Файл: Лавриненко О.Ю. - Алгоритми та програмні засоби фільтрації і стиснення сигналів в ТКС.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 23.04.2019

Просмотров: 2727

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

41 

Тут 

n

m

d

S

n

m

,

,

  -  деталізуючі  коефіцієнти  для  вейвлет-декомпозиції  сигналу 

рівня  m.  Відновлення  s(t)  з  послідовності 

n

m

S

,

  можливо  в  тому  випадку,  якщо 

існують числа A>0 і B<

 такі, що 



Z

m

Z

n

n

m

t

s

B

d

t

s

A

2

2

,

2

)

(

)

(

,   

 

 

(2.12) 

для  всіх  s(t) 

  L

2

(R),  де  L

2

(R)  означає  безліч  функцій,  інтегрованих  з  квадратом  в 

інтервалі  R;  R:=(-

,  +

)  -  нескінченний  інтервал  визначення  значень  незалежної 

змінної;  Z  –  …-1,0,1,2,…  -  безліч  цілих  чисел.  З  (2.12)  випливає,  що  хоча 

реконструкція s(t) з її вейвлет-коефіцієнтів може не збігатися точно з s(t), вона буде 

близька  до  неї  в  сенсі  забезпечення  мінімуму  середньоквадратичної  похибки 

відновлення. З (2.4) і (2.11) слідує вираз для зворотного дискретизованого  вейвлет-

перетворення: 



Z

m

Z

n

m

m

n

m

n

t

a

a

d

C

t

s

)

(

)

(

2

/

0

2

/

0

,

1

.   

   

(2.13а) 

Якщо  базисні  функції  нормалізовані  таким  чином,  що  C

=1,  то  остаточна 

формула реконструкції сигналу записується у вигляді:  



Z

m

Z

n

n

m

n

m

t

d

t

s

)

(

)

(

,

,

.                                   (2.13б) 

Дискретизоване вейвлет-перетворення найбільш ефективно в задачах стиснення 

сигналів  та  зображень,  задачі  очищення  сигналу  від  шумів.  Безперервне  вейвлет-

перетворення  в  основному  використовується  для  аналізу  перехідних  процесів, 

виявлення різких змін в сигналі і дослідження нестаціонарні. 

Особливою  різновидом  безперервного  вейвлет-перетворення  є  діадне  (dyadic) 

вейвлет-перетворення (a

0

=2), яке часто називають дискретним і за допомогою якого 

згідно  (13а)  при  j  =  -m/2;  n  =  k  будь  квадратично-інтегрований  сигнал  s(t)

L

2

(R) 

може бути представлений у вигляді суми:  

)

2

(

2

)

(

k

t

d

t

s

j

j

k

j

jk

 





 

 

 

(2.14а) 


background image

 

42 

Важливою особливістю подібної дискретизації є виключення перекриття носіїв 

вейвлетів,  тобто  усунення  надмірності  в  ході  вейвлет-перетворення.  Вибір  знака  + 

або - при ступені a

0

  залежить  від  вибору  вихідного  розміру  вейвлета  -  розтягнутий 

або  стиснений.  Якщо  розтягуємо  (стискаємо)  материнський  вейвлет 

(t)  щодо 

сигналу  в  процесі  перетворення,  то  вибирається 

  (

)  при  ступені  a

0

.  Індекс  j  є 

параметром  масштабу  і  називається  рівнем  дозволу,  індекс  k  є  параметром  зсуву. 

Зокрема,  коефіцієнти 

jk

d

  несуть  інформацію  про  s(t)  в  околиці  частоти 

j

2

1/

  і 

моменти часу 

k

j

2

.  

Часткову суму ряду (2.14а):  

)

2

(

2

)

(

1

0

0

k

t

d

t

s

j

j

j

j

k

jk

j

 





,                          (2.14б) 

називають  наближенням  сигналу  s(t)  c  дозволом  j

0

.  Сигнал  можна  представити  у 

вигляді  суми  початкового  наближення  (тобто  наближення  з  деяким  початковим 

дозволом j

0

) і решти членів ряду (2.14а):  

)

2

(

2

)

(

)

(

0

0

k

t

d

t

s

t

s

j

j

j

j

k

jk

j

 



.   

 

(2.15) 

Таке розкладання забезпечує багатомасштабного аналіз  s(t). Перший член ряду 

є грубим поданням сигналу. При додаванні до нього членів ряду ступінь деталізації 

збільшується, тобто збільшується дозвіл, з яким представлений сигнал. 

Основним  завданням  теорії  вейвлет-перетворення  є  доказ  того,  що  пряме  і 

зворотне  вейвлет-перетворення  здатне  забезпечувати  реконструкцію  сигналу, 

причому  точну  або  хоча  б  наближену,  локальну  або  для  сигналу  в  цілому  на 

заданому  проміжку  часу.  У  загальному  випадку  вейвлет-перетворення  на  основі 

деталізуючої ортогональної вейвлет-функції 

(t) здатне відновити, принаймні, тонкі 

деталі  тимчасової  структури  сигналу  s(t).  Для  відновлення  повної  форми  сигналу 

необхідно  вдаватися  до  застосування  ще  однієї  часової  функції 

(t),  званої 

масштабується (апроксимуючої) або скейлинг-функцією (батьківським вейвлетом) з 

одиничним  значенням  інтеграла 

1

)

dt

t

,  визначальною  грубе  наближення 


background image

 

43 

(апроксимацію)  і  породжує  коефіцієнти  апроксимації.  Функції 

(t)  притаманні 

далеко не всім вейвлетам, а тільки тим, які відносяться до ортогональних. 

 

2.6. Кратномасштабне подання сигналів 

Одна  з  основних  ідей  вейвлет-представлення  сигналів  полягає  в  розбивці 

наближення  до  сигналу  на  дві  складові:  грубу  (аппроксимуючу)  і  витончену 

(деталізуєчу)  з  подальшим  їх  уточненням  ітераційним  методом.  Кожен  крок  такого 

уточнення  відповідає  певному  рівню  декомпозиції  та  реставрації  сигналу.  Процес 

декомпозиції  дискретної  послідовності  значень  у  середні  значення  і  деталізують 

значення при різних масштабах називається кратномасштабного аналізом. Вейвлет-

перетворення  є  засобом  багатомасштабного  аналізу,  що  дозволяє  розглядати 

досліджуваний  сигнал  з  різними  масштабами.  Подібне  уявлення  сигналу  дозволяє 

аналізувати  динаміку  зміни  сигналу  залежно  від  масштабу  та  взаємодії  подій  на 

дрібних  масштабах,  що  переростають  у  великомасштабні.  Кратномасштабне 

представлення  лежить  в  основі  багатьох  застосувань  вейвлет-аналізу  та  вейвлет-

перетворень.  Наприклад,  стосовно  до  сигналів  зображень  воно  означає 

представлення зображень послідовністю образів з різним ступенем їх деталізації. 

Відповідно  до  теорії  багатомасштабного  аналізу  в  якості  ортонормированного 

вейвлет-базису 

k

j

k

j

,

,

,

 

використовуються 

вейвлет-функція 

)

2

(

2

)

(

2

/

,

k

t

t

j

j

k

j

 і скейлинг-функція  

)

2

(

2

)

(

2

/

,

k

t

t

j

j

k

j

. У цьому випадку 

материнський 

вейвлет 

)

(t

 

і 

скейлинг-функція 

)

(t

 

задовольняють 

співвідношенням 

)

2

(

)

(

2

)

(

1

2

0

k

t

k

g

t

M

k

  і 

)

2

(

)

(

2

)

(

1

2

0

k

t

k

h

t

M

k

,  де  g(k)  і 

h(k)  -  коефіцієнти,  відповідні  імпульсним  характеристикам  низькочастотного  і 

високочастотного  фільтрів,  2М  -  число,  зване  компактним  носієм  і  характеризує 

ширину часового інтервалу, на якому скейлинг і вейвлет-функції відмінні від нуля, і 

мають наступні нормувальні умови: 

0

)

dt

t

  і  

1

)

dt

t


background image

 

44 

У  цьому  випадку  будь-яка  функція 

)

(

)

(

2

R

L

t

s

  повністю  характеризується  її 

коефіцієнтами  апроксимації 

dt

t

t

s

c

k

j

k

j

)

(

)

(

,

,

  і  деталізуючими  коефіцієнтами 

dt

t

t

s

d

k

j

k

j

)

(

)

(

,

,

  і  може  бути  представлена  у  вигляді  суперпозиції  вейвлетов  і 

скейлинг-функцій: 

 

1

,

1

,

,

1

0

0

0

0

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

k

j

j

k

j

k

k

j

k

j

k

k

j

t

d

t

c

t

s

t

s

t

s

 

(2.16) 

де 

)

(

0

t

s

j

  і 

)

(t

s

k

  -  низькочастотна  і  високочастотні  компоненти  сигналу 

відповідно; 

0

j

=0, 

1, 

2,…  -  обраний  початковий  масштаб,  який  вибирається 

виходячи  з  апріорної  інформації  про  сигнал,  а  саме  його  тривалості; 

j

N

k

2

/

  - 

значення зсуву для сигналу, що складається із значень 

n

N

2

 відліків. 

З (2.16) випливає, що 

k

k

j

k

j

j

t

c

t

s

)

(

)

(

,

,

0

0

0

,       

 

 

 

(2.17а)  

k

k

j

k

j

j

t

d

t

s

)

(

)

(

,

,

,   

 

 

 

 (2.17б) 

де 

)

(t

s

j

  -  високочастотна  компонента  сигналу  для  довільного  дозволу  j. 

Коефіцієнти  розкладання  (вейвлет-коефіцієнти)  (17,  а,  б)  визначаються  з  умови 

ортогональності базисних функцій за допомогою таких висловлювань:  

dt

t

t

s

c

k

j

k

j

)

(

)

(

,

,

0

0

,    

 

 

 

(2.18а) 

dt

t

t

s

d

k

j

k

j

)

(

)

(

,

,

 

 

 

 

(2.18б) 

Ці  коефіцієнти  часто  називають  сумами  (с)  і  різницями  (d),  пов'язуючи  їх  з 

середніми  значеннями  і  флуктуаціями  відповідно.  Перетворення  сигналу  за 

формулами (2.18а, б) називається аналізом, а відновлення за формулами (2.17а, б) - 

синтезом, який призводить до обчислення спектральних компонент в (2.16). 


background image

 

45 

Сума  по  k  в  (2.16)  обмежена  інтервалом  завдання  функції  s(t).  Перша  сума  в 

(2.16) зі скейлинг-функцією 

k

,

 містить середні значення s(t) за діадним інтервалах 

j

j

k

k

2

)

1

(

,

2

.  Другий  член  містить  всі  флуктуації  s(t)  на  даному  інтервалі.  Ці 

флуктуації  виникають  з  усіх  менших  інтервалів,  укладених  усередині  даного  і 

відповідають  великим  значенням  параметра  масштабування  j.  На  нижчому  рівні 

дозволу  j

0

  з  широкими  інтервалами  перша  сума  містить  всього  один  член,  що  дає 

загальне  усереднене  зважене  значення  сигналу 

0

0

,

)

(

k

j

c

t

s

,  де  k

0

  позначає  центр 

інтервалу.  Друга  сума  в  (2.16)  показує  флуктуації  на  всіх  без  винятку  рівнях.  На 

наступному  рівні  з  більш  дрібним  розбиттям 

0

1

j

j

 

в  першу  сумі  містяться  два 

члени,  що  відповідають  за  середні  значення  s  в  напівінтервалів  з  центрами, 

розташованими  в  k

1

  і  k

2

.  Число  членів  у  другій  сумі  зменшується  на  одиницю  - 

зникає член, який раніше показував величину флуктуацій на половинному масштабі. 

Таким чином, число членів  у кожній сумі залежить від обраного рівня дозволу. На 

будь-якому  рівні  деталізації  загальне  число  членів  в  розкладанні  залишається 

незмінним  і  рівним 

J

2

,  де  J  -  стартове  значення  початку  ітераційного  процесу 

наближення,  що  задає  напрям  зростання  дозволу.  Якщо  J  задає  рівень  деталізації  з 

найменшими  інтервалами,  тоді  за  найвищий  рівень  точної  реконструкції  сигналу 

прийнятий  сам  сигнал.  Чим  більше  номера  коефіцієнтів,  тим  ближче 

реконструйований  сигнал  до  оригіналу.  Внизу  на  площині  масштаб  -  час 

розташовані коефіцієнти з малими номерами, що дають огрублену картину сигналу, 

а вгорі - з великими номерами, що дають детальну картину сигналу. На j -му рівні є 

(

j

J

2

)  коефіцієнтів  апроксимації  c  і  (

j

J

J

2

2

)  деталізують  коефіцієнтів  d. 

Наприклад,  якщо  s(t)=1,  то  всі  коефіцієнти 

k

j

d

,

  дорівнюють  нулю,  і  залишається 

тільки перша сума. Таким чином, форма функції задається її флуктуаціями навколо 

середнього на всіляких рівнях дозволу. 

Підставляючи вирази (2.18а, б) в (2.17а, б), одержимо такі вирази: 

d

t

s

t

s

j

j

)

(

)

(

)

(

0

0

 

 

 

 (2.19а)