетов можно интерпретировать как вычисление вейвлет-коэффициентов дискретного набора дочерних вейвлетов для данного материнского вейвлета . В случае дискретного вейвлет-преобразования материнский вейвлет сдвигается и масштабируется по степени двойки.

где - параметр масштаба и - параметр сдвига, оба целые числа.

Напомним, что вейвлет-коэффициент сигнала - это проекция на вейвлет, и пусть будет сигнал длины . В случае дочернего вейвлета в дискретной семье выше,

Теперь зафиксируйте в определенном масштабе, так что это функция только. В свете приведенного выше уравнение, можно рассматривать как свертку из с расширенными, отражением, и нормированной версия материнского вейвлета, , отобранной в точках . Но это именно то, что детализирующие коэффициенты дают на уровне дискретного вейвлет-преобразования. Следовательно, для соответствующего выбора и детальные коэффициенты банка фильтров точно соответствуют вейвлет-коэффициенту дискретного набора дочерних вейвлетов для данного материнского вейвлета .

В качестве примера рассмотрим дискретный вейвлет Хаара , материнский вейвлет которого . Тогда расширенная, отраженная и нормализованная версия этого вейвлета - это, действительно, фильтр разложения верхних частот для дискретного вейвлет-преобразования Хаара.

Сложность времени [ править ]

Реализация набора фильтров дискретного вейвлет-преобразования требует только O ( N ) в некоторых случаях по сравнению с O ( N  log  N ) для быстрого преобразования Фурье .

Обратите внимание, что если и имеют постоянную длину (т. Е. Их длина не зависит от N), то и каждое занимает время O ( N ) . Набор вейвлет-фильтров выполняет каждую из этих двух сверток O ( N ) , затем разбивает сигнал на две ветви размером N / 2. Но он рекурсивно разделяет только верхнюю ветвь, свернутую с (в отличие от БПФ, который рекурсивно разделяет как верхнюю, так и нижнюю ветвь). Это приводит к следующему рекуррентному соотношению

что приводит к времени O ( N ) для всей операции, как может быть показано расширением геометрического ряда вышеуказанного соотношения.

Например, дискретное вейвлет- преобразование Хаара является линейным, поскольку в этом случае и имеют постоянную длину 2.

Локальность вейвлетов в сочетании со сложностью O ( N ) гарантирует, что преобразование может быть вычислено онлайн (на потоковой основе). Это свойство резко контрастирует с БПФ, которое требует доступа ко всему сигналу сразу. Это также применимо к многомасштабному преобразованию, а также к многомерному преобразованию (например, 2-D DWT). [21]

Другие преобразования [ править ]

  • Алгоритм Adam7 , используемый для переплетения в Portable Network Graphics формата (PNG), является многомасштабной моделью данных , которая похожа на DWT с вейвлет Хаара . В отличие от DWT, у него есть особый масштаб - он начинается с блока 8 × 8 и субдискретизирует изображение, а не децимирует ( фильтрация нижних частот , затем понижающая дискретизация). Таким образом, он предлагает худшее частотное поведение, показывая артефакты ( пикселизацию ) на ранних этапах, взамен более простой реализации.
  • Мультипликативное (или геометрический) дискретное вейвлет - преобразование [22] представляет собой вариант , который относится к модели наблюдения с участием взаимодействия положительной регулярной функции и мультипликативного независимого положительного шумом , с . Обозначим вейвлет-преобразование. Так как , то стандартный (аддитивный) дискретное вейвлет - преобразование является такой , что , где подробно коэффициенты не могут рассматриваться как разреженный в целом, за счет вклада в последнем выражении. В мультипликативной структуре вейвлет-преобразование таково, что это `` вложение '' вейвлетов в мультипликативную алгебру включает обобщенные мультипликативные аппроксимации и подробные операторы: например, в случае вейвлетов Хаара, затем до коэффициента нормализации стандартные приближения ( среднее арифметическое ) и детали ( арифметические разности ) становятся соответственно приближениями среднего геометрического и геометрическими разностями (детали) при использовании .


Пример кода [ править ]

В своей простейшей форме DWT удивительно легко вычислить.

Вейвлет Хаара в Java :

public  static  int []  diskteHaarWaveletTransform ( int []  input )  {  // Эта функция предполагает, что input.length = 2 ^ n, n> 1  int []  output  =  new  int [ input . длина ] ; для  ( INT  длина  =  вход . длина  /  2 ;  ;  длина  =  длина  /  2 )  {  // длина текущая длина рабочей площади выходного массива.  // длина начинается с половины размера массива, и каждая итерация уменьшается вдвое, пока не станет 1.  for  ( int  i  =  0 ;  i  <  length ;  ++ i )  {  int  sum  =  input [ i  *  2 ]  + ввод [ я  *  2  +  1 ] ;  int  difference  =  input [ i  *  2 ]  -  input [ i  *  2  +  1 ] ;  вывод [ я ]  =  сумма ;  вывод [ длина  +  я ]  =  разница ;  }  если  ( длина  ==  1 )  {  вернуть  вывод ;  } // Поменять местами массивы для выполнения следующей итерации  System . arraycopy ( вывод ,  0 ,  ввод ,  0 ,  длина );  } }

Полный код Java для 1-D и 2-D DWT с использованием вейвлетов Хаара , Добеши , Койфлета и Лежандра доступен в проекте с открытым исходным кодом: JWave . Кроме того, быстрое внедрение лифтинг дискретного биортогональнои CDF 9/7 вейвлет - преобразование в C , используемый в JPEG 2000 стандарт сжатия изображения можно найти здесь (архивный 5 марта 2012).

Пример приведенного выше кода [ править ]

Пример вычисления дискретных вейвлет-коэффициентов Хаара для звукового сигнала человека, говорящего «Я люблю вейвлеты». Исходная форма волны показана синим в верхнем левом углу, а вейвлет-коэффициенты показаны черным в правом верхнем углу. Внизу показаны три увеличенные области вейвлет-коэффициентов для разных диапазонов.

На этом рисунке показан пример применения вышеуказанного кода для вычисления вейвлет-коэффициентов Хаара для звуковой волны. В этом примере выделяются два ключевых свойства вейвлет-преобразования:

  • Естественные сигналы часто имеют некоторую степень плавности, что делает их редкими в области вейвлета. В этом примере в вейвлет-области гораздо меньше значимых компонентов, чем во временной области, и большинство значимых компонентов относятся к более грубым коэффициентам слева. Следовательно, естественные сигналы сжимаются в вейвлетной области.
  • Вейвлет-преобразование представляет собой полосовое представление сигнала с несколькими разрешениями. Это можно увидеть непосредственно из определения набора фильтров дискретного вейвлет-преобразования, данного в этой статье. Для сигнала большой длины коэффициенты в диапазоне представляют версию исходного сигнала, который находится в полосе пропускания . Вот почему увеличение этих диапазонов вейвлет-коэффициентов выглядит так похоже по структуре на исходный сигнал. Диапазоны, расположенные ближе к левому краю (большие в обозначениях выше), являются более грубым представлением сигнала, а диапазоны справа представляют более мелкие детали.

См. Также [ править ]

  • Дискретное косинусное преобразование (DCT)
  • Вейвлет
  • Серия вейвлетов
  • Вейвлет-сжатие
  • Список преобразований, связанных с вейвлетами

Ссылки [ править ]

  1. ^ А. Н. Акансу, Р. А. Хаддад и Х. Каглар, Биномиальное QMF-вейвлет-преобразование с идеальной реконструкцией , Proc. SPIE Визуальные коммуникации и обработка изображений, стр. 609–618, т. 1360, Лозанна, сентябрь 1990 г.
  2. ^ 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
  3. ^ Селезник, И. В.; Баранюк, Р.Г .; Кингсбери, Северная Каролина, 2005, Комплексное вейвлет-преобразование с двойным деревом
  4. Салливан, Гэри (8–12 декабря 2003 г.). «Общие характеристики и конструктивные соображения для кодирования видео временного поддиапазона» . ITU-T . Группа экспертов по кодированию видео . Дата обращения 13 сентября 2019 .
  5. ^ Bovik, Алан С. (2009). Основное руководство по обработке видео . Академическая пресса . п. 355. ISBN 9780080922508.
  6. ^ Галль, Дидье Ле; Табатабай, Али Дж. (1988). «Подполосное кодирование цифровых изображений с использованием симметричных коротких ядерных фильтров и методов арифметического кодирования». ICASSP-88., Международная конференция по акустике, речи и обработке сигналов : 761–764, том 2. DOI : 10.1109 / ICASSP.1988.196696 . S2CID 109186495 . 
  7. ^ Али Наси Акансу , Эффективная структура QMF-вейвлетов (Binomial-QMF-вейвлеты Добеши), Proc. 1-й симпозиум NJIT по вейвлетам, апрель 1990 г.
  8. ^ Саид, А .; Перлман, Вашингтон (1996). «Новый, быстрый и эффективный кодек изображений, основанный на разделении множества в иерархических деревьях» . IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology . 6 (3): 243–250. DOI : 10.1109 / 76.499834 . ISSN 1051-8215 . Дата обращения 18 октября 2019 . 
  9. ^ С. Маллат, Вейвлет-тур по обработке сигналов, 2-е изд. Сан-Диего, Калифорния: Академический, 1999.
  10. ^ С.Г. Маллат и С. Чжун, «Характеристика сигналов от многомасштабных краев», IEEE Trans. Pattern Anal. Мах. Intell., Т. 14, вып. 7. С. 710–732, июль 1992 г.
  11. ^ Ince, Kiranyaz, Gabbouj, 2009, Универсальная и надежная система для автоматизированной классификации сигналов ЭКГ с учетом специфики пациента.
  12. ^ "Новый метод оценки длины шага с помощью акселерометров сети области тела" , IEEE BioWireless 2011 , стр. 79–82
  13. ^ Бротон, С. Аллен. «Вейвлет-методы в обработке изображений» . www.rose-hulman.edu . Проверено 2 мая 2017 .
  14. ^ Akansu и MJT Смит, поддиапазон и Вейвлет Трансформация: Дизайн и приложения , Kluwer Academic Publishers, 1995.
  15. ^ Akansu и MJ Medley, Wavelet, поддиапазоны и Блок Трансформация в связи и мультимедиа , Kluwer Academic Publishers, 1999.
  16. ^ А. Н. Акансу, П. Дюамель, X. Лин и М. де Курвиль Ортогональные трансмультиплексоры в коммуникации: обзор , IEEE Trans. Об обработке сигналов, специальный выпуск по теории и приложениям банков фильтров и всплесков. Vol. 46, № 4, стр. 979–995, апрель 1998 г.
  17. ^ А. Н. Акансу, В. А. Сердейн и И. В. Селесник, Вейвлет-преобразования в обработке сигналов: обзор новых приложений , физическая коммуникация, Elsevier, vol. 3, выпуск 1, стр. 1–18, март 2010 г.
  18. ^ Pragada, S .; Сивасвами, Дж. (01.12.2008). «Снижение шума изображения с использованием согласованных биортогональных вейвлетов». 2008 Шестая индийская конференция по компьютерному зрению, обработке графических изображений : 25–32. DOI : 10.1109 / ICVGIP.2008.95 . S2CID 15516486 . 
  19. ^ "Пороги для вейвлета 1-D с использованием стратегии Бирже-Массарта - MATLAB wdcbm" . www.mathworks.com . Проверено 3 мая 2017 .
  20. ^ «как получить SNR для 2 изображений - Ответы MATLAB - MATLAB Central» . www.mathworks.com . Проверено 10 мая 2017 .
  21. ^ Барина, Дэвид (2020). «Вейвлет-преобразование в реальном времени для бесконечных полос изображений» . Журнал обработки изображений в реальном времени . Springer. DOI : 10.1007 / s11554-020-00995-8 . S2CID 220396648 . Проверено 9 июля 2020 . 
  22. ^ Атто, Abdourrahmane М .; Труве, Эммануэль; Николя, Жан-Мари; Ле, Чу Транг (2016). «Вейвлет-операторы и модели мультипликативных наблюдений - применение для анализа временных рядов РСА-изображений». IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию . DOI : 10,1109 / TGRS.2016.2587626 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Стэнфордская WaveLab в Matlab
  • libdwt , кроссплатформенная библиотека DWT, написанная на C
  • Краткое введение в вейвлеты Рене Пушингера