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1、华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 经验模式分解 （Empirical Mode Decomposition， EMD） 方法是由NASA的 Norden E. Huang 于1998年提出的一种新的非线性非平稳信号处理方法。 这种方法将一个复杂的非线性非平稳信号逐级分解成若干平稳的数据层与剩余的最终趋势项的叠加。其中每一个平稳数据层被称为一个本征模式函数，它们代表了信号不同尺度的特性。经验模式分解法能使时-频同时局部化，具有自适应性，可以把奇异信号对处理结果的污染控制在较小的范围。 经验模式分解方法作为一种新的数据分析方
2、法，它从一个全新的角度对信号进行分解，发展时日尚短，具有用于图像处理的潜力。因此完善EMD理论，并将其有效应用于图像处理引起了越来越多学者的重视，成为一个具有重要理论价值和应用价值的课题。 本文首先介绍了经验模式分解方法的产生背景及国内外研究概况，对 EMD 方法的应用背景进行了说明并对该方法在图像处理方面的应用前景进行了分析；接着对EMD 方法的原理和算法进行了详细说明， 对一维 EMD 方法以及如何将其扩展到二维图像情形进行了详细地介绍和讨论，对 EMD 分解中涉及的极值点查找、插值方法选取、边界效应处理、筛选停止标准和分解终止标准等问题给出具体的实现方法,在此基础上提出了基于极值点优化和
3、基于图像分块的快速 EMD 分解的两种方法；然后结合多尺度处理方法和 EMD 方法的性质，提出了两种分别从频率域分解和空域多尺度分解角度出发的基于 EMD 的图像融合方法；最后针对图像编码，提出了基于 EMD的熵编码、 基于 EMD 的极值点提取编码、 基于 EMD 筛选过程的编码和基于 EMD 的变换编码这四种图像编码方法。本文对 EMD 理论以及如何把 EMD 方法应用于图像融合和图像编码进行了初步的探索，具有一定的创新意义。 关键词：关键词： 经验模式分解；多尺度；快速实现；图像融合；图像编码 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
4、IIAbstract Empirical Mode Decomposition method is introduced by Norden E. Huang of NASA in 1998. It is a new processing method for nonlinear and non-stationary signal. This method will gradually decompose a complex nonlinear and non-stationary signal into some stable data layers and the remaining fi
5、nal trend. Each of smooth layers is called as intrinsic mode function, which represents the signal characteristics of different scales. EMD method can make time-frequency localized and is a self-adaptive method. It can control the pollution made by the odd and even signal in a small scope. As a new
6、data analysis method, EMD method decomposes the signal from a new perspective. The development history of EMD is just a short time, and the method has the potential for image processing. So perfecting its theory and making it into image processing fields effectively have attracted the attentions of
7、more and more scholars and have become an issue that has important theoretical and practical value. The paper first introduces the background and the development of EMD and expounds the application of EMD and analyzes the prospect that EMD is applied to image processing; then the paper makes a detai
8、led explanation for EMD algorithms and introduces one-dimensional EMD and discusses how to extend EMD into image processing and gives a solution for the problems involved in EMD such as the extrema point locating, interpolation method selected, the border effect processing, sifting termination crite
9、ria and decomposition termination criteria selected. The paper introduces two fast EMD methods including extrema point optimizing and image blocking; combining with the multi-scale processing method and the natures of EMD, the paper introduces two image fusion methods based on EMD including frequenc
10、y decompositon and multi-scale decomposition; finally aiming at image coding, the paper introduces several image coding methods based on EMD including entropy coding, extrema points extracting coding, sifting process coding and transform coding. The paper has made an elementary study on EMD and its
11、application on image fusion and image coding and has made some innovation. Key words： Empirical Mode Decomposition; Multi-scale; Fast Decomposition; Image Fusion; Image Coding 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式
12、标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本论文属于华 中 科 技 大 学
13、硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪绪 论论 1.1 引言引言 今天，人类社会已经进入日新月异的数字化信息时代，高效、实时地获取各种大容量的有用信息已成为现代社会的一个典型特征。随着微电子、计算机、电子信息等科学技术的迅速发展和广泛应用，带动了传感器技术的飞速发展。传感器技术作为信息科学的三大技术之一，是信息获取的重要手段，已广泛地应用于各个领域，提供了各种分辨率的遥感影像。由于这些数据具有实时性高、覆盖范围广、信息丰富客观等优点，已被广泛运用于资源勘探、土地保护利用、生态环境监测、农作物估产和病虫害防治，以及大气海洋研究等诸多领域，对社会经济和科技的
14、发展发挥着重要作用。 短短几十年，遥感数据获取手段迅猛发展。遥感平台有地球同步轨道卫星（35000km） 、太阳同步卫星（6001000km） 、太空飞船（200300km） 、航天飞机（240350km） 、探空火箭（2001000km） ，并且还有高、中、低空飞机、升空气球、无人飞机等；传感器有框幅式光学相机、缝隙、全景相机、光机扫描仪、光电扫描仪、CCD 线阵、面阵扫描仪、微波散射计、雷达测高仪、激光扫描仪和合成孔径雷达等，它们几乎覆盖了可透过大气窗口的所有电磁波段。三行 CCD 阵列可以同时得到 3 个角度的扫描成像，EOS Terra 卫星上的 MISR（多角度成像光谱辐射仪）可同时
15、从 9个角度对地成像13。 随着 21 世纪的到来，遥感正朝着三高（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率）和三多（多传感器、多平台、多角度）的方向迅猛发展。面对如此海量的信息源，如何充分有效地利用它们是亟待解决的问题。美国议会指责美国宇航局（National Aeronautics and Space Administration, NASA） ：“迄今积累的遥感数据，有95%从来没有人看过。”这说明遥感应用的水平严重滞后于空间遥感技术的发展46。 成像仪的发展为人们获取更为丰富的信息成为可能， 但随之而来的问题是这些庞大数据量的传输、存储以及处理又面临着许多新问题。有效的数据处理分析理论
16、和方法是其得以有效应用的重要前提和保证。 图像可以看作二维的随机信号，因此可以通过对一维随机信号处理方法的二维扩展实现。经典的信号处理方法是Fourier谱分析方法，其必须对信号进行全局分析，不具备局部性， 只适合线性和平稳信号分析。 但现实中要处理的多数是瞬变的自然现象，华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2是非线性非平稳的信号，Fourier分析法不能取得理想的结果。因此非平稳信号分析需要新的处理方法。 近几十年来， 学者们陆续发展了短时和分数阶Fourier变换、 小波分析、 Wigner-Ville分布、Gabor展开等新的适合于非平稳信号分析的方法。短时和分数阶Fourier变换实际上是Fourier变换的自然推广，能够处理的非平稳信号的范围受到很大局限，处理效果并不理想。小波变换是Fourier
