小波分析及其工程应用讲义_4
小 波 分 析 及 应 用
小 波 分 析 及 应 用第一部分 引 言小波分析及应用傅立叶分析的有效性19世纪,傅立叶变换把时间域与频率域联系起来,用信号的频谱特性去分析时域内难以看清的问题,解决了很多物理和工程学方面的问题。
这个突破使得科学家们和工程师们开始考虑如何将傅立叶变换作为分析各种现象的最佳工具。
这种普遍性迫使人们开始进一步研究这种方法。
问题及大胆设想直到20世纪即将结束时,数学家、物理学家和工程师们才开始认识到傅立叶变换的缺点:它们在分析短时信号或突变信号时,效果并不理想。
在整个20世纪的过程中,各个领域的科学家们都试图突破上述这些障碍。
从本质上讲,科学家们往往想同时获取到低分辨率的森林——重复的背景信号;以及高分辨率的树——个体的、在背景上的局部变化。
他们提出了大胆的设想:也许通过将一个信号分割成并非纯正弦波的元素,就可以同时在时间和频率两方面对信息进行描述。
问题的解决小波变换是傅里叶变换的新发展,它既保留了傅里叶变换的优点,又弥补了傅里叶变换在信号分析上的一些不足。
原则上讲,小波变换适用于以往一切傅里叶变换应用的领域。
但小波变换并不是万能的,作为一种数学工具,小波变换(分析)有其特定的应用范围,即面向更能发挥小波分析优势的时间—频率局域性问题。
本课程的内容安排理论部分第二部分从傅里叶变换开始,沿着傅里叶变换→短时傅里叶变换→小波变换的发展轨迹,从物理直观的角度对其逐一进行介绍,引出小波变换的概念;然后对小波变换的基本理论进行了详细的讲解;第三部分首先介绍多分辨分析和多分辨率滤波器组的概念,在此基础上讲解由滤波器组系数构造小波基的方法,最后给出对信号和图像进行小波变换的Mallat算法;第四部分介绍小波理论的最新进展和发展方向:多小波;M带小波和提升框架等;应用部分第五部分在给出小波域滤波基本原理的基础上,介绍三种小波滤波方法——模极大值重构滤波、空域相关滤波和基于阈值的小波域滤波方法,并对这三种方法进行分析和比较;第六部分对经典小波滤波方法的改进、较新的进展及发展趋势进行介绍;第七部分对目前国内外小波分析软件应用领域的情况进行总结,着重介绍我们开发的小波分析领域通用信号处理软件系统——“小波软体”(Wavesoft),对其安装、运行、操作进行说明、演示;最后给出几个小波滤波方法的应用实例。
小波分析及其应用
小波分析及其应用小波分析是一种将信号分解成不同频率的方法,它具有时频局域性等优点,广泛应用于信号处理、模式识别、图像处理、生物医学工程等领域。
本文将从小波分析的概念、算法及其应用等方面进行详细介绍。
小波分析最早由法国数学家莫尔。
尼斯特雷(Morlet)于20世纪80年代初提出。
它可以将原始信号分解成不同频率的小波基函数,通过对小波基函数进行不同尺度的平移和伸缩来适配信号的不同频率成分。
与传统的傅里叶变换相比,小波分析可以提供更精确的时频信息,适用于非平稳信号的分析。
小波分析的算法主要有两种:连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)。
连续小波变换是将信号与连续的小波基函数进行卷积得到小波系数,然后通过小波系数的时频表示来分析信号。
离散小波变换则是通过对信号进行多级滤波和下采样得到不同频率的小波系数,然后通过小波系数的分解和重构来还原信号。
小波分析的应用非常广泛。
在信号处理领域,小波分析可用于信号的去噪、特征提取和模式分析等。
例如,在语音信号处理中,小波分析可以提取出语音信号的共振峰位置和共振器参数,从而实现语音识别和语音合成。
在图像处理领域,小波分析可用于图像的边缘检测、纹理分析和压缩等。
例如,在图像压缩中,小波变换可以将图像的低频和高频信息分开编码,从而实现更高的图像压缩比。
在模式识别领域,小波分析可以用于图案识别和模式分类。
例如,在人脸识别中,小波分析可以对人脸图像的尺度和方向进行多尺度和多方向的分析,从而提取出不同特征,进而实现人脸的识别。
在生物医学工程领域,小波分析可用于心电信号的分析和疾病检测等。
例如,在心电信号的分析中,小波分析可以提取出心电信号的不同频率成分,从而实现对心脏疾病的检测和分析。
总之,小波分析是一种重要的信号分析方法,具有时频局域性和多分辨率分析的特点,广泛应用于信号处理、模式识别、图像处理和生物医学工程等领域。
通过对小波基函数进行不同尺度的平移和伸缩,可以实现对信号不同频率成分的分解和分析,并提取出信号的时频特征,从而实现对信号的处理和分析。
小波分析及应用(附常用小波变换滤波器系数)
第八章 小波分析及应用8.1 引言把函数分解成一系列简单基函数的表示,无论是在理论上,还是实际应用中都有重要意义。
1822年法国数学家傅里叶(J. Fourier 1768-1830)发表的研究热传导理论的“热的力学分析”,提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理,奠定了傅里叶级数理论的基础[1]。
傅里叶级数理论研究的是把函数在三角函数系下的展开,使得对信号和系统的研究归结为对简单的三角函数的研究。
傅里叶级数与傅里叶变换共同组成了平常所说的傅里叶分析[2]。
傅里叶级数用于分析周期性的函数或分布,理论分析时经常假定周期是π2,定义如式(8.1-1)、(8.1-2)()()π2,02L x f ∈∀,()∑∞-∞==k ikxkec x f (8.1-1)其中 ()dx e x f c ikx k -⎰=ππ2021 (8.1-2) 然而,被分析函数的性质并不能完整地由傅里叶系数来刻划,这里有一个例子来说明[3]:从任一个平方可和的函数)(x f 出发,为了得到一个连续函数)(x g ,只需或者增大f(x)的傅里叶系数的模,或者保持它不变并适当地改变系数的位相。
因此,不可能仅根据傅里叶系数大小的阶就预知函数的性质(如大小、正则性)。
傅里叶变换的定义如式(8.1-3)、(8.1-4)()()dx e x f F x j ωω⎰∞∞-= (8.1-3)()()ωωπωd e F x f x j -∞∞-⎰=21 (8.1-4) 通过引入广义函数或分布的概念,可获得奇异函数(如冲击函数)的傅里叶变换的存在。
对于时域的常量函数,在频域将表现为冲击函数,表明具有很好的频域局部化性质。
由式(8.1-3)可知,为了得到()ωF ,必须有关于f(x)的过去和未来的所有知识,而且f(x)在时域局部值的变化会扩散到整个频域,也就是()ωF 的任意有限区域的信息都不足以确定任意小区域的f(x)。
在时域,哈尔(Haar)基是一组具有最好的时域分辨能力的正交基,它在时域上是完全局部化的,但在频域的局部化却很不好,这是由于哈尔系的两个缺点:缺乏正则性与缺乏振动性。
小波分析全章节讲解
窗函数的中心和宽度,分别表征窗函数 的位置和集中程度的度量信息。
(三)窗口傅里叶变换的基本思想
1946年,Gabor提出了窗口傅里叶: 变换在传统的傅里叶分析之前,对信号 进行了加窗处理。这里的窗函数 g ( t ) 的 选择有些特殊:首先,它时实对称函数 ;其次,它在某个小区间内衰减很小, 而在区间外迅速衰减为 0。
Gabor在最初的处理中采用的时 Gauss窗 g(t) e 14 t22作为基本窗函 数,通过在时间轴上平移得到一组窗 函数 {g(t b)} 。
3.卷积 卷积特性分为时域卷积和频域 卷积,即
f1(t)*f2(t) F F 1()F 2()
f1(t)f2(t) F 21 F 1()F2()
4.Parseval定理(内积定理)
它表明两个信号在时域和频域中的 内积之间的关系,即
f1(t)f2 *(t)d t2 1 F 1()F 2 *()d
但是现实世界中的很多信号,例如,脑电波信号、地震信号 、语音信号等,都是非平稳的。这些信号的频率是时变的。 对于这种信号的准确描述,必须使用具有局部 性能的时域和频域的二维 ( t , )联合表示, 或者说必须提取特定时间段和频率段内的信号 特性。这时,传统的傅里叶分析就显得无能为力了。 傅里叶变换所描述的是整个时间段内频率 的特性,或者说它是一种全局的变换而没有 刻画出特定时间段或频率段的特性。
• 小波理论是建立在傅里叶分析和 泛函分析基础之上的视频分析工 具之一。
• 小波变换是对傅里叶变换与短时 傅里叶变换的发展,为信号分析、 图像处理、量子物理及其他非线 性科学的研究域带来革命的影响。
二、傅里叶分析(连续)
1、傅里叶变换
(1)傅里叶(FT)定义
F ()=f(t)ejtdt (1.1)
《小波分析及应用》课件
在本PPT课件中,我们将介绍小波分析及其广泛的应用。了解小波基础和小波 应用的重要概念。
小波分析及应用
1
第一部分:小波基础
了解小波变换的基本概念和时频表示方法,以及常用的基本小波函数。
2
第二部分:小波应用
探索小波在信号去噪、信号压缩和信号分析中的实际应用。
小波变换简介
信号压缩
1 压缩感知理论
基于信号的稀疏性,通过稀疏表示和重建算法实现信号的高效压缩。
2 小波稀疏表示
利用小波变换将信号转换为稀疏系数,实现信号的高效压缩和重建。
3 小波压缩算法
使用小波变换、阈值处理和反变换等技术实现信号的无损和有损压缩。
信号分析
1
小波能量谱分析
通过小波变换将信号分解为不同频带的能量谱,分析信号的频域特性。
2
小波分析在图像处理中的应用
利用小波变换处理图像,实现图像去噪、边缘检测等图像处理任务。
3
小波变换与神经网络结合应用
将小波变换与神经网络相结合,实现信号和图像的深度学习分析与处理。
Daubechies小波是一类紧支小波 函数,适用于信号分析和压缩。
Symlet小波
Symlet小波是对称小波函数系列, 适用于信号平滑和噪声去除。
小波分解算法
1
基于滤波器组的小波分解
通过一系列滤波器和下采样将信号分解为多个频带的近似和细节系数。
2
快速小波变换(FWT)
使用基于迭代的算法,快速计算信号的小波变换。
定义
小波是一种数学函数,用于描述信号在不同时间和频率上的变化。
时频表示
小波变换将信号分解为时域和频域信息,揭示了信号的局部特征。
小波分析及其应用
3、不同变换比较
既叫做Gabor变换,又叫做短时傅立叶变换。
Gabor变换很好地解决了傅立叶变换的局部化性质。
高频信号采用小的窗口;低频信号采用大的窗口。 窗口的大小不能自动调整。
3、不同变换比较
3、小波变换:小波母函数相当于一个窗口函数, 通过伸缩参数a可以改变窗口的大小。
小波分析有“自动变焦功能”。
表示:信号f(t)在整个时间域中的频率特征,或者说 傅立叶变换在时间域中没有局部化性质。
3、不同变换比较
2、加窗傅立叶变换:
目的:为了进行信号的局部化性质研究,加入了窗 口函数g(t)进行处理。
Gf (, m)
f (t) g (t m)eit dt
随着m的变化,g(t)在时间轴上移动,从而得到不 同的局部化信息。
频域: 离散傅立叶变换\FFT
时频域: WVD、 小波变换、 短时傅立叶变换
3、小波变换介绍
小波变换:首先由法国地球物理学家Morlet 在20世纪80年代初在分析地球物理信号时提 出的。
研究小波的热潮在1986年后。
3、小波变换介绍
小波变换的应用:数据压缩、图像处理、机 械故障诊断、信号降噪、边缘检测、神经网 络、参数辨识、CT成像、语音识别与合成等。
3、Mallat算法
S.Mallat在1989年在多分辨分析的基础上提 出的快速算法。
Mallat算法在小波分析中的作用相当于FFT在 傅立叶变换中的作用。
Mallat算法又称为塔式算法,由小波分解滤 波器H、G和小波重构滤波器h、g对信号进 行分解与重构。
3、Mallat算法
分解算法:
2、离散小波变换定义
定义:
小波分析讲稿
8. 离散小波变换
(1)一阶滤波:近似与细节
(2)离散小波旳多尺度分解
按照上述一阶滤波旳过程,信号旳低频部分能 够被继续分解,从而实现了小波旳尺度分解
举例:对一种实际旳信号进行小波分解
3.Wavelet Analysis
小波变换是时间-尺度(时间-频率)分析措施,具有多辨别率分析旳 特点,即窗口大小固定但其形状可变化,时间窗和频率窗可变化旳时频 局部化分析措施。 在低频部分具有较高旳频率辨别率和较低旳时间辨别率; 在高频部分具有较高旳时间辨别率和较低旳频率辨别率。 优点:适合探测正常信号中夹带旳瞬态反常现象并展示其成份,所以被 誉为分析信号旳显微镜,利用小波变换进行动态系统故障检测与诊疗具 有良好旳效果。
--利用小波包旳多尺度分解能力,把信号分解到多种频率带, 经过检测各频率带信号旳能量变化,能够对点蚀故障进行辨认
实际应用
2.小波消噪 在实际信号测量中,传感器、传播线、电源等所带来旳背
景噪声,往往使测量成果产生误差,严重时甚至可能淹没有用 信号,使测量成果不能正确反应被测对象旳真实状态,降低了 信号分析旳可信度,所以信号消噪是信号处理旳首要问题。
白噪声旳小波变换系数模值随分解尺度旳增长而变旳越来 越小,而信号旳小波变换系数模值随分解尺度旳增长而变旳越 来越大,故可对若干尺度上旳小波系数设置阈值,将分解尺度 上旳噪声所相应旳小波系数进行阈值化置零,保存有效信号所 相应旳小波系数,然后进行重构,则重构后旳信号就是基于小 波变换旳消噪信号。
4、用于机器运营状态监测和故障诊疗
小波包能量谱监测。实际振动中某些常见旳摩擦、冲击等信号,一般 不能以某些正弦分量来表达。所以,有时采用按频带进行能量监测旳措 施,比频谱分析更为合理。
小波分析及其应用
小波分析及其应用
小波分析,又称小波变换,是一种数字信号处理技术,它能有效地分
析和处理带有噪声的信号。
由于其分析和处理能力,小波变换正在广
泛应用于图像、音频和视频信号的处理中。
小波分析是基于多尺度分析理论的,其核心思想是从高频到低频把时
域信号分解为不同的尺度的组件,或者说从原始信号中提取出比较重
要的特征信息,从而使处理和分析过程更加准确、方便和快捷。
其作
用是将一个复杂的信号分解成它的低频和高频分量,以此来滤除杂讯,增强信号特征。
由于小波分析的复杂性和高效性,小波变换已经被广泛应用于图像处
理领域。
图像处理中用到的小波变换主要有小波去噪、压缩、识别和
检测等。
小波去噪是将目标图像的某些频率分量置零以抑制高频噪声
的方法;压缩则是将原信号或图片的文件大小降低,以节省存储空间;识别则是利用小波分析技术对图像进行形状特征提取;检测则是利用
小波分析技术对图像中目标物体的位置、纹理特征等进行识别。
此外,小波分析还被应用到语音和音频信号的处理中。
语音处理中,
小波变换可以提取信号的特征,分离目标信号与噪声,并提升语音识
别性能;音频处理中,小波分析可以对音频信号进行动态范围分析等。
总之,小波分析可以准确地分解和处理复杂的信号,提取信号特征,
从而提升信号分析和处理的准确性和效率。
因此,小波分析已经成为
图像、音频和视频信号处理领域的重要技术之一。
小波分析及应用(附常用小波变换滤波器系数)
第八章小波分析及应用8.1 引言把函数分解成一系列简单基函数的表示,无论是在理论上,还是实际应用中都有重要意义。
1822年法国数学家傅里叶(J. Fourier 1768-1830)发表的研究热传导理论的“热的力学分析”,提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理,奠定了傅里叶级数理论的基础[1]。
傅里叶级数理论研究的是把函数在三角函数系下的展开,使得对信号和系统的研究归结为对简单的三角函数的研究。
傅里叶级数与傅里叶变换共同组成了平常所说的傅里叶分析[2]。
傅里叶级数用于分析周期性的函数或分布,理论分析时经常假定周期是π2,定义如式(8.1-1)、(8.1-2)()()π2,02L x f ∈∀,()∑∞-∞==k ikxkec x f (8.1-1)其中 ()dx e x f c ikx k -⎰=ππ2021 (8.1-2) 然而,被分析函数的性质并不能完整地由傅里叶系数来刻划,这里有一个例子来说明[3]:从任一个平方可和的函数)(x f 出发,为了得到一个连续函数)(x g ,只需或者增大f(x)的傅里叶系数的模,或者保持它不变并适当地改变系数的位相。
因此,不可能仅根据傅里叶系数大小的阶就预知函数的性质(如大小、正则性)。
傅里叶变换的定义如式(8.1-3)、(8.1-4)()()dx e x f F x j ωω⎰∞∞-= (8.1-3)()()ωωπωd e F x f x j -∞∞-⎰=21 (8.1-4) 通过引入广义函数或分布的概念,可获得奇异函数(如冲击函数)的傅里叶变换的存在。
对于时域的常量函数,在频域将表现为冲击函数,表明具有很好的频域局部化性质。
由式(8.1-3)可知,为了得到()ωF ,必须有关于f(x)的过去和未来的所有知识,而且f(x)在时域局部值的变化会扩散到整个频域,也就是()ωF 的任意有限区域的信息都不足以确定任意小区域的f(x)。
在时域,哈尔(Haar)基是一组具有最好的时域分辨能力的正交基,它在时域上是完全局部化的,但在频域的局部化却很不好,这是由于哈尔系的两个缺点:缺乏正则性与缺乏振动性。
小波分析及其工程应用-综合介绍
√Medical volume compression √ DEM compression
信号小波表示的显著优点:
多尺度分辨特性 时频局部化特性 去相关性(稀疏表示) 快速算法 几乎无数据冗余
多尺度表示
时频局部化特性
时-频局部化特性适用于分析非平稳信号
时频局部化分析
Power production and power electronic power quality monitoring
小波分析及其工程应用
课程介绍
小波技术及其工程应用概述 课程内容介绍 考核方法
小波技术及其工程应用
小波分析
小波分析是80年代后期形成的一个新兴的数学分支. 小波分析是目前国际上公认的信号信息获取与处理领域 的高新技术。
Waves, Wavelets, and Transforms
Waves & Wavelets
Daubechies(女)-----比利时人
1988年,建立了著名的Daubechies小波: 紧支撑正交小 波。 Daubechies I., Orthonormal bases of compactly supported wavelet, Comm. On Pure and Appl. Math., 41,1988, 909-996
Wickhauser
由Coifman、Meyer、Quake及Wickhauser引入小波 包, 并由Wickhauser作了深化并成功地应用于信号压缩 等。
Adapted Wavelet Analysis from Theory to Software,1994
小波基本理论及应用PPT课件
小波变换的应用领域
信号处理
小波变换在信号处理领域应用广泛,可 以用于信号的降噪、压缩、识别和分类
等。
模式识别
小波变换可以用于模式识别中的特征 提取和分类器设计,如人脸识别、语
小波基本理论及应用ppt课 件
目录
• 小波理论概述 • 小波变换的数学基础 • 小波变换的算法实现 • 小波变换在信号处理中的应用 • 小波变换在图像处理中的应用 • 小波变换在其他领域的应用
01
小波理论概述
小波的定义与特性
小波的定义
小波是一种特殊的函数,其时间窗和频率窗都可以改变,且在时间域和频率域 都具有很好的局部化特性。
在信号处理中,通过调整小波变换的尺度和平移参数,可 以得到信号在不同时间和频率下的局部信息,从而更好地 理解信号的特征和性质。
03
小波变换的算法实现
一维小波变换算法
一维小波变换算法是实现小波变换的基本方法之一,它通过对一维信号进行多尺度分析,将信号分解 成不同频率和不同时间分辨率的成分。
一维小波变换算法可以分为连续小波变换和离散小波变换两种,其中离散小波变换在实际应用中更为广 泛。
量子纠缠的检测
小波变换可以用于检测量子纠缠,有 助于理解和应用量子纠缠的性质。
量子计算中的优化问题
小波变换可以用于优化量子计算中的 某些问题,提高量子计算的效率。
量子模拟中的近似方法
小波变换可以用于近似求解某些量子 模拟问题,提供一种有效的近似方法。
在金融领域的应用
金融数据分析
小波变换可以用于金融数据分析,如股票价 格、外汇汇率和商品价格等的分析。
小波分析及其工程应用讲义_4
The scaling function is very similar to the wavelet function. It is determined by the low-pass quadrature mirror filters, and thus is associated with the approximations of the wavelet decomposition.
Wavelet Reconstruction
The process of Assembling these components back into the original signal without loss of information is called reconstruction, or synthesis. The mathematical manipulation that effects synthesis is called the inverse discrete wavelet transform (IDWT)
Reconstruction of Approximations and Details(1)
Reconstruct our original signal from the coefficients of the approximations and details.
小波分析及其工程应用-综合介绍PPT共61页
谢谢!
36、自己的鞋子,自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢,但是我从不功的秘诀为何,且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
小波分析及其工程应用-综合介绍
11、用道德的示范来造就一个人,显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的,对谁都一视同仁。在每件事上,她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由,因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样,法律和法律都是相互依存的。——伯克
40、学而不思则罔,思而不学则殆。——孔子
小波分析及其工程应用
⎧ ⎛ m⎞ N ⎪ m+1 ⎜ t + 2 ⎟ , 当m是偶数时 ⎪ ⎝ ⎠ θm ( t ) = ⎨ ⎪ N ⎛ t + m + 1 ⎞ ,当m是奇数时 m +1 ⎜ ⎟ ⎪ 2 ⎝ ⎠ ⎩ 称之为m次盒(box)样条。
性质:
1)当m为偶数时,盒样条关于1 /2对称;当m为奇数时,盒样条关 于0对称。 2) θ m ( t ) 是m次基数B样条多分辨分析{Vj}的另一个非正交尺度函数
= −e − iω ∑ ( −1) hl∗eilω
l l
= −e − iω ∑ hl∗eil (ω +π )
l
ˆ* ( ω + π ) = −e − iω h
频域求解过程
ϕ (t )
ˆ (ω ) ϕ
ˆ (ω ) φ
ˆ* ( ω + π ) ˆ (ω ) = −e− iω h g
ˆ (ω ) = ψ 1 ω ˆω ˆ ( )φ ( ) g 2 2 2
φ ( t ) = φ ( 2t ) + φ ( 2t − 1)
h0 = 2 2
h1 = 2 2
hn = 0 ( n ≠ 0,1)
ψ ( t ) = φ ( 2t ) − φ ( 2t − 1)
φ ( t ) = χ[0,1] ( t )
− iω sin (ω / 2 ) − iω / 2 1 − e ˆ (ω ) = φ = e iω ω/2
φ (t ) = 2 ∑ hkφ (2t − k )
k
φ j −1,k (t ) = 2
j −1 2
−1 −1 ⎡ ⎛ j2 ⎛ j2 ⎞ ⎞ ⎤ j/2 φ ⎜ 2 t − k ⎟ = 2 ∑ hlφ ⎢ 2 ⎜ 2 t − k ⎟ − l ⎥ l ⎢ ⎝ ⎥ ⎝ ⎠ ⎠ ⎦ ⎣
小波分析及其工程应用-Haar小波分析
l (a b) l (a ) l (b) 1
a0 , a1 , a2 ,, am
a0 , a1 , a2 ,, am
a0 , a1 , a2 ,, am
bk , , b2 , b1 , b0
初始状态
bk , , b2 , b1 , b0
中间状态
bk , , b2 , b1 , b0
2n 1 k 0
an,k
2
2n 1 1
k 0
an1,k
2
2n 1 1
k 0
d n1,k
2
快速计算公式:
an 1,k (an ,2 k an,2 k 1 ) / 2 d n 1,k (an ,2 k an,2 k 1 ) / 2 k 0,1, , 2 n 1 1 k 0,1, , 2n 1 1
1 1 1,0 (t ) 1,1 (t ) 2 2 1 1 1,0 (t ) 1,1 (t ) 2 2
1.5 小波变换的快速计算
作用: 不同分辨率下的小波函数及尺度函数具有相同的能量.
f (t ) an 1,0n 1,0 (t ) an1,2n1 1n1,2n1 1 (t ) d n 1,0 n 1,0 (t ) d n1,2n1 1 n1,2n1 1 (t )
X 1/4,2/4 , X 2/4,3/4 , X 3/4,1 与 X 0,1/4 之间的关系? X 0,1/4 与 X 0,1 之间的关系?
j ,k (t ) (2 j t k )
k 0,1,, 2 j 1
f (t ) x12,0 (t ) x22,1 (t ) x32,2 (t ) x42,3 (t )
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Reconstruction of Approximations and Details(2)
the coefficient vectors cA1 and cD1 -- half the length of the original signal -- cannot directly be combined to reproduce the signal. It is necessary to reconstruct the approximations and details before combining them. Extending this technique to the components of a multilevel analysis, we find that similar relationships hold for all the reconstructed signal constituents. That is, there are several ways to reassemble the original signal:
The Discrete Wavelet Transform(3)
Example of the Discrete Wavelet Transform
Multiple Level decomposition
The decomposition process can be iterated, with successive approximations being decomposed in turn, so that one signal is broken down into many lower resolution components. This is called the wavelet Since the analysis process is iterative, in theory it can be continued indefinitely. In reality, the decomposition can proceed only until the individual details consist of a single sample or pixel. In practice, you'll select a suitable number of levels based on the nature of the signal, or on a suitable criterion such as entropy
Wavelet Package Aanlysis
In wavelet packet analysis, the details as well as the approximations can be split. This yields more than 2 2 different ways to encode the signal. This is the wavelet packet decomposition tree.
n 1
For instance, wavelet packet analysis allows the signal S to be represented as A1 + AAD3 + DAD3 + DD2.
小波包函数除了尺度和平移两个参数外,增加了一个频率参数, 克服了小波时间分辨率高时频率分辨率低的缺陷。
一维小波分析用于信号奇异性检测(1)
信号中的奇异点及不规则突变部分经常带有比较重要的信息, 例如在故障诊断中,故障通常表现为输出信号发生突变。 在这些奇异信号中,信号的奇异程度是不同的,根据研究的需 要,常将其分为剧变奇异信号和缓变奇异信号。剧变奇异信号是 指信号本身具有突变,缓变奇异信号则指信号本身是连续的,但 其某阶导数具有间断或奇变。 对信号进行多尺度分析,在信号出现突变时,小波变换后的 系数具有模值极大值, 可以通过对极大值点的检测确定故障发生的时间。 小波的选择,需要注意具有良好的正则性。 例程:test_1_01.m test_1_02.m
Multi-step Decomposition and Reconstrction
This process involves two aspects: breaking up a signal to obtain the wavelet coefficients, reassembling the signal from the coefficients.
Reconstruction Filters
ψ The downsampling of the signal components performed during the decomposition phase introduces a distortion called aliasing. It turns out that by carefully choosing filters for the decomposition and reconstruction phases that are closely related (but not identical), we can "cancel out" the effects of aliasing.
Introduce of Wavelet Function(1)
Introduce of Wavelet Function(2)
根据不同的标准,小波函数具有不同的类型 (1) 小波函数和尺度函数及其傅立叶变换的支撑长度。即当时间或频 率趋向无穷大时,函数从一个有限值收敛到0的速度; (2) 对称性。在图像处理中用于避免移相; (3) 消失矩阶数。有利于数据压缩; (4) 正则性。有利于信号或图像的重构获得较好的平滑效果。 在MATLAB命令行输入:waveinfo(‘’)命令可以查看函数简要说明 例如:waveinfo(‘db’) 在MATLAB命令行输入:wavemenu,打开小波工具箱GUI 可以查看详细帮助
Reconstruction of Approximations and Details(1)
Reconstruct our original signal from the coefficients of the approximations and details. Reconstruct the approximations and details themselves from their coefficient vectors. Reconstruct the first-level approximation A1 from the coefficient vector cA1 Reconstruct the first-level detail D1 from the coefficient vector cD1 S=A1+D1
Wavelet Reconstruction
The process of Assembling these components back into the original signal without loss of information is called reconstruction, or synthesis. The mathematical manipulation that effects synthesis is called the inverse discrete wavelet transform (IDWT)
WAVELT TRANSFORM AND ITS APPLICATIONS
小波变换与工程应用 WAVELT TRANSFORM AND ITS APPLICATIONS
李艳 讲师 自动化科学与工程学院
The Discrete Wavelet Transform(1)
In wavelet analysis, we often speak of approximations and details. The approximations are the high-scale, low-frequency components. The details are the low-scale, high-frequency components.
Relationship of Filters to Wavelet shapes
The wavelet function is determined by the high-pass filter, which also produces the details of the wavelet decomposition. There is an additional function associated with some, but not all, wavelets. This is the so-called scaling function, . The scaling function is very similar to the wavelet function. It is determined by the low-pass quadrature mirror filters, and thus is associated with the approximations of the wavelet decomposition. In the same way that iteratively upsampling and convolving the high-pass filter produces a shape approximating the wavelet function, iteratively upsampling and convolving the low-pass filter produces a shape approximating the scaling function.