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小波基函數的選擇2020-05-13

小波變換不同於傅裏葉變換,根據小波母函數的不同,小波變換的結果也不盡相同。現實中到底選擇使用哪壹種小波的標準壹般有以下幾點:

小波函數 Ψ ( t )、 Ψ (ω)、尺度函數 φ ( t )和 φ (ω)的支撐區間,是當時間或頻率趨向於無窮大時, Ψ ( t )、 Ψ (ω)、 φ ( t )和 φ (ω)從壹個有限值收斂到0的長度。支撐長度越長,壹般需要耗費更多的計算時間,且產生更多高幅值的小波系數。大部分應用選擇支撐長度為5~9之間的小波,因為支撐長度太長會產生邊界問題,支撐長度太短消失矩太低,不利於信號能量的集中。

這裏常常見到“緊支撐”的概念,通俗來講,對於函數 f ( x ),如果自變量 x 在0附近的取值範圍內, f ( x )能取到值;而在此之外, f ( x )取值為0,那麽這個函數 f ( x )就是緊支撐函數,而這個0附近的取值範圍就叫做緊支撐集。總結為壹句話就是“除在壹個很小的區域外,函數為零,即函數有速降性”。

具有對稱性的小波,在圖像處理中可以很有效地避免相位畸變,因為該小波對應的濾波器具有線性相位的特點。

在實際中,對基本小波往往不僅要求滿足容許條件,對還要施加所謂的消失矩(Vanishing Moments)條件,使盡量多的小波系數為零或者產生盡量少的非零小波系數,這樣有利於數據壓縮和消除噪聲。消失矩越大,就使更多的小波系數為零。但在壹般情況下,消失矩越高,支撐長度也越長。所以在支撐長度和消失矩上,我們必須要折衷處理。

小波的消失矩的定義為,若

其中,Ψ(t)為基本小波,0<=p<N。則稱小波函數具有N階消失矩。從上式還可以得出,同任意n-1階多項式正交。在頻域內表示就是 Ψ (ω)在ω=0處有高階零點(壹階零點就是容許條件)。

在量化或者舍入小波系數時,為了減小重構誤差對人眼的影響,我們必須盡量增大小波的光滑性或者連續可微性。因為人眼對“不規則”(irregular)誤差比“平滑”誤差更加敏感。換句話說,我們需要強加“正則性”(regularity)條件。也就是說正則性好的小波,能在信號或圖像的重構中獲得較好的平滑效果,減小量化或舍入誤差的視覺影響。但在壹般情況下,正則性好,支撐長度就長,計算時間也就越大。因此正則性和支撐長度上,我們也要有所權衡。

消失矩和正則性之間有很大關系,對很多重要的小波(比如,樣條小波,Daubechies小波等)來說,隨著消失矩的增加,小波的正則性變大,但是,並不能說隨著小波消失矩的增加,小波的正則性壹定增加,有的反而變小。

選擇和信號波形相似的小波,這對於壓縮和消噪是有參考價值的。

以下列出的15種小波基是Matlab中支持的15種。

Haar,壹般音譯為“哈爾”。

Haar函數是小波分析中最早用到的壹個具有緊支撐的正交小波函數,也是最簡單的壹個小波函數,它是支撐域在t∈[0,1]範圍內的單個矩形波。

Haar小波在時域上是不連續的,所以作為基本小波性能不是特別好。

Daubechies,壹般音譯為“多貝西”。

Daubechies小波是由世界著明的小波分析學者Ingrid Daubechies(壹般音譯為英格麗·多貝西)構造的小波函數,我們壹般簡寫成dbN,N是小波的階數。小波函數Ψ(t)和尺度函數φ(t)中的支撐區為2N-1,Ψ(t)的消失矩為N。dbN小波具有較好的正則性,即該小波作為稀疏基所引入的光滑誤差不容易被察覺,使得信號重構過程比較光滑。dbN小波的特點是隨著階次(序列N)的增大消失矩階數越大,其中消失矩越高光滑性就越好,頻域的局部化能力就越強,頻帶的劃分效果越好,但是會使時域緊支撐性減弱,同時計算量大大增加,實時性變差。另外,除N=1外,dbN小波不具有對稱性(即非線性相位),即在對信號進行分析和重構時會產生壹定的相位失真。dbN沒有明確的表達式(除了N=1外,N=1時即為Haar小波)

Symlet小波函數是IngridDaubechies提出的近似對稱的小波函數,它是對db函數的壹種改進。Symlet小波系通常表示為symN (N=2,3,…,8)。symN小波的支撐範圍為2N-1,消失矩為N,同時也具備較好的正則性。該小波與dbN小波相比,在連續性、支集長度、濾波器長度等方面與dbN小波壹致,但symN小波具有更好的對稱性,即壹定程度上能夠減少對信號進行分析和重構時的相位失真。

根據R.Coifman的要求,Daubechies構造了Coiflet小波,它具有coifN (N=1,2,3,4,5)這壹系列。Coiflet的小波函數Ψ(t)的2N階矩為零,尺度函數φ(t)的2N-1階矩為零。Ψ(t)和φ(t)的支撐長度為6N-1。Coiflet的Ψ(t)和φ(t)具有比dbN更好的對稱性。

為了解決對稱性和精確信號重構的不相容性,引入了雙正交小波,稱為對偶的兩個小波分別用於信號的分解和重構。雙正交小波解決了線性相位和正交性要求的矛盾。由於它有線性相位特性,所以主要應用在信號與圖像的重構中。通常的用法是采用壹個函數進行分解,用另外壹個小波函婁進行重構。

雙正交小波與正交小波的區別在於正交小波滿足<Ψj,k ,Ψl,m>=δj,kδl,m,也就是對小波函數的伸縮和平移構成的基函數完全正交,而雙正交小波滿足的正交性為<Ψj,k ,Ψl,m>=δj,k,也就是對不同尺度伸縮下的小波函數之間有正交性,而同尺度之間通過平移得到的小波函數系之間沒有正交性,所以用於分解與重構的小波不是同壹個函數,相應的濾波器也不能由同壹個小波生成。

該小波雖然不是正交小波,但卻是雙正交小波,具備正則性,同時也是緊支撐的,其重構支撐範圍為2Nr+1,分解支撐範圍為2Nd+1。biorNr.Nd小波的主要特征表現在具有線性相位特性。壹般來說為了獲得線性相位,需要降低對於正交性的局限,為此該雙正交小波降低了對於正交性的要求,保留了正交小波的壹部分正交性,使小波攻得了線性相位和較短支集的特性。

6、ReverseBior小波

由Biorthogonal而來,因此兩者形式很類似。

7、Meyer小波

Meyer小波的小波函數和尺度函數都是在頻率域中進行定義的,它不是緊支撐的,但它的收斂速度很快。

8、Dmeyer小波

Dmeyer即離散的Meyer小波,它是Meyer小波基於FIR的近似,用於快速離散小波變換的計算。

9、Gaussian小波

Gaussian小波是高斯密度函數的微分形式,它是壹種非正交與非雙正交的小波,沒有尺度函數。

10、MexicanHat(mexh)小波

Mexican Hat函數為Gauss函數的二階導數。因數它的形狀像墨西哥帽的截面,所以我們稱這個函數為墨西哥草帽函數。它在時域和頻率都有很好的局部化,但不存在尺度函數,所以此小波函數不具有正交性。

11、Morlet小波

Morlet小波是高斯包絡下的單頻率正弦函數,沒有尺度函數,是非正交分解。

12、ComplexGaussian小波

屬於壹類復小波,沒有尺度函數。

14、ComplexFrequency B-Spline Wavelets (復高斯B樣條小波)

樣條函數(splinefunction)指壹類分段(片)光滑、並且在各段交接處也有壹定光滑性的函數,簡稱樣條。

15、ComplexMorlet小波

Morlet小波是壹種單頻復正弦調制高斯波,也是最常用的復值小波該小波,在時頻兩域均具有良好的分辨率,將此小波加以改造特別適用於地震資料的分析。

參考: /heifan2014/article/details/72530858

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