Haarova vlnka - Haar wavelet - Wikipedia
V matematice je Haarova vlnka je posloupnost změněných funkcí "čtvercového" tvaru, které společně tvoří a vlnka rodina nebo základ. Waveletová analýza je podobná jako u Fourierova analýza v tom, že umožňuje, aby byla cílová funkce v intervalu reprezentována ve smyslu ortonormální základ. Haarova sekvence je nyní považována za první známý vlnkový základ a je široce používána jako příklad výuky.
The Haarova sekvence byla v roce 1909 navržena Alfréd Haar.[1] Haar použil tyto funkce k uvedení příkladu ortonormálního systému pro prostor čtvercově integrovatelné funkce na jednotkový interval [0, 1]. Studium vlnek, a dokonce i výraz „vlnka“, přišlo až mnohem později. Jako zvláštní případ Vlnovka Daubechies, Haarova vlnka je také známá jako Db1.
Vlna Haar je také nejjednodušší možnou vlnou. Technická nevýhoda vlnky Haar spočívá v tom, že tomu tak není kontinuální, a proto ne rozlišitelný. Tato vlastnost však může být výhodou pro analýzu signálů s náhlými přechody, jako je sledování selhání nástroje ve strojích.[2]
Funkce mateřské vlnky Haar wavelet lze popsat jako
Své funkce škálování lze popsat jako
Haarovy funkce a Haarův systém
Pro každý pár n, k celých čísel v Z, Haarova funkce ψn,k je definován na skutečná linie R podle vzorce
Tato funkce je podporována na interval otevření vpravo Ján,k = [ k2−n, (k+1)2−n), tj., to zmizí mimo tento interval. Má integrál 0 a normu 1 v Hilbertův prostor L2(R),
Funkce Haar jsou párové ortogonální,
kde δi,j představuje Kroneckerova delta. Zde je důvod ortogonality: když dva podpůrné intervaly a nejsou si rovni, pak jsou buď disjunktní, nebo řekněme menší ze dvou podpěr , je obsažen v dolní nebo v horní polovině druhého intervalu, ve kterém je funkce zůstává neměnný. Z toho v tomto případě vyplývá, že součin těchto dvou Haarových funkcí je násobkem první Haarovy funkce, a proto má součin 0.
The Haarův systém na skutečné lince je sada funkcí
to je kompletní v L2(R): Systém Haar na lince je v systému ortonormálním základem L2(R).
Vlastnosti vlnky Haar
Vlna Haar má několik pozoruhodných vlastností:
- Libovolnou spojitou skutečnou funkci s kompaktní podporou lze přibližně aproximovat pomocí lineární kombinace z a jejich posunuté funkce. To se vztahuje na ty funkční prostory, kde lze jakoukoli funkci v nich aproximovat spojitými funkcemi.
- Libovolná spojitá reálná funkce na [0, 1] může být rovnoměrně aproximována na [0, 1] lineárními kombinacemi konstantní funkce1, a jejich posunuté funkce.[3]
- Ortogonalita ve formě
Tady δi,j představuje Kroneckerova delta. The duální funkce z ψ (t) je ψ (t) sám.
- Funkce wavelet / škálování s různým měřítkem n mít funkční vztah:[4] od té doby
- z toho vyplývá, že koeficienty měřítka n lze vypočítat koeficienty stupnice n + 1:
- Li
- a
- pak
V této části je diskuse omezena na jednotkový interval [0, 1] a na funkce Haar, které jsou podporovány na [0, 1]. Systém funkcí uvažovaných Haarem v roce 1910,[5]volal Haar systém zapnutý [0, 1] v tomto článku se skládá z podmnožiny vln Haar definovaných jako
s přidáním konstantní funkce 1 na [0, 1].
v Hilbertův prostor z hlediska tohoto systému Haar na [0, 1] je a kompletní ortonormální systém, tj., an ortonormální základ, pro prostor L2([0, 1]) čtvercových integrovatelných funkcí na jednotkovém intervalu.
Systém Haar na [0, 1] - s konstantní funkcí 1 jako první prvek následovaný funkcemi Haar seřazenými podle lexikografický objednávání párů (n, k)- je dále a monotónní Schauderův základ pro prostor Lstr([0, 1]) když 1 ≤ str < ∞.[6] Tento základ je bezpodmínečný když 1 < str < ∞.[7]
Existuje související Systém Rademacher skládající se ze součtu Haarových funkcí,
Všimněte si, že |rn(t) | = 1 v [0, 1). Toto je ortonormální systém, ale není úplný.[8][9]V jazyce teorie pravděpodobnosti, Rademacherova sekvence je instancí sekvence nezávislý Bernoulli náhodné proměnné s znamenat 0. The Khintchinova nerovnost vyjadřuje skutečnost, že ve všech prostorech Lstr([0, 1]), 1 ≤ str < ∞, je Rademacherova sekvence ekvivalent na jednotkový vektorový základ v ℓ2.[10] Zejména uzavřené lineární rozpětí sekvence Rademacher v Lstr([0, 1]), 1 ≤ str < ∞, je izomorfní do ℓ2.
Systém Faber-Schauder
The Systém Faber-Schauder[11][12][13] je rodina spojitých funkcí na [0, 1] skládající se z konstantní funkce1a z násobků neurčité integrály funkcí v systému Haar na [0, 1], které byly vybrány tak, aby měly normu 1 v maximální norma. Tento systém začíná na s0 = 1, pak s1(t) = t je neurčitý integrál mizející při 0 funkce1, první prvek systému Haar na [0, 1]. Dále pro každé celé číslo n ≥ 0, funkce sn,k jsou definovány vzorcem
Tyto funkce sn,k jsou spojité, po částech lineární, podporovaný intervalem Ján,k který také podporuje ψn,k. Funkce sn,k se rovná 1 ve středu Xn,k intervalu Ján,k, lineární na obou polovinách tohoto intervalu. Všude má hodnoty mezi 0 a 1.
Systém Faber-Schauder je Schauderův základ pro prostor C([0, 1]) spojitých funkcí na [0, 1].[6] Pro každéhoF v C([0, 1]), částečný součet
z rozšíření série z F v systému Faber-Schauder je spojitá po částech lineární funkce, se kterou souhlasíteF na 2n + 1 bodů k2−n, kde 0 ≤ k ≤ 2n. Dále vzorec
dává způsob, jak vypočítat expanzi F krok za krokem. Od té doby F je rovnoměrně spojité, sekvence {Fn} konverguje jednotně na F. Z toho vyplývá, že rozšíření řady Faber – Schauder F sblíží se C([0, 1]) a součet této řady se rovnáF.
Systém Franklin
The Franklinův systém je získáván ze systému Faber-Schauder systémem Gram – Schmidtova ortonormalizační procedura.[14][15]Protože Franklinův systém má stejné lineární rozpětí jako u systému Faber-Schauder, je toto rozpětí husté C([0, 1]), tedy v L2([0, 1]). Systém Franklin je tedy ortonormálním základem L2([0, 1]), skládající se z spojitých po částech lineárních funkcí. P. Franklin v roce 1928 dokázal, že tento systém je Schauderovým základem C([0, 1]).[16] Franklinův systém je také bezpodmínečným Schauderovým základem pro vesmír Lstr([0, 1]) když 1 < str < ∞.[17]Systém Franklin poskytuje základnu Schauder v disková algebra A(D).[17]To dokázal v roce 1974 Bočkarev, poté, co existoval základ pro diskovou algebru, zůstal otevřený po více než čtyřicet let.[18]
Bočkarevova konstrukce Schauderovy základny v A(D) zní: letF být komplexem oceňovaným Funkce Lipschitz na [0, n]; pakF je součet a kosinová řada s absolutně vyčíslitelné koeficienty. NechatT(F) být prvkem A(D) definovaný komplexem výkonová řada se stejnými koeficienty,
Bočkarevův základ pro A(D) je tvořen obrázky podT funkcí v systému Franklin na [0, π]. Bočkarevův ekvivalentní popis pro mapováníT začíná prodloužením F do dokonce Funkce LipschitzG1 na [π, π], identifikovaný s Lipschitzovou funkcí na jednotkový kruh T. Dále nechte G2 být funkce konjugátu zG1a definovat T(F) být funkcí vA(D) jehož hodnota na hranici T zD je rovnýG1 + iG2.
Když se jedná o 1-periodické spojité funkce, nebo spíše o spojité funkce F na [0, 1] takové, že F(0) = F(1), jeden odebere funkci s1(t) = t ze systému Faber-Schauder za účelem získání periodický systém Faber – Schauder. The periodický Franklinův systém se získává orthonormalizací z periodického systému Faber –- Schauder.[19]Jeden může prokázat Bočkarevův výsledek A(D) prokázáním, že periodický Franklinův systém na [0, 2π] je základem pro Banachův prostor Ar izomorfní s A(D).[19] Prostor Ar se skládá ze složitých spojitých funkcí na jednotkovém kruhu T jehož funkce konjugátu je také kontinuální.
Haarova matice
Matice 2 × 2 Haar, která je spojena s vlnou Haar, je
Za použití diskrétní vlnková transformace lze transformovat libovolnou sekvenci sudé délky do sekvence dvousložkových vektorů . Pokud jedna doprava, násobí každý vektor maticí , jeden dostane výsledek jednoho stupně rychlé Haar-vlnkové transformace. Obvykle sekvence odděluje s a d a pokračuje transformací sekvence s. Sekvence s se často označuje jako průměry část, zatímco d je známý jako podrobnosti část.[20]
Pokud má jedna sekvenci délky několikanásobek, lze vytvořit bloky 4 prvků a transformovat je podobným způsobem pomocí matice 4 × 4 Haar
který kombinuje dva stupně rychlé Haar-vlnkové transformace.
Porovnejte s a Walshova matice, což je nelokalizovaná matice 1 / –1.
Obecně lze 2N × 2N Haarovu matici odvodit pomocí následující rovnice.
- kde a je Produkt Kronecker.
The Produkt Kronecker z , kde je matice m × n a je matice p × q, je vyjádřena jako
Nenormalizovaná 8bodová Haarova matice je zobrazen níže
Všimněte si, že výše uvedená matice je nenormalizovaná Haarova matice. Haarova matice vyžadovaná Haarovou transformací by měla být normalizována.
Z definice Haarovy matice lze pozorovat, že na rozdíl od Fourierovy transformace má pouze skutečné prvky (tj. 1, -1 nebo 0) a je nesymetrický.
Vezměte 8bodovou Haarovu matici jako příklad. První řada měří průměrnou hodnotu a druhý řádek měří nízkofrekvenční složku vstupního vektoru. Další dva řádky jsou citlivé na první a druhou polovinu vstupního vektoru, což odpovídá středně frekvenčním složkám. Zbývající čtyři řádky jsou citlivé na čtyři části vstupního vektoru, což odpovídá vysokofrekvenčním komponentám.[21]
Haarova transformace
The Haarova transformace je nejjednodušší z vlnkové transformace. Tato transformace křížově násobí funkci proti vlně Haar s různými posuny a roztaženími, jako Fourierova transformace kříží násobí funkci proti sinusové vlně se dvěma fázemi a mnoha úseky.[22][je zapotřebí objasnění ]
Úvod
The Haarova transformace je jednou z nejstarších transformačních funkcí, kterou v roce 1910 navrhl maďarský matematik Alfréd Haar. Bylo zjištěno, že je efektivní v aplikacích, jako je komprese signálu a obrazu v elektrotechnice a výpočetní technice, protože poskytuje jednoduchý a výpočetně efektivní přístup k analýze místních aspektů signálu.
Haarova transformace je odvozena z Haarovy matice. Níže je uveden příklad transformační matice 4x4 Haar.
Haarovu transformaci lze považovat za proces vzorkování, ve kterém řádky transformační matice fungují jako vzorky jemnějšího a jemnějšího rozlišení.
Porovnejte s Walshova transformace, což je také 1 / –1, ale není lokalizováno.
Vlastnictví
Haarova transformace má následující vlastnosti
- 1. Není třeba množení. Vyžaduje pouze přidání a v matici Haar je mnoho prvků s nulovou hodnotou, takže výpočetní doba je krátká. Je to rychlejší než Walshova transformace, jehož matice se skládá z +1 a −1.
- 2. Vstupní a výstupní délka jsou stejné. Délka by však měla být síla 2, tj. .
- 3. Lze jej použít k analýze lokalizované vlastnosti signálů. V důsledku ortogonální vlastnost funkce Haar, lze analyzovat frekvenční složky vstupního signálu.
Haarova transformace a inverzní Haarova transformace
Haarova transformace yn funkce n-vstupu Xn je
Haarova transformační matice je skutečná a ortogonální. Inverzní Haarovu transformaci lze tedy odvodit pomocí následujících rovnic.
- kde je matice identity. Například když n = 4
Inverzní Haarova transformace tedy je
Příklad
Haarovy transformační koeficienty n = 4bodového signálu lze najít jako
Vstupní signál lze poté dokonale rekonstruovat inverzní Haarovou transformací
aplikace
Moderní fotoaparáty jsou schopny vytvářet snímky s rozlišením v řádu desítek megapixelů. Tyto obrázky musí být stlačený před uskladněním a přenosem. Haarovu transformaci lze použít pro kompresi obrazu. Základní myšlenkou je přenést obraz do matice, ve které každý prvek matice představuje pixel v obraze. Například matice 256 × 256 je uložena pro obrázek 256 × 256. JPEG komprese obrazu zahrnuje řezání původního obrazu na 8 × 8 dílčích obrázků. Každý dílčí obraz je matice 8 × 8.
Je vyžadována 2-D Haarova transformace. Rovnice Haarovy transformace je , kde je n × n matice a je Haarova transformace s n-bodem. Inverzní Haarova transformace je
V orální chirurgii se k odhalení potenciálně škodlivých lézí, tj. Leukoplakie, používá struktura struktury obrazu založená na Haarově vlnce [DOI: 10.1155 / 2020/8831161; DOI: 10,3390 / ma13163614].
Viz také
- Zmenšení rozměrů
- Walshova matice
- Walshova transformace
- Wavelet
- Chirplet
- Signál
- Funkce podobná Haaru
- Strömbergova vlnka
- Dyadická transformace
Poznámky
- ^ prosáknout. 361 palců Haar (1910).
- ^ Lee, B .; Tarng, Y. S. (1999). "Aplikace diskrétní vlnkové transformace na monitorování selhání nástroje při frézování na konci pomocí proudu motoru vřetena". International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 15 (4): 238–243. doi:10,1007 / s001700050062.
- ^ Na rozdíl od předchozího tvrzení není tato skutečnost zřejmá: viz str. 363 palců Haar (1910).
- ^ Vidakovic, Brani (2010). Statistické modelování pomocí vlnek (2. vyd.). 60, 63. doi:10.1002/9780470317020.
- ^ p. 361 palců Haar (1910)
- ^ A b prosáknout. 3 palce J. Lindenstrauss „L. Tzafriri, (1977),„ Classical Banach Spaces I, Sequence Spaces “, Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 92, Berlín: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08072-4.
- ^ Výsledek je způsoben R. E. Paley, Pozoruhodná řada ortogonálních funkcí (I), Proc. London Math. Soc. 34 (1931), str. 241-264. Viz také str. 155 in J. Lindenstrauss, L. Tzafriri, (1979), „Classical Banach spaces II, Function spaces“. Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 97, Berlín: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08888-1.
- ^ "Ortogonální systém". Encyklopedie matematiky.
- ^ Walter, Gilbert G .; Shen, Xiaoping (2001). Vlnky a jiné ortogonální systémy. Boca Raton: Chapman. ISBN 1-58488-227-1.
- ^ viz například str. 66 palců J. Lindenstrauss „L. Tzafriri, (1977),„ Classical Banach Spaces I, Sequence Spaces “, Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 92, Berlín: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08072-4.
- ^ Faber, Georg (1910), „Über die Orthogonalfunktionen des Herrn Haar“, Deutsche Math.-Ver (v němčině) 19: 104–112. ISSN 0012-0456; http://www-gdz.sub.uni-goettingen.de/cgi-bin/digbib.cgi?PPN37721857X ; http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?GDZPPN002122553
- ^ Schauder, Juliusz (1928), "Eine Eigenschaft des Haarschen Orthogonalsystems", Mathematische Zeitschrift 28: 317–320.
- ^ Golubov, B.I. (2001) [1994], „Systém Faber – Schauder“, Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS
- ^ viz Z. Ciesielski, Vlastnosti ortonormálního systému Franklin. Studia Math. 23 1963 141–157.
- ^ Franklinův systém. BI. Golubov (původce), Encyclopedia of Mathematics. URL: http://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=Franklin_system&oldid=16655
- ^ Philip Franklin, Sada spojitých ortogonálních funkcí, Math. Ann. 100 (1928), 522-529.
- ^ A b S. V. Bočkarev, Existence základny v prostoru analytických funkcí na disku a některé vlastnosti Franklinova systému. Rohož. Sb. 95 (1974), 3–18 (rusky). Přeloženo do matematiky. SSSR-Sb. 24 (1974), 1–16.
- ^ Otázka se objeví str. 238, §3 v Banachově knize, Banach, Stefan (1932), Théorie des opérations linéaires Monografie Matematyczne, 1Warszawa: Subwencji Funduszu Kultury Narodowej, Zbl 0005.20901. Disková algebra A(D) se objeví jako Příklad 10, s. 12 v Banachově knize.
- ^ A b Prosáknout. 161, III.D.20 a s. 192, III.E.17 v Wojtaszczyk, Przemysław (1991), Banachovy prostory pro analytiky, Cambridge studia pokročilé matematiky, 25, Cambridge: Cambridge University Press, s. Xiv + 382, ISBN 0-521-35618-0
- ^ Ruch, David K .; Van Fleet, Patrick J. (2009). Wavelet Theory: Elementary Approach with Applications. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-38840-2.
- ^ "haar". Fourier.eng.hmc.edu. 30. října 2013. Citováno 23. listopadu 2013.
- ^ Haarova transformace
Reference
- Haar, Alfréd (1910), „Zur Theorie der orthogonalen Funktionensysteme“, Mathematische Annalen, 69 (3): 331–371, doi:10.1007 / BF01456326, hdl:2027 / uc1.b2619563
- Charles K. Chui, Úvod do vlnky(1992), Academic Press, San Diego, ISBN 0-585-47090-1
- Anglický překlad Haarova klíčového článku: https://www.uni-hohenheim.de/~gzim/Publications/haar.pdf[trvalý mrtvý odkaz ]
externí odkazy
- "Haarův systém", Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS, 2001 [1994]
- Zdarma implementace filtrování vln Haar a interaktivní ukázka
- Bezplatné haarování vlnkových vln a ztrátová komprese signálu