小波变换
小波变换(wavelet transform)
其中，左上角的元素表示整个图像块的像素值的平均值，其余是该图像块的细节系数。 如果从矩阵中去掉表示图像的某些细节系数，事实证明重构的图像质量仍然可以接受。 具体做法是设置一个阈值，例如的细节系数δ≤5 就把它当作“0”看待，这样相比， Aδ 中“0”的数目增加了 18 个，也就是去掉了 18 个细节系数。这样做的好 处是可提高小波图像编码的效率。对矩阵进行逆变换，得到了重构的近似矩阵
7 50 42 31 39 18 10 63
57 16 24 33 25 48 56 1
使用灰度表示的图像如图 11.2 所示：
图 11.2 图像矩阵 A 的灰度图
一个图像块是一个二维的数据阵列， 可以先对阵列的每一行进行一维小波变换， 然后对 再行变换之后的阵列的每一列进行一维小波变换， 最后对经过变换之后的图像数据阵列进行 编码。 (1) 求均值与差值 利用一维的非规范化哈尔小波变换对图像矩阵的每一行进行变换， 即求均值与差值。 在 图像块矩阵 A 中，第一行的像素值为 R0: [64 2 3 61 60 6 7 57] 步骤 1：在 R0 行上取每一对像素的平均值，并将结果放到新一行 N0 的前 4 个位置， 其余的 4 个数是 R0 行每一对像素的差值的一半（细节系数） ： R0: [64 2 3 61 60 6 7 57] N0: [33 32 33 32 31 -29 27 -25] 步骤 2：对行 N0 的前 4 个数使用与第一步相同的方法，得到两个平均值和两个细节系 数，并放在新一行 N1 的前 4 个位置，其余的 4 个细节系数直接从行 N0 复制到 N1 的相应 位置上： N1: [32.5 32.5 0.5 0.5 31 -29 27 -25] 步骤 3：用与步骤 1 和 2 相同的方法，对剩余的一对平均值求平均值和差值， N2: [32.5 0 0.5 0.5 31 -29 27 -25] 3 0 0 1 V : V W W W2 其中，第一个元素是该行像素值的平均值，其余的是这行的细节系数。 (2) 计算图像矩阵 使用(1)中求均值和差值的方法，对矩阵的每一行进行计算，得到行变换后的矩阵：
小波变换课件第4章小波变换的实现技术
第4章 小波变换的实现技术4.1 Mallat 算法双正交小波变换的Mallat 算法：设{}n h h =、{}n g g =、{}n h h =、{}n g g =为实系数双正交小波滤波器。
h ，g 是小波分析滤波器，h ，g 是小波综合滤波器。
h 表示h 的逆序，即n n h h -=。
若输入信号为n a ，它的低频部分和高频部分以此为1n a -和1n d -，小波分解与重构的卷积算法：11()()n n n na D a h d D a g --⎧⎪=*⎨=*⎪⎩ n11()()n n a Uah Ud g --=*+*先进行输入信号和分析滤波器的巻积，再隔点采样，以形成低频和高频信号。
对于有限的数据量，经过多次小波变化后数据量大减，因此需对输入数据进行处理。
4.1.1 边界延拓方法下面给出几种经验方法。
1. 补零延拓是假定边界以外的信号全部为零，这种延拓方式的缺点是，如果输入信号在边界点的值与零相差很大，则零延拓意味着在边界处加入了高频成分，造成很大误差。
实际应用中很少采用。
0121,0,,,,...,,0,0,......n s s s s -2.简单周期延拓将信号看作一个周期信号,即k n k s s +=。
简单周期延拓后的信号变为这种延拓方式的不足之处在于，当信号两端边界值相差很大时，延拓后的信号将存在周期性的突变，也就是说简单周期延拓可在边界引入大量高频成分，从而产生较大误差。
3. 周期对称延拓这种方法是将原信号在边界上作对称折叠，一般分二1）当与之做卷积的滤波器为奇数时，周期延拓信号为2）当与之做卷积的滤波器为偶数时，周期延拓信号为4. 光滑常数延拓在原信号两端添加与端点数据相同的常数。
0121,,,...,,n s s s s -0121,,,...,,n s s s s -0121,,,...,,n s s s s -0,...s 1,...,n s -01221,,,...,,,n n s s s s s --0121,,,...,,n s s s s -21012,...,,,,,...n s s s s s -321212,,,...,,,,...n n n s s s s s s ---10012,,...,,,,...n n s s s s s --10112,,,...,,,n n n s s s s s ---5. 平滑延拓在原信号两端用线性外插法补充采样值，即沿着信号两端包络线的一阶导数方向增加采样值。
小波变换
小波变换(WT)一、小波变换的原理小波(Wavelet)这一术语，顾名思义，“小波”就是小的波形。
所谓“小”是指它具有衰减性；而称之为“波”则是指它的波动性，其振幅正负相间的震荡形式。
小波变换继承和发展了Garbor 变换的局部化思想它除了窗口大小随频率增高而缩小 以外还存在着离散的正交基等优良的性质小波的原始概念最早是法国的地质学家J.Mrolet 和AGrossman 在70年代分析处理地质数据时引进的（1）。
与Fourier 变换相比，小波变换是时间(空间)频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号(函数)逐步进行多尺度细化，最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，解决了Fourier 变换的困难问题，成为继Fourier 变换以来在科学方法上的重大突破。
有人把小波变换称为“数学显微镜”。
小波变换在时域和频域都具有很好的局部化性质，较好地解决了时域和频域分辨率的矛盾，对于信号的低频成分采用宽时窗，对高频成分采用窄时窗。
二、小波变换的定义及方法（2）(3)(1) 基本思想小波变换的基本思想是：非均匀地划分时间轴和频率轴，通常对高频成分分析时采用相对短的时间窗，对低频成分分析时采用相对长的时间窗。
这样就可以在服从式(1)的Heisenberg 不等式前提下，在不同的时频区都能获得比较实用的时间和频率分辨率。
…………….（1） △ t 时间分辨率△f 频率分辨(2)定义小波变换是对一个信号与某个核函数的修正形式乘积的一种积分运算，这个核函数称为小波(小波基)。
用作小波基的函数，它必须是可允许的，即满足 (2)其中()h ω∧是()h t 的傅里叶变换，则()h t 叫做允许小波(AdmissibleWavelet)，而式(2) 称为允许条件(AdmissibleCondition)。
信号x(t)的连续小波变换定义为 (3)这里的a 称为尺度因子，其定义如下 (4)其中，f是带通滤波器h(t)的中心频率，而f认为是信号x(t)中要分析的频率，与h(t)无关。
小波变换的滤波器实现
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，如语音、图 像、雷达、地震等信号的分析和处理。
通信领域
小波变换在通信领域主要用于信号调制、解调、 信道均衡等方面。
ABCD
图像处理
小波变换在图像处理中主要用于图像压缩、图像 去噪、图像增强等方面。
金融领域
小波变换在金融领域主要用于金融数据分析、股 票市场预测等方面。
02
滤波器的基本概念
滤波器的定义
滤波器
一个系统或电路，用于允许一部分频 率通过而阻止另一部分频率通过。
数字滤波器
在数字信号处理中，滤波器通常由一 组数字系数定义，用于修改输入信号 的频谱。
滤波器的分类
01
低通滤波器
允许低频信号通过，抑制高频信号。
带通滤波器
允许某一频段的信号通过，抑制该 频段以外的信号。
计算复杂度
小波变换的计算复杂度较高，对于大 规模数据实时处理存在挑战。
选择合适的小波基函数
选择合适的小波基函数是关键，需要 根据具体应用场景进行选择和调整。
信号重构精度
小波变换的信号重构精度受到小波基 函数和分解层数的影响，需要权衡精 度和计算复杂度。
边界效应
小波变换在处理信号边界时可能会出 现边界效应，需要进行特殊处理以减 小影响。
根据具体应用需求，选择合适的小波基函数和分解层数，以实现最佳的信号处理效 果。
设计滤波器时需要考虑信号的频谱特性、噪声水平、动态范围等因素，以确保滤波 器能够有效地提取或抑制特定频率范围的信号。
常用的滤波器设计方法包括基于规则的滤波器和自适应滤波器，其中自适应滤波器 可以根据输入信号自动调整参数，具有更好的适应性。
小波变换的特点
小波变换的多尺度分析方法及实现步骤
小波变换的多尺度分析方法及实现步骤引言：小波变换是一种信号处理技术，它能够将信号分解成不同尺度的频率成分，从而实现对信号的多尺度分析。
本文将介绍小波变换的基本原理、多尺度分析方法以及实现步骤。
一、小波变换的基本原理小波变换是一种时间和频率的联合变换方法，它将信号分解成一系列的小波函数。
与傅里叶变换相比，小波变换具有更好的时频局部性，能够更准确地描述信号的瞬时特征。
小波变换的基本原理是通过将信号与小波函数进行内积运算，得到信号在不同尺度和位置上的频率成分。
小波函数是一种具有局部化特征的函数，它在时域和频域上都有一定的局部性。
二、多尺度分析方法小波变换的多尺度分析方法主要包括连续小波变换和离散小波变换两种。
1. 连续小波变换（CWT）连续小波变换是将信号与连续小波函数进行内积运算，得到信号在不同尺度和位置上的频率成分。
连续小波变换具有较好的时频分辨率，但计算量较大。
2. 离散小波变换（DWT）离散小波变换是将信号进行离散化处理后，与离散小波函数进行内积运算，得到信号在不同尺度和位置上的频率成分。
离散小波变换具有较好的计算效率，适用于实际应用中的信号处理。
三、实现步骤小波变换的实现步骤主要包括信号预处理、小波函数选择、小波变换计算和结果分析等。
1. 信号预处理在进行小波变换之前，需要对信号进行预处理，包括去除噪声、归一化处理等。
预处理的目的是提高小波变换的精度和稳定性。
2. 小波函数选择选择合适的小波函数对信号进行分析是小波变换的关键。
常用的小波函数有高斯小波、Morlet小波、Daubechies小波等。
选择小波函数时需要考虑信号的特性和分析的目的。
3. 小波变换计算根据选择的小波函数，对信号进行小波变换计算。
连续小波变换可以通过积分运算实现，离散小波变换可以通过快速小波变换算法实现。
4. 结果分析对小波变换的结果进行分析和解释。
可以通过频谱图、小波系数图等方式对信号的频率成分和时域特征进行分析。
结论：小波变换是一种有效的多尺度分析方法，能够在时频域上对信号进行精确的分析。
离散小波变换
小波变换的应用领域
01
02
03
04
信号处理
小波变换在信号处理中广泛应 用于信号去噪、特征提取、信 号分类等。
图像处理
小波变换在图像处理中用于图 像压缩、图像增强、图像恢复 等。
语音识别
小波变换在语音识别中用于语 音信号的特征提取、语音分类 等。
FWT具有较高的计算效率和实 用性，广泛应用于信号处理、 图像处理等领域。
小波包算法
小波包算法是一种改进的小波变换算法，它不仅考虑了信号在不同尺度上的分解， 还考虑了不同频率分量的分组。
小波包算法通过将信号的频率分量进行分组，并选择合适的小波基函数对每组分量 进行变换，能够更精确地描述信号的时频特性。
应用
多维离散小波变换在图像处理、信号处理、数据压 缩等领域有广泛应用。
小波变换的性质
80%
冗余性
小波变换具有一定程度的冗余性 ，即在小波系数中存在一些重复 或近似值，可以通过阈值处理等 方法去除冗余。
100%
方向性
小波变换具有方向性，能够捕捉 信号在不同方向上的变化，从而 实现对信号的精细分析。
80%
离散小波变换
目
CONTENCT
录
• 引言 • 小波变换的基本原理 • 离散小波变换的算法实现 • 离散小波变换的应用实例 • 离散小波变换的优缺点 • 离散小波变换的未来发展与展望
01
引言
小波变换的定义
小波变换是一种信号处理方法，它通过将信号分解成不同频率和 时间尺度的分量，以便更好地分析信号的局部特征。
带，通过对不同频带的小波系数进行增 换被用于图像的增强和清晰化，以便更
小波变换
和傅立叶级数有一点不同的是，小波级数通常是orthonormalbasis，也就是说，它们不仅两两正交，还归一化了。
小波级数通常有很多种，但是都符合下面这些特性：1.小波变换对不管是一维还是高维的大部分信号都能cover很好。
这个和傅立叶级数有很大区别。
后者最擅长的是把一维的，类三角波连续变量函数信号映射到一维系数序列上，但对于突变信号或任何高维的非三角波信号则几乎无能为力。
2.围绕小波级数的展开能够在时域和频域上同时定位信号，也就是说，信号的大部分能量都能由非常少的展开系数，比如a_{j,k}，决定。
这个特性是得益于小波变换是二维变换。
我们从两者展开的表达式就可以看出来，傅立叶级数是，而小波级数是。
3.从信号算出展开系数a需要很方便。
普遍情况下，小波变换的复杂度是O(Nlog(N))，和FFT相当。
有不少很快的变换甚至可以达到O(N)，也就是说，计算复杂度和信号长度是线性的关系。
小波变换的等式定义，可以没有积分，没有微分，仅仅是乘法和加法即可以做到，和现代计算机的计算指令完全match。
每个小波变换都会有一个mother wavelet，我们称之为母小波，同时还有一个father wavelet，就是scaling function。
而该小波的basis函数其实就是对这个母小波和父小波缩放和平移形成的。
缩放倍数都是2的级数，平移的大小和当前其缩放的程度有关。
话说在数学定义中，有一种空间叫Lebesgue空间，对于信号处理非常重要，可以用L^p(R)表示，指的是由p次可积函数所组成的函数空间。
我们在小波变换中要研究的信号都是属于L^2(R)空间的，这个空间是R上的所有处处平方可积的可测函数的集合，这样就等于对信号提出了一个限制，就是信号能量必须是有限的，否则它就不可积了。
小波变换的定义都是基于但不限于L^2(R)中的信号的。
这玩意的特性要具体解释起来太数学了，牵涉到太多泛函知识，我就不在这里详述了。
数字信号处理中的小波变换
数字信号处理中的小波变换数字信号处理是一种数字化处理技术，主要用于对连续信号进行采样和转换，以便在数值计算设备上进行处理。
在数字信号处理中，小波变换是一种重要的技术，可以用来分析和处理信号。
一、小波变换的定义和基本原理小波变换（Wavelet Transform）是一种数学变换方法，它将原始信号分解为不同尺度和频率的小波成分。
与傅里叶变换相比，小波变换具有更好的时域和频域分辨率，并且能够捕捉信号的瞬态特性。
小波变换的数学定义如下：∫f(t)ψ*(t-k)dt其中，f(t)表示原始信号，ψ(t)是小波函数，*表示复共轭，k表示平移参数。
小波变换通过在时域内对小波函数进行平移和缩放来分析信号的不同频率成分。
二、小波变换的应用领域小波变换在数字信号处理中有广泛的应用，下面是一些常见领域：1. 信号处理：小波变换可以用于信号去噪、信号压缩和谱分析等方面。
通过对信号进行小波分解和重构，可以提取信号的主要特征信息，去除噪声干扰，实现信号的有效处理和分析。
2. 图像处理：小波变换可以应用于图像压缩、图像去噪和图像分析等方面。
通过对图像进行小波分解和重构，可以实现图像的压缩存储、去除图像中的噪声，并提取图像的局部特征。
3. 视频处理：小波变换可以用于视频压缩、视频去噪和视频分析等方面。
通过对视频信号进行小波分解和重构，可以实现视频的高效压缩和去除视频中的噪声，提取视频的运动特征。
4. 生物医学工程：小波变换可以应用于生物信号处理和医学图像分析等方面。
通过对生物信号和医学图像进行小波分解和重构，可以实现生物信号的识别和分类，以及医学图像的分割和特征提取。
三、小波变换与傅里叶变换的比较小波变换和傅里叶变换都是信号分析的重要工具，它们之间存在一些区别和联系。
1. 分辨率：小波变换具有局部分辨率，可以捕捉信号的瞬态特性，而傅里叶变换具有全局分辨率，适用于分析信号的频率成分。
2. 多尺度性：小波变换可以分解信号为不同尺度的小波成分，可以提取信号的多尺度信息，而傅里叶变换只能提取信号在不同频率上的分量。
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2
， (t ) 为母小波， a , b ( t ) 为分析小波，则f(t)与 a , b ( t )
的内积称为f(t)的小波变换，记为
Wf ( a , b )
f ( t ), a , b ( t )
1 a
R
f ( t ) * (
tb a
)dt
小波变换
2）卷积型定义 设 f (t ) L 为
2
(R)
， (t )为母小波，记 (t ) 以尺度s的扩张函数
1 s t
s (t )
( )
s
则f(t)与 s (t ) 的卷积也可以定义为f(t)的连续小波变换， 并记为
W s f ( x ) f (t ) * s (t ) 1
a ,b
w a ,b
a ,b
w0
上式也称为“恒Q特性”，即品质因数恒定。随着尺度 参数 a 的减小，频域中心向高频移动，频窗窗口变大， 在高频区有较高的时间 (t ) 而时窗窗口变小。也就说 分辨率，而只有较低的频域分辨率。——小波的变焦距 特性。
a ,b
小波变换
连续小波变换定义：1）内积型；2）卷积型 1）内积型定义 设
小波变换
定义：令
(t ) L ( R )
2
且 ( t ) 0 ，刚按如下方式生成的函数族
^
{ a ,b ( t )} 称之为连续时间小波，或称分析小波：
a ,b ( t )
式中，
1 a
(
t b a
)
(t )
称为母小波函数或基本小波。
小波变换
在上述定义中，a称为尺度参数或伸缩参数，b称为平移参数。而 连续时间小波 { a , b ( t )} 是 (t ) 经过不同尺度伸缩、平移变换的结 果 条件：
^
(0)
连续时间小波的频谱为：
( t ) dt 0
^
a ,b
(w)
ae
jbw
( aw )
^
小波变换
时频分辨率 1）时频域中心点
假设 (t ) 的时域中心点为 t 0 频域中心点为 w o ，则 a , b ( t ) 的时域中 w 心点为 at 0 b ，频域中心点为 a 。
s
R
f ( t ) (
xt s
)dt
小波变换
3）两定义的等价关系 若令a=s,b=x,内积型定义中的母小波为 ' ( t ) ，卷积型定义 中的母小波为 ' ' ( t ) ，并满足共轭镜像关系
' ' ( t ) '*( t )
则有
W s f ( x ) f (t ) * ' ' (t )
W f ( a , b ) k 1W
f1
( a , b ) k 2W
f 2
(a, b)
小波变换
2）时不变性 若 f (t )的连续小波变换为W f ( a , b ) ，则 波变换为
y (t ) f (t t 0 )
的连续小
W y (a, b) W f (a, b to )
( a , b ) a , b ( t ) db ]
da a
2
其中
C
R
ˆ (w) w
2
dw
小波变换
连续小波变换的性质： 1）线性 若
k1
f 1 (t )
和
f 2 ( t ) 的连续小波变换分别为 W
f1
(a, b)
和 W f 2 (a, b)
，k 2 为常数，则 k 1 f 1 ( t ) k 2 f 2 ( t ) 的连续小波变换为
0
2）时频窗半径
ˆ 假设 (t ) 时窗半径为 ，频窗半径为 ，则 a , b ( t ) 的时窗半径为
a ,b a ，频窗半径为 ˆ a , b
1 a ˆ
。
小波变换
3）时频窗口面积
由上式可知道小波 ( t ) 时频窗口面积不随a,b的变化而变 化并且频域中心与频窗半径的比值也恒定不变。即
1
s
1
f ( t ) ' ' (
xt
) dt
R
a
f ( t ) '*(
1 2
s tb
) dt
R
a
sgn( a )Wf ( a , b )
a
小波变换
由上式可以看出两种定义只相差一比例因子，其实质是完 全等价的。 重构公式：
f (t ) 2(t ) 的连续小波变换为 W f ( a , b ) ，则 连续小波变换为
W y (a, b) mW f ( a , b
y (t ) f (t / m )
的
); m 0
m m