小波变换学习笔记(2):连续信号的连续小波变换与离散小波变换

前言
上次说到小波变换的知识体系,这篇博客就主要说小波变换里的连续信号的连续小波变换与离散小波变换。
连续信号的连续小波变换
话不多说,我们先放公式,如果你是第一次接触小波,你可会有点懵,但是不要怕,我希望我的描述可以让你逐渐理解其意义。
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由公式我们可以看到,其小波变换后的结果是一个关于τ和s的二元函数,而这也与之前说的小波变换是一种时-频域变换相一致。下面我们开始对上述方程开始分析,其中x(t)就是原时域信号,Ψ(t)就是我们所说的小波基,这里说下小波基是有很多种的,不同的小波基有其不同的特点,所以在进行小波变换选择合适的小波基也是很重要的一步,但是这些小波基在时域上长度是有限的,而这也是其被叫做小波的原因。而τ和s很明显就是对小波基进行平移变换和尺度变换,而前面的s的绝对值的负二分之一这个系数是为了能量归一化。那么直观的来看,这个公式计算的就是原信号与小波基的不同尺度变换、平移变换版本的正交值,正交值越大说明这个版本的小波在原信号中占的比重越大。下面来看看小波变换是如何分析具体信号的,我们给出一个信号,波形如下图,下面对这个信号进行小波变换。
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举个例子,我们先令s=1,也是就是小波的未压缩版本,τ从0开始变化,逐渐变大,计算原信号与小波的未压缩版本的多个平移版本的正交值,过程如下图,其中蓝色部分就是我们的小波。
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相似的,我们令s=5、20,也就是小波的延伸5、20倍版本,τ从0开始变化,逐渐变大,计算原信号与小波的延伸5、20倍版本的多个平移版本的正交值,过程如下图。
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清楚了过程,我们给出一个更加熟悉的信号,没错,就是上篇博客中提到的变频率的正弦函数。
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我们直接给出它的小波变换结果,注意下图中的xy坐标为平移和尺度,不是时间和频率
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就像图中所呈现的,较小的尺度对应较大的频率,较大的尺度对应较小的频率,这也与上面举的例子一致,当尺度s较小时,小波函数比较尖锐,就对应高频,而当尺度s较大时,小波函数比较平缓,就对应低频。而平移与时间相似,所以通过这个小波变换结果图我们就可以读出原信号在时间轴0到30上频率最高,30到60频率变低,60到80再变低,80到100最低,这也与时域图像相对应。下图是上图的另一个角度,体现的更加明显。
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所以说,通过上面的连续信号的连续小波变换,我们可以将一个信号变换到时-频域进行分析,不过,显然这种方法的计算量是十分庞大的,并且计算结果还有一定程度上的冗余,所以人们就想能不能把上图的变换结果在不损失结果信息的前提下进行简化,所以,连续信号的离散小波变换就诞生了。
连续信号的离散小波变换
仿照着连续信号的连续小波变换,我们直接给出离散小波变换的公式,见下图。
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与一开始的连续小波变换的公式相比,此时的离散小波变换只分析小波函数的某几个特定的尺度变换和平移变换版本与原信号的正交值,将结果数据量大幅降低,并且此时原信号还可以拆解成类似级数的形式,其正交值也被赋予了物理意义,值得一说的是尺度变换的幅度不必非要是2的几次方形式,只不过在一般情况下为了方便计算,一般取2的次方的形式。
这篇博客主要大体介绍了下连续信号的连续和离散小波变换的公式和过程,下篇博客中我将介绍连续信号的离散小波变换中的多分辨分析、尺度函数、小波函数(这里的小波函数要与之前提到的小波基区别开,两者无直接关联)概念。

### 离散小波变换的重构公式及其数学推导 离散小波变换(Discrete Wavelet Transform, DWT)是一种用于信号处理和数据分析的强大工具。它通过将信号分解成不同尺度下的逼近部分和细节部分来实现多分辨率分析。为了完成信号的重构,DWT 使用逆离散小波变换(Inverse Discrete Wavelet Transform, IDWT)。以下是关于离散小波变换重构公式的详细介绍。 #### 1. 基本概念 在离散小波变换中,任意函数 \( f(t) \) 可以表示为其在小波基上的展开形式[^2]: \[ f(t) = \sum_{j,k} c_{j,k} \psi_{j,k}(t), \] 其中,\( \psi_{j,k}(t) \) 是由母小波 \( \psi(t) \) 经过缩放和平移得到的小波基函数,而系数 \( c_{j,k} \) 则是由输入信号这些基函数的相关运算得出的结果。 对于离散情况,通常会采用 Mallat 多分辨算法来进行逐层分解和重构。该方法的核心在于利用低通滤波器(scaling function filter)和高通滤波器(wavelet filter),分别提取信号的不同频带分量。 #### 2. 重构公式 假设经过 N 层分解后的信号可以被描述为一组逼近系数 \( A_N[n] \) 和一系列细节系数 \( D_j[n], j=1,...,N \),那么原信号可以通过以下方式重建: \[ f[n] = S^{-1}\{A_N[n]\} + \sum_{j=1}^{N} W^{-1}\{D_j[n]\}, \] 这里, - \( S^{-1} \) 表示 scaling 函数对应的逆变换操作; - \( W^{-1} \) 表示 wavelet 函数对应的逆变换操作; 具体而言,在每一层上执行如下计算: ```python def idwt(approximation_coeffs, detail_coeffs, low_filter, high_filter): reconstructed_signal = [] # 对每一对逼近和细节系数进行重构 for a_coeff, d_coeff in zip(approximation_coeffs[::-1], detail_coeffs[::-1]): upsampled_a = np.zeros(len(a_coeff)*2) upsampled_d = np.zeros(len(d_coeff)*2) # 插入零填充并卷积还原 upsampled_a[::2] = a_coeff upsampled_d[::2] = d_coeff convolved_low = np.convolve(upsampled_a, low_filter)[len(low_filter)-1:-len(low_filter)+1] convolved_high = np.convolve(upsampled_d, high_filter)[len(high_filter)-1:-len(high_filter)+1] combined = convolved_low + convolved_high reconstructed_signal.append(combined) final_reconstruction = sum(reconstructed_signal[:-1]) + reconstructed_signal[-1] return final_reconstruction ``` 此代码片段展示了如何基于给定的逼近系数和细节系数以及相应的滤波器参数逐步构建回原始信号的过程。 #### 3. 数学推导概述 离散小波变换的重构过程依赖于双正交条件,即存在两组互补滤波器满足特定关系使得能够无失真地恢复源数据。设 h[n] 和 g[n] 分别代表合成时使用的低通和高通滤波器,则有下列约束方程成立[^3]: \[ H(z)G(-z) + H(-z)G(z)=0, \] \[ |H(e^{iω})|^2+ |H(e^{i(ω+\pi)})|^2=1. \] 以上两个表达式共同定义了一个完整的框架结构用来指导实际工程实践中设计合适的滤波器组合从而保障最终输出质量达到预期标准。 --- ###
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