Вейвлет-анализ сигналов и его применение

Идея и возможности вейвлет-преобразования. Свойства вейвлетов: непрерывное прямое и обратное образование. Понятие и оценка преимуществ, сферы применения дискретного вейвлет-преобразования. Поиск изображений по образцу. Многомасштабное редактирование.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Курсовая работа

на тему:

«Вейвлет-анализ сигналов и его применение»

1. Идея и возможности вейвлет-преобразования

вейвлет преобразование редактирование дискретный

Вейвлет-технологии начали серьёзно развиваться в 80-90 годы прошлого века, хотя первый тип вейвлета был описан ещё в 1909 году учёным Хааром. Многие типы и семейства вейвлетов были названы именами учёных, которые внесли большой вклад в разработку теоретических основ вейвлетов: Мейер, Добеши, Маллат.

Вейвлет анализ предлагает следующий логический шаг: метод выбора окна переменного размера. Вейвлет анализ позволяет использовать большие временные интервалы, где нам нужна более точная информация о низкой частоте, и более короткие области, когда нам нужна информация о высокой частоте.

Ряд Фурье использует в качестве базиса синусоиды, которые предельно локализованы в частотной области (вырождаются на спектрограмме в вертикальную линию), и вообще не локализованы во временной области.

Противоположный пример - импульсная базисная дельта-функция (t).Она чётко локализована во временной области и потому идеально подходит для представления разрывов сигнала. Но она не несёт информации о частоте сигнала и потому плохо приспособлена для представления сигналов на заданном отрезке времени.

Вейвлеты занимают промежуточное положение между синусоидой и дельта-функцией и образуют набор функций, удовлетворяющих определённым условиям (рассмотрим дальше).

Вейвлеты характеризуются своим временным и частотным образом.

Совокупность вейвлетов, напоминающих модулированную синусоиду, способна отражать локальные изменения сигналов.

Сравнение представления сигналов в различных областях

Одним главным преимуществом, которое предоставляет вейвлет, является возможность представлять локальный анализ, т.е. анализировать локализованную область в большом сигнале.

График коэффициентов Фурье (например, полученный с помощью команды fft) этого сигнала не показывает ничего особенно интересного: плоский спектр с двумя пиками, представляющими одну частоту. Однако график вейвлет коэффициентов ясно показывает точное расположение во времени рассмотренного выше разрыва.



Вейвлет анализ способен выявить следующие особенности данных, которые упускают другие методы анализа сигналов: точки разрыва, резкие нелинейности в высших гармониках и самоподобие.

2. Свойства вейвлетов

Вейвлет («короткая волна», «всплеск») - это волновая форма сигнала эффективно ограниченной длительности, которая имеет среднее значение ноль.

Сравним вейвлет с синусоидальной волной, которая является основой анализа Фурье. Синусоиды не имеют ограниченной длительности - они продолжаются от минус до плюс бесконечности. И где синусоиды гладкие и предсказуемые, вейвлеты стремятся быть неровными и асимметричными.



Анализ Фурье состоит из разложения сигнала на синусоидальные волны различных частот. Аналогично, вейвлет анализ это разложение сигнала на сдвинутые и масштабируемые версии первоначального (или материнского) вейвлета.

Можно интуитивно увидеть, что сигналы с резкими изменениями должны анализироваться лучше с помощью неравномерного вейвлета, чем с помощью гладкой синусоиды, а также отдельные черты сигналов могут быть описаны лучше с помощью вейвлетов, которые имеют локальную протяженность.

Математически процесс анализа Фурье представлен преобразованием Фурье:

,

которое является суммой по всему времени сигнала f(t) умноженного на комплексную экспоненту.

Результатами этого преобразования являются коэффициенты Фурье F(), умножение которых на синусоиду соответствующей частоты даст синусную компоненту исходного сигнала. Графически этот процесс выглядит так:



(Сигнал) (Преобразование Фурье) (Синусные компоненты исходного сигнала)

Аналогично, непрерывное прямое Wavelet-преобразование определяется как сумма по всему времени сигнала, умноженного на масштабируемые, сдвинутые версии вейвлет функции:

,

где (t) - Wavelet-функция, f(t) - сигнал.

Результатом НВП будет вейвлет коэффициенты С(, a), которые являются функцией позиции и масштаба a.

Умножением каждого коэффициента С на соответственно масштабируемый и сдвинутый вейвлет получают непосредственные вейвлеты исходного сигнала:

Сигнал Вейвлет Вейвлеты

преобразование исходного сигнала

Амплитудно-временное представление нестаціонарного сигнала и его результат непрерывного вейвлет преобразования

Масштабирование вейвлета просто означает его растяжение (или сжатие).

Вводится понятие - масштабный коэффициент, который обозначают буквой а. Если речь идет, например, о синусоидах, то эффект от масштабного коэффициента очень легко увидеть:



Чем больше частота, тем более сжатая синусоида.

Масштабный коэффициент действует и на вейвлеты. Чем меньше масштаб, тем более «сжатым» будет вейвлет.

Из диаграмм видно, что для синусоиды sin(t) масштаб а обратно пропорционален частоте . Аналогично, с вейвлет-анализом, масштаб обратно пропорционален частоте сигнала.

Сдвиг вейвлета просто означает задержку или ускорение его фронта. Математически задержка функции на k представляется в виде:



Вейвлет функция Сдвинутая вейвлет функция

2. Семейства вейвлет-функций

Можно привести несколько ярких представителей семейств вейвлет-функций

Haar

Daubechies



Morlet-преобразование

Mexican Hat-преобразование

Непрерывное прямое вейвлет-преобразование

Для создания НВП необходимо выполнить следующих пять шагов:

Взять вейвлет и установить его на начальный интервал исходного сигнала.

Вычислить коэффициент С, который показывает как тесно коррелированны вейвлет и сигнал на этом интервале. Высокое значение С означает большую схожесть. Заметьте, что результаты будут зависеть от формы вейвлета, выбранного Вами.

Сдвинуть вейвлет вправо и повторять шаг 1 и 2 до тех пор, пока Вы не исследуете весь сигнал.

Масштабировать (растянуть) вейвлет и повторить шаги 1 - 3.

Повторить шаги 1 - 4 для всех масштабов.

После выполнения данной последовательности, будут рассчитаны коэффициенты С, полученные для разных масштабов и разных интервалов сигнала.

Можно построить график, на котором ось абсцисс представляет позицию вдоль сигнала (время), ось ординат представляет масштаб, а цвет точек графика представляет значение вейвлет - коэффициентов С. Ниже представлены графики коэффициентов, выполненные с помощью графического инструментария.

Трёхмерное представление результатов расчёта - графики коэффициентов напоминают вид сверху на неровную (ухабистую) поверхность.

Это график коэффициентов непрерывного вейвлет преобразования сигнала во временной области. Этот вид информации о сигнале отличается от частотно-временного вида (Фурье), но они связаны.

Из графиков видно, что чем выше масштаб, тем «протяженнее» вейвлет. Чем протяженнее вейвлет, тем длиннее часть сигнала, с которой он сравнивается, и более крупные черты сигнала будут измерены вейвлет коэффициентами.

Таким образом, есть связь между масштабом вейвлет и частотой, как показано вейвлет анализом:

Малый масштаб а Сжатый вейвлет быстро изменяющиеся составляющие высокая частота .

Большой масштаб а Растянутый вейвлет медленно изменяющиеся, крупные черты низкая частота .

Непрерывное обратное вейвлет-преобразование

Обратное непрерывное вейвлет-преобразование осуществляется по формуле реконструкции во временной области. Одна из форм может быть представлена

где f(t) - восстановленный сигнал,