一看就懂的小波变换ppt

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1、2021/3/111小波变换小波变换 小波变换既有频率分析的性质，又能表示发生小波变换既有频率分析的性质，又能表示发生的时间，有利于分析确定时间发生的现象，傅立的时间，有利于分析确定时间发生的现象，傅立叶变换只具有频率分析的性质。叶变换只具有频率分析的性质。小波变换的多分辨率的变换，有利于各分辨度小波变换的多分辨率的变换，有利于各分辨度不同特征的提取（图像压缩、边缘抽取、噪声过不同特征的提取（图像压缩、边缘抽取、噪声过滤）。滤）。小波变换一个信号为一个小波级数，这样一个小波变换一个信号为一个小波级数，这样一个信号可由小波系数来刻画。信号可由小波系数来刻画。小波变换速度比傅立叶快一个数量级，长度

2、为小波变换速度比傅立叶快一个数量级，长度为M的信号，计算复杂度：的信号，计算复杂度：MMOf2logMOw傅立叶变换：小波变换：2021/3/112设有信号f(t):其傅里叶变换为F(j):1()()2j tf tF jed即：2021/3/113=+024681012141618-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81024681012141618-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81024681012141618-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81（t）1/2（2t-t0）2/3（4t-t1）2021/3/114

3、像(t)这样，有限长且均值为0的函数称为小波函数。常用的小波函数如下图：2021/3/115小波函数必须满足以下两个条件的函数：小波必须是振荡的；(1)小波的振幅只能在一个很短的一段区间上非零，即是局部化的。如：图1 小波例1图2 小波例22021/3/116不是小波的例子图4图32021/3/117平均与细节n设一维信号x1，x2 平均 细节 n则一维信号可以表示成a，d,且原信号可以恢复如下：n当x1与x2非常接近时，一维信号x1，x2可近似的用a表示，可实现信号压缩。a可以看成信号的整体信息 d可看成原信号用a表示时丢失的细节信息 )/2x(x a2 1)/2x-(x d21dax1d-

4、ax22021/3/118平均与细节n对多元素信号x1，x2，x3，x4 2/)(210,1xxa2/)(431,1xxa2/)(210,1xxd2/)(431,1xxd信号可以表示为：a1,0,a1,1,d1,0,d1,1 丢失细节信号压缩为：a1,0,a1,12/)(1,10,10,0aaa2/)(1,10,10,0aad信号可进一步表示为：a0,0,d0,0丢失细节信号压缩为：a0,04/)(43210,0 xxxxa2021/3/119平均与细节nx1，x2，x3，x4最高分辨率信息na1,0,a1,1次高分辨率低频信息nd1,0,d1,1次高分辨率细节信息na0,0最低分辨率低频信息

5、nd0,0最低分辨率细节信息x1，x2，x3，x4的小波变换a0,0,d0,0,d1,0,d1,1由整体平均和两个不同分辨率的细节信息构成2021/3/1110金字塔算法一维信号3,1,-2,4的小波变换为1.5,0.5,1,-31.5：最低分辨率低频信息0.5：最低分辨率细节信息2,1：次高分辨率低频信息1,-3：次高分辨率细节信息3,1,-2,4：最高分辨率信息2021/3/1111尺度函数与小波函数信号序列x1，x2，x3，x4看成单位区间上的一个函数)()()()()()1,4/34)4/3,2/13)2/1,4/12)4/1,01tXxtXxtXxtXxtf)4/1()()4/1,0

6、)2/1,4/1tXtX)2/1()()4/1,0)4/3,2/1tXtX)4/3()()4/1,0)1,4/3tXtX)2()(2)1,0)4/1,0tXtX平移伸缩2021/3/1112引入记号：)()()1,0tXt 定义：)2()(,kttjkj12,1,0jk可得：)(0,0t2021/3/111301)2(0,1t2/10t其它01)12(1,1t其它12/1t)()()()()(3,242,231,220,21txtxtxtxtf函数可以由一个尺度函数的伸缩与平移的线性组合表示2021/3/11142/10 t同理，对小波变换011)()()()1,2/1)2/1,0tXtXt其

7、它12/1 t伸缩和平移2021/3/1115序列的多分辨率表示：)()()()()(1,11,10,10,10,00,00,00,0tdtdtdtatf2021/3/1116n44图像的二维Harr小波变换3695217683544321行小波变换5.125.475.05.05.15.65.05.05.55.45.05.05.35.1115.05.15.1025.15.05.1135.425.05.175.63列小波变换左上角二维小波变换115.05.15.1025.15.05.1175.075.325.05.185.185.42021/3/11171.1 一维小波变换（一维多尺度分析）一维

8、小波变换（一维多尺度分析）设有L2(R)空间的子空间序列：210VVVVj 的正交基函数是由一个称为尺度函数的函数(x)经伸缩平移得到的 kxxjjk2设Wj 是Vj 相对于Vj+1的正交补空间，Wj 的正交基函数是由一个称为小波函数的函数(x)经伸缩平移得到的 kxxjjk2)12()2()(ttt2021/3/1118 xxjkjk,构成Vj+1的正交基。xx和满足下列关系式(二尺度方程)：nlnhnhnlnxnhxnxnlxnZnZn112222且称为高通滤波器。称为低通滤波器，其中2021/3/1119信号的多尺度分解：算法一维计算：称为小波系数，它们的称为尺度系数，MALLATknh

9、ddknlccdcxdxcnxcxfZnjkjkZnjkjkjkjkJjkJkjkkJkJkZnn2211102021/3/11202021/3/1121 求得小波系数的算式就是小波正变换。,(,)()()fa bWa bf xx dx 该式也可以理解为f(x)和a,b(x)内积，小波系数表示二者的相似程度，或f(x)中含有a,b(x)成分的多少。2021/3/1122 小波系数有a和b两个自变量，分别代表不同的尺度（时间）和频率，所以小波分析属于时频分析。2021/3/1123Haar小波（1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8）（1/8,1/8,1/8,1/8,-1

10、/8,-1/8,-1/8,-1/8）（1/4,1/4,-1/4,-1/4,0,0,0,0）（0,0,0,0,1/4,1/4,-1/4,-1/4）（1/2,-1/2,0,0,0,0,0,0）（0,0,1/2,-1/2,0,0,0,0）（0,0,0,0,1/2,-1/2,0,0）（0,0,0,0,0,0,1/2,-1/2）连续Haar小波对应的离散Haar小波2021/3/1124离散小波变换离散小波变换就是做向量的内积。例：对（64，2，3，61，60，6，7，57）做Haar小波变换1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/8,1/81/8,1/8,1/8,1/8,-1/8,-1/8

11、,-1/8,-1/81/4,1/4,-1/4,-1/4,0,0,0,00,0,0,0,1/4,1/4,-1/4,-1/41/2,-1/2,0,0,0,0,0,00,0,1/2,-1/2,0,0,0,00,0,0,0,1/2,-1/2,0,00,0,0,0,0,0,1/2,-1/2 6432.52030.5610.5603162972757252021/3/1125Haar小波变换第二种做法：64,2,3,61,60,6,7,5764+23+6160+67+5764-23-6160-67-5733(),32(),33(),32(),31(),-29(),27(),-25()2222222264+

12、2+3+6160+6+7+5764+2-3-6160+6-7-5732.5(),32.5(),0.5(),0.5(),31,-29,27,-25444464+2+3+61+60+6+7+5764+2+3+61-60-6-7-5732.5(),0(),0.5,0.5,31,-29,27,-258832.5,0,0.5,0.5,31,-29,27,-252021/3/11261 1 1 0 1 0 0 01 1 1 0 -1 0 0 01 1 -1 0 0 1 0 01 1 -1 0 0 -1 0 01 -1 0 1 0 32.500.50.5 0 1 0311 -1 0 1 0 0 -1 029

13、1 -1 0 -1 0 0 0 1271 -1 0 -1 0 0 0 -1 25642361606757Haar小波反变换：2021/3/112732.5,0,0.5,0.5,31,-29,27,-2532.5(32.5+0),32.5(32.5-0),0.5,0.5,31,-29,27,-2533(35.2+0.5),32(32.5-0.5),33(32.5+0.5),32(32.5-0.5),31,-29,27,-2564(33+31),2(33-31),3(32-29),61(32+29),60(33+27),6(33-27),7(32-25),57(32+25)Haar小波反变换第二种

14、做法：2021/3/11281.2 二维小波变换（二维多尺度分析）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的，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：yxyxyxyxyxyxyxyxHHHLLHLL,;,;,;,图像的二维小波变换包括沿行向(水平方向)和列向(垂直方向)滤波和2-下采样，如图所示：2021/3/1129图5 图像滤波采样2021/3/1130说明：如图所示，首先对原图像说明：如图所示，首先对原图像I(x,y)沿行向沿行向(水平水平方向方向)进行滤波和进行滤波和2-1下采样，得到系数矩阵下采样，得到系数矩阵IL(x,y)和和I

15、H(x,y)，然后再对，然后再对IL(x,y)和和IH(x,y)分别沿列向分别沿列向(垂垂直方向直方向)滤波和滤波和2-1下采样，最后得到一层小波分下采样，最后得到一层小波分解的解的4个子图个子图：q ILL(x,y)I(x,y)的（粗）逼近子图的（粗）逼近子图q IHL(x,y)I(x,y)的水平方向细节子图的水平方向细节子图q ILH(x,y)I(x,y)的垂直方向细节子图的垂直方向细节子图q IHH(x,y)I(x,y)的对角线方向细节子图的对角线方向细节子图2021/3/1131二维金字塔分解算法二维金字塔分解算法令I(x,y)表示大小为MN的原始图像，l(i)表示相对于分析小波的低通

16、滤波器系数，i=0,1,2,Nl-1，Nl表示滤波器L的支撑长度；h(i)表示相对于分析小波的高通滤波器系数，i=0,1,2,Nh-1，Nh表示滤波器H的支撑长度，则 1,1,0;12,1,0,mod21,mod21,1010NyMxyMjxIjhNyxIyMixIilNyxIhlNjhHNilL2021/3/1132 12,1,0;12,1,0mod2,1,mod2,1,mod2,1,mod2,1,10101010NyMxNjxxIjhNyxINixxIilNyxINjxxIjhNyxINixxIilNyxIhlhlNjHhHHNiHlHLNjLhLHNiLlLL2021/3/1133对逼近

17、子图重复此过程，直到确定的分解水平，下图是二层小波分解的示意图。图6 图像多尺度分解，(a)一层分解，(b)二层分解2021/3/1134q 图像的小波特征提取首先对输入图像做J层二维小波分解；q 因为小波变换具有很好的时频局部化特性，所以可以将图像的不同底层特征变换为不同的小波系数；q 输入图像经过经一层小波分解后，被分成4个子图：LL1逼近子图，它代表输入图像水平和垂直两个方向的低频成分；HL1细节子图，它代表输入图像水平方向的高频成分和垂直方向的低频成分；2021/3/1135 LH1细节子图，它代表输入图像水平方向的低频成分和垂直方向的高频成分；HH1细节子图，它代表输入图像水平和垂直

18、方向高频成分。q 在逼近子图LL1上重复二维小波分解过程，进行二层小波分解，如此继续分解，得到子图序列LLJ，HLk，LHk，HHk(k=1,2,J)。q 小波基与分解层次的选取是非常重要的，目前还没有一个统一的标准。2021/3/1136I(x,y)128128I1(x,y)6464I1H(x,y)6464I1V(x,y)6464I1D(x,y)6464I2(x,y)3232I2H(x,y)3232I2V(x,y)3232I2D(x,y)3232I3(x,y)1616I3H(x,y)1616I3V(x,y)1616I3D(x,y)1616I4(x,y)88I4H(x,y)88I4V(x,y)88I4D(x,y)88图7 图像I(x,y)的多尺度分解2021/3/1137小波基的选取小波基的选取一般考虑下列因素：一般考虑下列因素：q 线性相位：如果小波具有线性相位或至少具有广义线性相位，则可以避免小波分解和重构时的图像失真，尤其是图像在边缘处的失真；q 紧支性和衰减性：紧支性和衰减性是小波的重要性质，紧支宽度越窄或衰减越快，小波的局部化特性越好。计算复杂度越低，便于快速实现；q 正交性：用正交小波基对图像做多尺度分解，可得一正交的镜像滤波器。低通子带数据和高通子带数据分别落在相互正交的L2(R2)的子空间中，使个子带数据相关性减少；q 其他 2021/3/1138