小波變換與小波濾波

小波變換與小波濾波匯報(bào)人：***指導(dǎo)老師：***匯報(bào)日期：2014.4.211.1小波變換的由來(lái)2基本思想： 將信號(hào)分解成一系列不同頻率的連續(xù)正弦波的疊加。缺陷：丟掉了時(shí)間信息，無(wú)法根據(jù)變換結(jié)果判斷一個(gè)特定的信號(hào)是在什么時(shí)候發(fā)生的。傅立葉變換1.1

小波變換的由來(lái)FT變換適于分析平穩(wěn)信號(hào)。實(shí)際中大多數(shù)信號(hào)含有大量的非平穩(wěn)信號(hào)，例如：突變，奇異，事件的起始與終止等情況。這些情況反映了信號(hào)的重要特征，是分析的對(duì)象。例如下圖：典型的地震信號(hào)。3典型的地震記錄4實(shí)際采集的地震信號(hào)它們的頻域特性都隨時(shí)間而變化。分析它需要提取某一時(shí)間段的頻域信息或某一頻率段所對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息如何完成只分析數(shù)據(jù)中的一小部分?51.2短時(shí)傅立葉變換（STFT）基本思想：給信號(hào)加一個(gè)小窗，主要集中在對(duì)小窗內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行變換，因此反映了信號(hào)的局部特征。61.2短時(shí)傅立葉變換（STFT）缺陷：

其窗函數(shù)的大小和形狀均與時(shí)間和頻率無(wú)關(guān)，保持固定不變，對(duì)于分析時(shí)變信號(hào)不利。（高頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，低頻長(zhǎng)。我們希望對(duì)于高頻采用小的時(shí)間窗，低頻使用大時(shí)間窗進(jìn)行分析。）

STFT無(wú)能為力了！

不能構(gòu)成正交基，給數(shù)值計(jì)算帶來(lái)不便。

7小波信號(hào)隆重登場(chǎng)登場(chǎng)原因：（1）繼承和發(fā)展了STFT的局部化思想。（2）克服了窗口大小不隨頻率變化、缺乏離散正交基的缺點(diǎn)。8正交基的解釋

若一物體可用顏色和大小表示，我們稱顏色和大小為特征基，構(gòu)成此物體特征描述空間。

大小和顏色是互不相干的2種描述，我們稱其為正交。 同時(shí)若這些基能夠完全表示所有物體，我們稱其為完備特征基。

因?yàn)樘卣骰憩F(xiàn)了物體特征，因而可以用更簡(jiǎn)潔的描述表示物體。

9小波變換的提出1984年法國(guó)的年輕的地球物理學(xué)家JeanMorlet在進(jìn)行石油勘探的地震數(shù)據(jù)處理分析時(shí)與法國(guó)理論物理學(xué)家A.Grossman一起提出了小波變換(wavelettransform,WT)的概念101.3小波變換定義及特點(diǎn)小波（Wavelet），即小區(qū)域的波，是一種特殊的長(zhǎng)度有限、平均值為0的波形。特點(diǎn)：（1）“小”，即在時(shí)域都具有緊支集或近似緊支集（2）正負(fù)交替的“波動(dòng)性”，也即直流分量為零111.3小波變換定義及特點(diǎn)121.3小波變換定義及特點(diǎn)傅立葉分析所用的正弦波在時(shí)間上沒(méi)有限制，從負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮，但小波傾向于不規(guī)則與不對(duì)稱。FT將信號(hào)分解成一系列不同頻率正弦波的疊加，小波分析是將信號(hào)分解成一系列小波函數(shù)的疊加。而這些小波函數(shù)都是由一個(gè)母小波函數(shù)經(jīng)過(guò)平移與尺度伸縮得來(lái)的。用不規(guī)則的小波函數(shù)來(lái)逼近尖銳變化的信號(hào)顯然要比光滑的正弦曲線要好，同樣，信號(hào)局部的特性用小波函數(shù)來(lái)逼近顯然要比光滑的正弦函數(shù)來(lái)逼近要好。1314

連續(xù)小波變換（ContinuousWaveletTransform，CWT）用下式表示：表示小波變換是信號(hào)f(x)與被縮放和平移的小波函數(shù)ψ()之積在信號(hào)存在的整個(gè)期間里求和的結(jié)果。1.4連續(xù)小波變換CWT的變換結(jié)果是許多小波系數(shù)C，這些系數(shù)是縮放因子（scale）和平移（position）的函數(shù)。

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基本小波函數(shù)ψ()的縮放和平移操作

(1)縮放。就是壓縮或伸展基本小波，縮放系數(shù)越小，則小波越窄小波的縮放操作

16(2)平移。小波的延遲或超前。在數(shù)學(xué)上,函數(shù)f(t)延遲k的表達(dá)式為f(t-k)，小波的平移操作(a)小波函數(shù)ψ(t)；(b)位移后的小波函數(shù)ψ(t-k)

基本小波函數(shù)ψ()的縮放和平移操作1.5小波變換的步驟小波變換的步驟:

一取一個(gè)小波與信號(hào)的最前面部分比較;

二計(jì)算相關(guān)因子C,C代表小波和這段數(shù)據(jù)的相關(guān)性 即:C越大,兩者越相似;171.5小波變換的步驟

三移動(dòng)小波,重復(fù)步驟一和二,一直遍歷整個(gè)數(shù)據(jù);18

四對(duì)小波進(jìn)行縮放,重復(fù)步驟一到三;五在所有小波尺度下,重復(fù)上述步驟.1.5小波變換的步驟19小波尺度和信號(hào)頻率的關(guān)系小尺度信號(hào)的高頻大尺度信號(hào)的低頻20

在每個(gè)可能的縮放因子和平移參數(shù)下計(jì)算小波系數(shù)，其計(jì)算量相當(dāng)大，將產(chǎn)生驚人的數(shù)據(jù)量，而且有許多數(shù)據(jù)是無(wú)用的。1.6離散小波變換（DWT）

如果縮放因子和平移參數(shù)都選擇為2j（j>0且為整數(shù)）的倍數(shù)，即只選擇部分縮放因子和平移參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，就會(huì)使分析的數(shù)據(jù)量大大減少。21

使用這樣的縮放因子和平移參數(shù)的小波變換稱為雙尺度小波變換（DyadicWaveletTransform），它是離散小波變換（DiscreteWaveletTransform，DWT）的一種形式。1.6離散小波變換（DWT）通常離散小波變換就是指雙尺度小波變換。

22執(zhí)行離散小波變換的有效方法是使用濾波器，該方法是Mallat于1988年提出的，稱為Mallat算法(馬拉)。這種方法實(shí)際上是一種信號(hào)分解的方法，在數(shù)字信號(hào)處理中常稱為雙通道子帶編碼。1.6離散小波變換（DWT）23一個(gè)濾波器為低通濾波器，通過(guò)該濾波器可得到信號(hào)的近似值A(chǔ)（Approximations）另一個(gè)為高通濾波器，通過(guò)該濾波器可得到信號(hào)的細(xì)節(jié)值D（Detail）。1.6離散小波變換（DWT）24實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)的低頻分量往往是最重要的，而高頻分量只起一個(gè)修飾的作用。如同一個(gè)人的聲音一樣，把高頻分量去掉后，聽(tīng)起來(lái)聲音會(huì)發(fā)生改變，但還能聽(tīng)出說(shuō)的是什么內(nèi)容，但如果把低頻分量刪除后，就會(huì)什么內(nèi)容也聽(tīng)不出來(lái)了。1.6離散小波變換（DWT）25圖多級(jí)信號(hào)分解示意圖（a）信號(hào)分解；(b)小波分樹(shù)；（c）小波分解樹(shù)26在使用濾波器對(duì)真實(shí)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換時(shí)，得到的數(shù)據(jù)將是原始數(shù)據(jù)的兩倍。根據(jù)尼奎斯特(Nyquist)采樣定理就提出了降采樣的方法，即在每個(gè)通道中每?jī)蓚€(gè)樣本數(shù)據(jù)取一個(gè)，得到的離散小波變換的系數(shù)(coefficient)分別用cD和cA表示1.6離散小波變換（DWT）27

將信號(hào)的小波分解的分量進(jìn)行處理后，一般還要根據(jù)需要把信號(hào)恢復(fù)出來(lái)，也就是利用信號(hào)的小波分解的系數(shù)還原出原始信號(hào)，這一過(guò)程稱為小波重構(gòu)（WaveletReconstruction）或叫做小波合成（WaveletSynthesis）。1.7小波重構(gòu)

這一合成過(guò)程的數(shù)學(xué)運(yùn)算叫做逆離散小波變換（InverseDiscreteWaveletTransform，IDWT）。

28小波重構(gòu)算法示意圖

1.7小波重構(gòu)

29(1)重構(gòu)近似信號(hào)與細(xì)節(jié)信號(hào)

由小波分解的近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)可以重構(gòu)出原始信號(hào)。 同樣，可由近似系數(shù)和細(xì)節(jié)系數(shù)分別重構(gòu)出信號(hào)的近似值或細(xì)節(jié)值，這時(shí)只要近似系數(shù)或細(xì)節(jié)系數(shù)置為零即可。

1.7小波重構(gòu)

30重構(gòu)近似和細(xì)節(jié)信號(hào)示意（a）重構(gòu)近似信號(hào)；(b)重構(gòu)細(xì)節(jié)信號(hào)

1.7小波重構(gòu)

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(2)多層重構(gòu) 重構(gòu)出信號(hào)的近似值A(chǔ)1與細(xì)節(jié)值D1之后，則原信號(hào)可用A1＋D1＝S重構(gòu)出來(lái)。對(duì)應(yīng)于信號(hào)的多層小波分解，小波的多層重構(gòu)圖:

1.7小波重構(gòu)

32重構(gòu)過(guò)程為：A3＋D3＝A2；A2＋D2＝A1；A1+D1＝S。1.7小波重構(gòu)

應(yīng)用之一：小波分析信號(hào)去噪中的應(yīng)用主要內(nèi)容心電信號(hào)的噪聲特點(diǎn)小波分析與傳統(tǒng)信號(hào)處理方法的比較小波去噪的基本原理小波去噪的基本步驟小波去噪中的閾值函數(shù)和閾值的選取小波去噪中小波函數(shù)的選擇去噪效果的評(píng)價(jià)程序說(shuō)明總結(jié)心電信號(hào)（ECG）是典型的強(qiáng)噪聲的非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào)。正常心電信號(hào)的頻率范圍在0.01Hz-100Hz之間，而90%的ECG頻譜能量又集中在0.25Hz-35Hz之間。在心電信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中,心電信號(hào)不可避免地受到各種類型的噪聲干擾,概括起來(lái)主要包括以下三類噪聲:一、心電信號(hào)的噪聲特點(diǎn)（1）由于電源磁場(chǎng)作用于心電圖機(jī)與人體之間的環(huán)形電路所致的50Hz/60Hz工頻干擾;（2）由于病人肌肉緊張產(chǎn)生的肌電干擾;（3）由于病人呼吸運(yùn)動(dòng)或者由電極—電極—皮膚之間界面阻抗所致的頻響,一般小于1Hz的基線漂移；這些噪聲干擾與心電信號(hào)混雜,引起心電信號(hào)的畸變,使整個(gè)心電信號(hào)波形模糊不清,對(duì)隨后的信號(hào)分析處理,尤其是計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別診斷造成誤判和漏判,因此,心電信號(hào)的消噪有重要的意義。二、小波分析的去噪原理在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常所分析的信號(hào)具有非線性，非平穩(wěn),并且奇異點(diǎn)較多的特點(diǎn)。含噪的一維信號(hào)模型可表示為：其中，f(t)為真實(shí)信號(hào)，s(t)為含噪信號(hào)，e(t)為噪聲，為噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差。

有用信號(hào)通常表現(xiàn)為低頻信號(hào)或是相對(duì)比較平穩(wěn)。而噪聲信號(hào)通常表現(xiàn)為高頻分解后，含噪部分主要集中在高頻小波系數(shù)中，并且，包含有用信號(hào)的小波系數(shù)幅值較大，但數(shù)目少；而噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)幅值小，數(shù)目較多?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，可以應(yīng)用門限閾值法對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理。（即對(duì)較小的小波系數(shù)置為０，較大的保留或削弱），然后對(duì)信號(hào)重構(gòu)即可達(dá)到消噪的目的。CD3CD2CA3CA2sCA1CD1小波分解的結(jié)構(gòu)示意圖小波分解系數(shù)示意圖三、小波分解示意圖：四、一維信號(hào)利用小波除噪的步驟1.小波變換去噪的流程示意圖：預(yù)處理小波變換多尺度分解各尺度小波系數(shù)除噪小波逆變換重構(gòu)信號(hào)除噪后的信號(hào)含噪信號(hào)２．小波除噪的具體步驟：(1)對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,并進(jìn)行小波分解。選擇小波確定分解的層數(shù)N,然后對(duì)信號(hào)s進(jìn)行N層分解。(2)小波分解的高頻系數(shù)的閾值量化。對(duì)第一層到第N層高頻系數(shù)，選擇軟閾值或硬閾值量化處理。(３)一維小波重構(gòu)。根據(jù)小波分解的第N層低頻系數(shù)和第一層到第N層的高頻系數(shù)，進(jìn)行一維重構(gòu)。在上面的步驟中，最為關(guān)鍵的就是如何選取閾值和如何閾值量化，從某種意義上講，它直接影響信號(hào)去噪的質(zhì)量。五、閾值函數(shù)和閾值的選?。保撝岛瘮?shù)閾值函數(shù)分為軟閾值和硬閾值兩種。(1).硬閾值(hardthresholding)當(dāng)小波系數(shù)的絕對(duì)值大于等于給定閾值時(shí)，保持不變，而小于時(shí)，令其為０。即：(2).軟閾值(softthresholding)當(dāng)小波系數(shù)的絕對(duì)值大于等于給定的閾值時(shí)，令其值為減去閾值；而小于時(shí)，令其為０．即：采用這種閾值方法去噪在實(shí)際應(yīng)用中，已取得了較好的效果，但也存在著一些潛在的缺點(diǎn)，如硬閾值在閾值點(diǎn)不連續(xù)，重構(gòu)可能產(chǎn)生一些震蕩；軟閾值連續(xù)，但估計(jì)的小波系數(shù)和分解的小波系數(shù)有恒定的偏差，直接影響重構(gòu)信號(hào)對(duì)真實(shí)信號(hào)的逼近程度．２．閾值的選取閾值的選擇是小波去噪和收縮最關(guān)鍵的一步，在去噪過(guò)程中閾值起著決定性的作用：如果太小，施加閾值后小波系數(shù)包含太多的噪聲分量，達(dá)不到去噪效果；反之，則去除了有用部分，使信號(hào)失真。閾值選擇方案及對(duì)應(yīng)的MATLAB命令(1)固定閾值(’sqtwolog’)選取的算法是：

(2)Stein無(wú)偏似然估計(jì)閾值(’rigrsure’)對(duì)于給定一個(gè)閾值t，得到它的似然估計(jì)，再將非似然的t最小化，就得到了所選的閾值。(3)啟發(fā)式閾值(‘heursure’)它是前兩種閾值的綜合，是最優(yōu)預(yù)測(cè)變量閾值選擇，如果信噪比很小時(shí)，無(wú)偏似然估計(jì)的誤差較大，此時(shí)，采用固定閾值。令：進(jìn)行比較，如果時(shí)采用固定閾值，反之，選擇無(wú)偏似然估計(jì)。(4)極大極小閾值(‘minimaxi’)它的原理是令估計(jì)的最大風(fēng)險(xiǎn)最小化，其閾值選取的算法是：六、小波函數(shù)的選擇小波變換不像傅里葉變換是由正弦函數(shù)唯一決定的，小波基可以有很多種，不同的小波適合不同的信號(hào)去噪，對(duì)于確定的信號(hào)，如果小波選擇不當(dāng)，去噪結(jié)果可能相差很遠(yuǎn)，還有可能丟失有用的信息。面對(duì)各種小波，到底選擇哪一種來(lái)處理心電信號(hào)才能滿足醫(yī)療上的需要，必須經(jīng)過(guò)大量的仿真研究結(jié)果來(lái)進(jìn)行