第三章 离散小波变换

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1、 第三章 离散小波变换3.1 尺度与位移的离散化方法减小小波变换系数冗余度的做法是将小波基函数 的atta1)(,限定在一些离散点上取值。,a1. 尺度离散化：一种最通常的离散方法就是将尺度按幂级数进行离散化，即取 （ 为整数， ，一般取 ） 。如果采用对数坐标，则尺度m010a20a的离散取值如图 3.1 所示。图 3.1 尺度与位移离散方法2. 位移的离散化：当 时， 。120ata)(,（1）通常对 进行均匀离散取值，以覆盖整个时间轴。（2）要求采样间隔 满足 采样定理，即采样频率大于该尺度下频Nyquist率通带的 2 倍。3. =？)(,ta当 增加 1 时，尺度增加一倍，对应的频带

2、减小一半（见图 2.2） ，可见采m样频率可以降低一半，即采样间隔可以增大一倍。因此，如果尺度 时 的0m间隔为 ，则在尺度为 时，间隔可取 。此时 可表示为sTm2smT2)(,ta;121 ,tntTnt nssm记 作 Z,为简化起见，往往把 轴用 归一化，这样上式就变为ts （3.1）nttmnm2)(,4. 任意函数 的离散小波变换为)(tf（3.2）Rnmf dttfWT)(),(,DWT 与 CWT 不同，在尺度位移相平面上，它对应一些如图 3.1 所示的离散的点，因此称之为离散小波变换。将小波变换的连续相平面离散化，显然引出两个问题：（1）离散小波变换 是否完全表征函数 的全)

3、(,),(ttfnTnmf )(tf部信息，或者说，能否从函数的离散小波变换系数重建原函数 。（2）是否任意函数 都可以表示为以 为基本单元的加权和)(tf )(,tnm？如果可以，系数 如何求？ZnmntCtf,)(C,上述两个问题可以归结为一个。假设条件（1）满足，可合理的选择 ，并对 进行适当的离散（即适当的选择 ） ，那么一定存在与小波序列,a sTa,0对应的 序列，使得问题（1）的重建简单地表示为nm, nm,（3.3）Znmnmftf, ,)(称为 的对偶，它可以由一个基本小波 通过位移和伸缩取得：nm,n, )(tnttmnm2)(,由上式，若存在 ，则有2RLtgnmnmgf

4、ff, , = nm, , )(= nnfg, ,= nmm, ,也即 nng, ,故问题（2）也成立，其中 mC,由于问题（1）和问题（2）是统一的，我们首先来看问题（1） ，该问题的数学语言描述如下：若小波系数 表征 的全部信息，则应有nmf,)(tf当 时，21f;,21nmnmff Zn,或当 时，0f=0； nmf,当 和 很接近时， 和 也必然很接近。用范数1f2 Z,1 Znmf,2的概念来描述，即当 为一个很小的数时，2f也必然为一个很小的数，用数学公式来描述： , ,2,1nmnmnff， 212, ,2,1 fBfnmnmRB也即（3.422,ffnmna）若要小波系数 稳

5、定的重建 ，则必须有：nf,f当序列 和 很接近时，函数 和 也很接近，Zmf,1 Znmf,2 1f2即（3.4b,2,nnffARA）把（3.4a）和（ 3.4b）合到一起。我们便得到一个合理的离散小波变换，该小波变换对所有 必须满足下述条件：)(2RLtf（3.4c）;,22, fBfAnmnRBA,满足式（3.4c ）的离散函数序列 在数学上称为“框架” 。Zm,;,3.2 小波框架与离散小波变换的逆变换3.2.1 小波框架（1）小波框架的定义当由基本小波 经伸缩和位移引出的函数族)(t； （3.5）sjjkj kTtat02,)(Zkj,具有下述性质时：（3.6）;,22 fBffA

6、jkkjBA0便称 构成了一个小波框架，称上式为小波框架条件，其频域表示Zkjjt,)(为（3.7）Zjj,)2(0（2）小波框架的性质1）满足小波框架条件的 ，其基本小波 必定满足容许性条件。)(,tkj)(t但是并不是满足容许性条件的小波，在任意离散间隔 及尺度基数 下都sT0a满足小波框架的条件。2）小波函数的对偶函数 也构成一个框架，其框架的kttjjkj 2)(,上、下界是 框架上、下界的倒数：)(,tkj（3.8）22,2 11fBffAjkkj3）离散小波变换具有非伸缩和时移共变性。4）离散小波变换仍然具有冗余度。3.2.2 离散小波变换的逆变换与重建核问题1. 离散小波变换的逆

7、变换如离散小波序列 ，构成一个框架，其上、下界分别为 和 ，Zkjjt,)(AB则当 时（紧框架） ，由框架概念可知离散小波变换的逆变换为BA（3.9）)(,(1)()(,)( ,1 tkjWTAttftf jkjfkjjkj 当 ，而 ， 比较接近时，作为一阶逼近，可取（3.10）)(2)(, tBtkjkj则重建公式近似为（3.11）)(,()()(,)( , tjWTAttftf kjkjfkjjkj 逼近误差的范数为fBAfRf 由上式可见， 与 愈接近，逼近误差就愈小。AB为了保证 能构成一个重建误差较小的框架就必须对基本小波在 轴上kj, ,a的采样间隔提出更高要求： 不一定等于

8、2， 也不一定等于 1，以便于使0asT和 接近于相等，可以想像，当尺度间隔愈密，位移间隔 愈小。离散栅格AB 愈接近于覆盖整个 半平面， 就愈接近于 1.AB/关于 与 ，以及 间的关系的部分结论如下：、 、0）（ 如 是一个框架，则框架的上界 、下界 满足下面的不等式：Znm,B（3.12）daA20)(log特别对紧框架有：（3.13）20)(l举例：将 Marr 小波离散化为小波框架。Marr 小波是常用的一种连续小波形式。若将 Marr 小波的尺度及位移分别离散化为 ktatjjkj 02,)(则可证明， 构成了一个 空间的小波框架，其框架的上界 、,j )(RLA下界 同 之间的关

9、系如表 3.1 表示。B、0a表 3.1 Marr 小波框架上、下界同 和 之间的关系0a0ABAB2 0.25 13.091 14.183 1.0832 0.50 6.546 7.092 1.0832 0.75 4.364 4.728 1.0832 1.00 3.223 3.596 1.1612 1.25 2.001 3.454 1.7262 1.50 0.325 4.221 12.9840.25 27.273 27.278 1.00020.50 13.673 13.639 1.000221.00 6.768 6.870 1.0151.50 2.609 6.483 2.4853120.50

10、20.457 20.457 1.00001.00 10.178 10.279 1.010311.50 4.629 9.009 1.947420.50 27.276 27.276 1.000011.00 13.586 13.690 1.00741.50 6.594 11.590 1.758由表 3.1 可知：1） 当 时，取 时，取 时，取20a;75.02a;1302a或 时，取 均可使 ，可近似为紧框架。141BA此时采用重建公式（3.9）可较精确地重构原函数。2） 一定时， 的值随 增大而增大。0aAB/3） 给定一个 值，只要 足够小，总可以得到一个近似紧的小波0框架。4） ， 时， ，

11、不是紧框架。20a12. 重建核公式（1）正交性：只有当 时，框架 变为正交基，此时经框架BA)(,tkj变换后的信息无任何冗余。但在其他情况下，框架 并不正交，具有一定,j的相关性。因此经框架处理后所含的信息是有冗余的。（2）紧框架情况下的小波变换系数的相关性：将离散小波变换的逆变换公式（3.9）重写如下：（3.14）)(,(1)(, tkjWTAtf jkjf其中（3.15a）Rkjf dttfjT)(),(,则（3.15b）Rkjf dttfkjWT)()(),(0,0将式（3.14）代入式（3.15b）得 Rkjj kjkff ttAkj )(),(1),( 0,0（3.16）jkfk

12、jj RkjkfWTjKAdttj),(),;(1,0,0其中 )(,)()(),;( 00 ,0 ttdttjKkjkjkjRkj （3.17）分析说明：(1) 与连续情况一样，式（3.16）给出任意一点 处小波变换之值与),(0kj栅格上其他各点小波变换系数之间的内在联系，称它为重建核方程，称 为重建核，由小波框架本身决定。K(2) 并不是相平面上的任意离散函数 都可看作是某一函数的离散),(kjF小波变换，只有它们之间满足（3.16）时才可以被看作为某一函数的离散小波变换序列。(3) 无论将 Marr 小波如何离散，都不能使 ，也即它不可能构成1BA空间的正交基。 （Morlet 小波和

13、 DOG 也是如此）)(2RL3.3 二进小波变换对于尺度及位移均离散化的小波序列，若取离散栅格的 ， ，即20a0相当于连续小波只在尺度上进行了二进制离散，而位移仍取连续变化，我们称这类小波为二进小波，表示为（3.18）ktatk 2)(0,2二进小波介于连续小波和离散小波之间，它只是对尺度参量进行了离散化，而在时间域上的平移量仍保持连续变化，故二进小波具有时移共变性，在奇异性检测、图像处理方面十分有用。在讨论二进小波变换及逆变换公式时，我们仍借用离散小波框架理论对其进行分析。3.3.1 二进小波变换及其逆变换设小波函数为 ，其傅里叶变换为 ，若存在二常数 ，)(t)(BA0使得（3.19）

14、BAZkk2)(此时式（3.18）定义的二进小波才是有意义的二进小波，即其逆变换存在。称式（3.19）为二进小波的稳定性条件；若 ，则称最稳定条件。若定义函数 的二进小波变换系数为)(2RLf（3.20）RkkdttfttfWTkk 2)(2)(,22 由卷积定理，设 的傅里叶变换为 ，则2k kWT)2()(2kjkeFTk 因此，稳定性条件（3.19）等价于对任意 都有RLf（3.21）222)(BTfAZkj式（3.21）说明：1）二进小波 构成了 的一个框架。)(,2tk)(2L2）二进小波 的小波变换公式（式（3.20） ）及其逆变换公式存在。,k二进小波变换的重建公式为（3.22）ZkRdtWTtfkk)()(,2其中， 为 的对偶框架，其上、下界分别为 。)(,2tk,2k 1,AB同离散小波框架相似，当 时，BA（3.23）)(1)(,2,2ttkk当 时， 的一阶近似为BA)(,2tk)(,2tBAk（3.24）当 接近于 1 时，其重构误差减小。当 采用高阶近似或递推的方法就可求A1得更精确的解。3.3.2 二进小波变换（1）与离散小波相同，二进小波也一定是一个允许小波，且有2ln)(2ln02BdAl)(l02特别是，当 时，B（3.25）2ln)(02AdC（2）二进小波变换时冗余的由框架理论可知，当不满足 是