小波变换
一看就懂的小波变换ppt
8
8
[32.5,0, 0.5,0.5,31,-29,27,-25]
Haar小波反变换：
1 1 1 0 1 0 0 0 32.5 64
1
1
1
0 -1
0
0
0
0
2
1 1 -1 0 0 1 0 0 0.5 3
1 1 -1 1 -1 0
0 1
0 -1 00
0 1
0 0
0.5
31
61 60
傅立叶变换： Of M log2 M
小波变换：
Ow M
设有信号f(t):
其傅里叶变
换为F(jΩ):
即：
f (t) 1 F ( j)e jtd
2
பைடு நூலகம் =
1
0. 8
0. 6
0. 4
0. 2
0 -0. 2 -0. 4 -0. 6
Ψ（t）
-0. 8
-1 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
+
1
0. 8
0. 6
二维金字塔分解算法
令I(x,y)表达大小为M N旳原始图像，l(i)表达相对于分析
小波旳低通滤波器系数，i=0,1,2,…,Nl-1， Nl表达滤波器L旳 支撑长度； h(i)表达相对于分析小波旳高通滤波器系数，
i=0,1,2,…,Nh-1， Nh表达滤波器H旳支撑长度，则
IL x,
y
1 Nl
1.2 二维小波变换（二维多尺度分析）
二维小波变换是由一维小波变换扩展而来旳，二维尺度 函数和二维小波函数可由一维尺度函数和小波函数张量 积得到，即：
小波变换课件
消失矩性质
消失矩定义：小波变换在高频部分具有快速衰减的特性
消失矩性质与信号处理：在信号处理中，消失矩性质使得小波变换能够有效地提取信号的 高频成分
消失矩与多分辨率分析：消失矩性质是实现多分辨率分析的关键，能够同时获得信号在不 同尺度上的信息
消失矩的应用：在图像处理、语音识别、信号去噪等领域，消失矩性质都有着广泛的应用
图像去噪：小波变换能够将噪声与 图像信号进行分离，从而去除噪声
语音处理
小波变换在语音 信号处理中的应 用
小波变换在语音 识别和合成中的 应用
小波变换在语音 增强和去噪中的 应用
小波变换在语音 编码和压缩中的 应用
其他应用领域
信号处理 图像处理 语音处理 模式识别
小波变换的优缺点分析
小波变换的优点
用的特征信息
图像处理：小波变换在图像 处理中也有广泛的应用，如
图像压缩、去噪、增强等
图像处理
图像压缩：小波变换能够去除图像 中的冗余信息，实现高效的图像压 缩
图像融合：将多个图像的小波系数 进行融合，可以得到一个新的、包 含多个图像信息的图像
添加标题
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图像增强：通过调整小波系数，可 以突出图像的某些特征，提高图像 的视觉效果
多维小波变换算法：介绍多维小波变换的基本原理和算法实现，包括多维小波变换 的定义、性质、算法流程等。
多维小波变换在图像处理中的应用：介绍多维小波变换在图像处理中的应用，包括 图像压缩、图像去噪、图像增强等。
多维小波变换的优缺点：介绍多维小波变换的优缺点，包括优点如多尺度分析、方 向性、时频局部化等，以及缺点如计算量大、需要选择合适的小波基等。
数学表达式：对于任意实数a，如果f(t)的小波变换为Wf(s,a)，则f(t-a)的小波变换仍为 Wf(s,a)
小波变换及其应用
小波变换及其应用小波变换是一种数学工具，可以将时间或空间上的信号分解成不同频率的成分。
它广泛应用于信号处理、图像压缩、模式识别、金融分析等领域。
本文将介绍小波变换的基本原理、算法和应用。
一、基本原理小波变换采用一组基函数，称为小波基。
小波基是一组具有局部化和可逆性质的基函数。
它们具有一个中心频率和一定的时间或空间长度，可以表示不同频率范围内的信号。
小波基函数可以表示为：y(t) = A * ψ(t - τ)/s其中，y(t)是信号的值，A是尺度系数，ψ是小波基函数，τ是位移参数，s是伸缩系数。
通过改变A、τ、s的值，可以得到不同频率、不同尺度的小波基。
小波变换的基本思想是将信号分解成不同频率的小波基函数，在不同尺度上进行分解，得到信号的多尺度表示。
具体来说，小波变换包括两个步骤：分解和重构。
分解：将信号按照不同频率和尺度进行分解，得到信号的局部频谱信息。
分解通常采用多层小波分解，每一层分解都包括高频和低频分量的计算。
重构：将小波分解得到的频域信息反变换回时域信号，得到信号的多尺度表示。
重构也采用多层逆小波变换，从小尺度到大尺度逐层反变换。
二、算法小波变换的算法有多种，包括离散小波变换（DWT）、连续小波变换（CWT）和快速小波变换（FWT）等。
其中离散小波变换最常用，具有计算速度快、计算量小、精度高等优点。
下面简要介绍DWT算法。
离散小波变换是通过滤镜组将信号进行分解和重构的过程。
分解使用高通和低通滤波器，分别提取信号的高频和低频成分。
重构使用逆滤波器，恢复信号的多尺度表示。
DWT的算法流程如下：1. 对信号进行滤波和下采样，得到低频和高频分量；2. 将低频分量进一步分解，得到更低频和高频分量；3. 重复步骤1和2，直到达到最大分解层数；4. 逆小波变换，将多尺度分解得到的信号重构回原始信号。
三、应用小波变换在信号和图像处理中有广泛应用。
其中最常见的应用是压缩算法，如JPEG2000和MPEG-4等。
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。
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
正交小波的自对偶性：
当是正交小波时，我们有： ~ （自对偶性）
j ,k j ,k
证明：设是正交小波时， ~ 由f f , j ,k j ,k
j ,k
取f j0 , k 0 ~ j ,k , j ,k j ,k j ,k
0 0
b2 a2t *
t
小波变换的重构定理：
令是一个基小波，它定义了一个连续小波变换W ( f )(b, a ), 则：
－
da [W ( f )(b, a ) ( g )(b, a ) 2 db c f , g a －
__________ ______
对所有的f , g L2成立，并且对于f L2和f的连续点x R，有 1 f ( x) c
（振荡性）
对“容许性”条件的分析：
2.
为了“基小波” 能提供一个局部的时频窗口， 我们还得要求满足： ˆ ( ) L2 t (t ) L2 ,
连续小波变换的内积表示：
t b 用 b ,a (t ) a ( ), 则 a W ( f )(b, a ) f , b ,a
j 2
二进小波稳定性条件的另一种表述：
A f
2
Wj f
2
B f
2
f L2
定理：
令满足二进小波的稳定性条件，则满足： A ln 2
0
ˆ（）
2
2
d ,
ˆ（ ） d B ln 2 0
即：是一个基小波。
当A B时，有： ˆ（） C＝ d＝2A ln 2 －
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。
小波变换课件
小波变换的基本思想是将信号分 解成一系列的小波函数，每个小 波函数都有自己的频率和时间尺
度。
小波变换通过平移和缩放小波函 数，能够适应不同的频率和时间 尺度，从而实现对信号的精细分
析。
小波变换的特点
01
02
03
多尺度分析
小波变换能够同时分析信 号在不同频率和时间尺度 上的特性，提供更全面的 信号信息。
图像去噪
利用小波变换去除图像中的噪声，提高图像的清晰度和质 量。
在小波变换中，噪声通常表现为高频系数较大的值，通过 设置阈值去除这些高频系数，可以达到去噪的效果。去噪 后的图像能够更好地反映原始图像的特征和细节。
图像增强
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
利用小波变换增强图像的某些特征，突出显示或改善图像的某些部分。
通过调整小波变换后的系数，可以增强图像的边缘、纹理等特定特征。这种增强 方式能够突出显示图像中的重要信息，提高图像的可读性和识别效果。
在信号处理、图像处理、语音识别等 领域有广泛应用。
特点
能够同时分析信号的时域和频域特性 ，具有灵活的时频窗口和多分辨率分 析能力。
离散小波变换
定义
离散小波变换是对连续小波变换 的离散化，通过对小波函数的离 散化处理，实现对信号的近似和
细节分析。
特点
计算效率高，适合于数字信号处理 和计算机实现。
应用
在信号处理、图像处理、数据压缩等领域有广泛应用，如语音压缩、图像压缩 、数据挖掘等。
CHAPTER 04
小波变换在图像处理中的应用
图像压缩
利用小波变换对图像进行压缩，减少存储空间和传输带宽的 需求。
通过小波变换将图像分解为不同频率的子带，去除高频细节 ，保留低频信息，从而实现图像压缩。压缩后的图像可以通 过逆小波变换重新构造，保持图像质量的同时减小数据量。
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1.2 背景知识及研究现状
1.2.1 小波变换
数学界和工业界在共同研究数据表示技术的过程中所发展起来的小波分析技术[1],摈弃了传统Fourier 分析所必须的前提假设——平稳性，成为分析非平稳信号的有力工具。
它的出现导致了我们从新的视角去研究信号压缩、噪声滤波等信号处理问题：一方面，由于小波基的紧支性和小波分解的多尺度结构，非线性小波逼近实质上等价于一个自适应的网格逼近，网格的分辨率在信号奇异点的邻域内被适当加细了；另一方面，由于小波基的无条件基特性，使它成为一大类信号的非线性逼近的最优基，许多信号在小波基的表示下，都可以获得稀疏的表示式。
小波分析是传统傅里叶分析发展史上的里程碑，在许多使用传统傅里叶分析的地方，均可用小波分析所取代。
小波分析在时域和频域同时具有良好的局部化性质，已经成为图像处理应用中的一个新的研究热点[2]。
小波分析方法的出现可以追溯到1910年Haar 提出Haar 规范正交基，以及1938年Littlewood-Paley 对傅里叶级数建立的L-P 理论。
1984年法国地球物理学家Morlet 引入小波的概念对石油勘探中的地震信号进行存贮和表示。
L. Carleron 使用了非常象“小波”的函数构造了Stein 和Weiss 的空间1H 的无条件基。
直到1986年，法国数学家Meyer 成功地构造出了具有一定衰减性的光滑函数ψ，它的二进伸缩与平移()(){}
Z k j k t t j j k j ∈-=--,:222/,ψψ构成()R L 2的规范正交基。
Lemarie 和Battle 继Meyer 之后也分别独立地给出了具有指数衰减的小波函数。
1988年Daubechies 构造了具有紧支集的正交小波基。
Coifman, Meyer 等人在1989年引入了小波包的概念。
基于样条函数的单正交小波基由崔锦泰和王建忠在1990年构造出来。
1992年A Cohen, I Daubechhies 等人构造出了紧支撑双正交小波基。
同一时期，有关小波变换与滤波器组之间的关系也得到了深入研究。
小波分析的理论基础基本建立起来。
1987年，Mallat 将计算机视觉领域内多尺度分析的思想引入信号处理领域，并利用多分辨分析的概念，统一了这之前的各种具体小波的构造，并提出了现今广泛应用的Mallat 快速小波分解和重构算法，并将它用于图像分解和压缩重构。
所谓Mallat 塔式快速小波变换算法，就是将一幅图像经过二维小波变换分解为一系列不同尺度(频率)、方向、空间局部变化的子带图像。
一幅图像经过一次小波变换后产生4个子带图像：LL 表示原图像的最佳逼近，反映了原图的基本特性；HL 、LH 和HH 分别表示水平高频分量、垂直高频分量和对角线高频分量，反映图像信号水平方向、垂直方向与对角线方向边缘、轮廓和纹理。
其中，LL 子带集中了图像的大部分能量，以后的小波变换都是针对上一级变换产生的低频子带(LL)再进行小波变换, 下标表示不同分辨率。
图1-1是三级小波变换示意图,图1-2是分别对二幅图像进行两级和三级小波变换后的图像。
由图1-2可以看出每一级的LL 部分集中了大部分能量，能粗略显示出原图像的概貌。
图1-1 三级小波变换示意图
Fig 1-1 The three scale wavelet transform diagram
b) 三级小波变换
图1-2 进行小波变换后的图像
Fig 1-2 The images with wavelet transform
图像经小波分解后，可以得到不同分辩率的子图像，不同分辨率的子图像对应的频率是不相同的，高频子图像上大部分点的数值都接近于零，越是高频这种对应现象越明显。
Lena图像4级分解后的小波系数的统计见表1-1所示，图1-3 是第1级小波分解后的小波系数分布图。
表1-1 Lena小波系数统计分析
从表1-1可以看出，小波系数能量的97%以上集中在最高分解级的最低频带，而且小波系数的范围比其它子图像小波系数更宽，均值和方差比其它子图像更大，这说明最高分解最低频子带的小波系数具有更重要的要位。
图1-3是Lena 图像经过小波一次分解后各个子带系数的灰度直方图，从图可以看出，各个高频子带的数据统计分布非常相似，基本符合拉普拉斯分步。
图像经过小波变换后能获得很好的空间—频率多分辨率表示,有以下一些主要特性：1)不仅保持了原图像空间特性，而且能很好地提取出图像的高频信息，在低频处有很好的频率特性，在高频处有很好的空间选择性；2)小波分量具有方向选择性，分为水平、垂直和斜方向，这些特性都和人的视觉特性相吻合；3)能量主要集中在低频子图像，各层的低通直流分量相等，各带通分量均为零；4)低频子图像具有很强的相关性,水平子图像在水平方向相关系数大,而垂直方向小;垂直子图像在水平方向相关系数小,而垂直方向大;斜方向子图像在水平和垂直方向相关系数都小。
图1-3 LL1,LH1,HL1,HH1的小波系数分布图
Fig 1-3 Distributive diagram of wavelet coefficients in LL1,LH1,HL1,HH1
subbands
正是由于小波分析具有以上这些优点，基于小波变换的图像应用研究取得许多成果，在图像压缩方面，小波编码取得了很大的成功，这些算法都是使用了不同的小波系数组织方法与利用了小波系数所具有的统计特性。
各种类型的小波图像编码器相继提出，下面是6种性能卓著的小波图像编码器[4-8]:EZW编码器，SPIHT编码器, 集合分裂嵌入块编码（SPECK）, 可逆嵌入小波压缩算法（CREW）,
小波数据形态表示图像编码(MRWD)和EBCOT编码器。
这些成果正逐步标准化，汇集成拟订中的工业标准——JPEG2000。
在活动图像MPEG4标准制定中，基于小波变换的压缩编码也是一个优选方案。
此外，在边缘检测，图像分割，图像恢复，图像去噪，图像分类与识别，图像检索方面，图像增强，图像融合等数字图像处理中[9-18]，小波技术也同样受到广泛关注，并取得相当的成果。
它是以局部化函数所形成的小波基作为基底而展开的，具有许多特殊的性能和优点。
总之，正是由于它在图像处理领域中所获得的大量成功的应用表明小波技术图像处理是非常有前途的研究领域。
基于这个原因，我们用它作为一种强有力的数学工具来解决本课题中研究的实际问题。