24
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Báo cáo chuyên đề môn học XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ NÂNG CAO Nội dung báo cáo PHÉP BIẾN ĐỔI WAVELET GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Ngọc Minh. NHÓM 9: Đoàn Minh Quân, Nguyễn Kim Dung, Nguyễn Hữu Trường, Hà Thị Lan Anh. LỚP: CH10 ĐT3 Hà nội, tháng 05- 2011

Tiều Luận Phép Biến Đổi Wavelet

Embed Size (px)

Citation preview

  • HC VIN CNG NGH BU CHNH VIN THNG

    KHOA QUC T V O TO SAU I HC

    Bo co chuyn mn hc

    X L TN HIU S NNG CAO

    Ni dung bo co

    PHP BIN I WAVELET

    GIO VIN HNG DN: TS. Nguyn Ngc Minh.

    NHM 9: on Minh Qun,

    Nguyn Kim Dung,

    Nguyn Hu Trng,

    H Th Lan Anh.

    LP: CH10 T3

    H ni, thng 05- 2011

  • PHN 1

    CC KHI NIM C BN V TNG QUAN V L THUYT WAVELET

    Mc d khi nim Wavelet ra i cch y 10 nm, nhng c rt t bi bo hay cun

    sch no vit v n, v ch yu ch l cc nh ton hc vit ra, vi rt t s tham kho

    hay tr gip, v n l hon ton mi.

    Trc ht chng ta cn bit ti sao phi bin i v bin i thc cht l g? Trong ton

    hc, php bin i ln mt tn hiu l c c cc thng tin khc, m tn hiu ban

    u (hay cn gi l tn hiu th) khng c. Trong phn nghin cu ny, ta gi thuyt tn

    hiu min thi gian l tn hiu th, cn tn hiu c bin i qua cc cng c ton

    hc l tn hiu c x l. C rt nhiu php bin i c p dng, song php bin i

    Fourier l php bin i c ng dng rng ri nht.

    Hu ht cc tn hiu m chng ta o c u l tn hiu trong min thi gian,v khi

    chng ta biu din ln th, th lun c mt trc l thi gian, cn trc kia l ln.Tuy

    nhin trong x l tn hiu th cch biu din khng phi l ti u. V trong nhiu

    trng hp, th thnh phn tn s li l quan trng phn bit cc tn hiu vi nhau,

    ngi ta dng ph tn s biu din cc thnh phn tn s c trong tn hiu.

    Ta hy xem xt hnh v di y biu din 3 tn hiu tng ng 3 tn s khc nhau

  • Vy lm th no o c tn s v lm th no tm ra cc thnh phn tn s trong

    tn hiu? Cu tr li chnh l php bin i Fourier. Php bin i FOURIER cho ta bit

    ln tn hiu trong mi thnh phn tn s.

    Xc nh thnh phn tn s c ngha quan trng trong k thut, v d trong y hc, da

    vo thnh phn tn s o c trong nhp tim, m ta bit c ngi c khe hay

    khng?

    Tuy nhin c rt nhiu php bin i c p dng trong k thut v ton hc, nh bin

    i Hilbert, bin i Fourier thi gian ngn, phn b Wigner , bin i Radon, Mi

    php bin i u c nhng vng ng dng ring vi nhng u nhc im khc nhau.

    Php bin i Wavelet m ta ang nghin cu cng khng l ngoi l.

    bit s cn thit ca php bin i Wavelet, chng ta hy xem qua php bin i

    Fourier. FT l php bin i 2 chiu gia tn hiu th v tn hiu x l. Ta s khng th

    bit c thi gian trong tn hiu x l, v cng khng th bit c tn s trong min

    tn hiu th. Vy mt cu hi t ra l ta c cn bit n c tn s v c thi gian cng

    mt lc khng? Nu i vi cc qu trnh dng th vic ny l khng cn thit, v qu

  • trnh dng, thnh phn tn s l khng thay i theo thi gian. Ta hy xem v d di

    y:

    y l bin i Fourier ca n:

    Khc vi tn hiu hnh 1.5, ta xt tn hiu khc khng dng c minh ha di y:

  • Li xt tip mt v d khc c 4 thnh phn tn s 4 khong thi gian khc nhau, do

    y cng khng phi l tn hiu dng.

    V bin i FT ca n c dng:

  • y c nhng on gn sng l do s thay i tn s t ngt. Ta thy tn hiu

    thnh phn ph cao th c bin ln, cn thnh phn ph thp th c bin nh.

    So snh qua hnh ta thy rng c hai tn hiu khc nhau min thi gian li tng t

    nhau min tn s. Do , FT khng ph hp i vi cc tn hiu khng dng.

    Bin i Wavelet khc phc nhc im ny, n cho ta mi lin h gia min tn s v

    min thi gian ng thi.

    Gi s ta cho tn hiu qua mt h thng cc b lc thng cao v b lc thng thp nh

    m t s H1.1 di y:

  • Gi s ta c tn hiu c tn s ln ti 1000Hz, sau khi i qua h thng nh s trn, ta

    s thu c 4 vng tn s l 0-125 Hz, 125-250 Hz, 250-500 Hz, v 500-1000 Hz. Nh

    vy, ta thu c mt tp cc tn hiu con c bng tn khc nhau t mt tn hiu ban u.

    Nu ta biu din chng trn th 3D th s c thm mt trc thi gian cho tng tn hiu

    con. Ch rng ta s khng bit c thi gian tc thi, nhng ta bit c khong thi

    gian ca tng tn hiu con .

    Bin i Wavelet a ra gii php linh hot nh sau: thnh phn tn hiu tn s cao s

    phn gii tt hn trong min thi gian, cn thnh phn tn hiu tn s thp, s phn gii

    tt hn min tn s.

    Chng ta hy xt s li di y:

    f ^

    |******************************************* continuous

    |* * * * * * * * * * * * * * * wavelet transform

    |* * * * * * *

    |* * * *

    |* *

    --------------------------------------------> time

    L gii s nh sau: pha trn cng ca trc tn s, ta c nhiu mu tn hiu, tng

    ng vi nhng khong thi gian nh, hay ni cch khc l thnh phn tn s cao s

    H1.1: H thng cc b lc

  • phn gii tt hn min thi gian. Cn di y trc tn s, ta c rt t im tn hiu,

    do s kh phn gii tt trong min thi gian.

    ^ frequency

    |

    |

    |

    | *******************************************************

    |

    |

    |

    | * * * * * * * * * * * * * * * * * * * discrete time

    | wavelet transform

    | * * * * * * * * * *

    |

    | * * * * *

    | * * *

    |----------------------------------------------------------> time

    Trong trng hp thi gian ri rc, cng tng t nh trn. Tuy nhin ch rng

    nhng thnh phn tn s cao, th khong cch gia cc chm im cng nh hn.

    Di y l v d v bin i Wavelet lin tc ca tn hiu hnh sin c 2 thnh phn tn

    s hai thi im khc nhau:

    Bin i Wavelet lin tc ca tn hiu trn c dng nh sau:

  • Ch l trc tn s c biu din bi nhn scale. nh ngha scale s c ni r hn

    phn sau, v trong trng hp ny th scale l nghch o ca tn s. Mc scale cao

    tng ng tn s thp, mc scale thp tng ng tn s cao.

  • PHN 2

    PHP BIN I WAVELET LIN TC

    Trc ht ta hy ni ti cc hm c bn trong chuyn i tn hiu.

    Trong bin i Fourier, chui Fourier lng gic l mt cng c cc mnh c s

    dng trong c hai trng hp ri rc v lin tc nhng cng c nhc im ng k,

    l cc hm c bn

    cos sinikte kt i kt

    xc nh v lin tc trn ton on ; , do khng thch nghi tt vi cc tn hiu

    c a phng ha, trong ngha ca d liu ch tp trung trong min tng i

    nh. Tht vy, v d trng hp hm Dirac ( )t c gi tr tp trung ti 0t . Do ta c

    cc h s Fourier

    1 1( )

    2 2

    iktkc t e dt

  • v chui Fourier tng ng

    2 21 1 ... 1 ...2 2

    ikt it it it it

    k

    e e e e e

    lm mt hon ton tnh cht a phng ch tp trung gi tr ti 0x ca hm Dirac.

    V vy cn xy dng mt h cc hm trc giao c cc tnh cht tt nh h cc

    hm lng gic Fourier, ng thi chuyn ti c tnh cht a phng ha ca cc tn

    hiu. H cc hm cn tm l cc hm wavelet.

    Ging nh cc hm lng gic, cc hm Wavelet c bn sao ri rc nhn c

    bng cch ly mu. Php bin i wavelet ri rc c th tnh ton mt cch nhanh

    chng, do d rt thun li khi x l cc tn hiu phc tp v cc d liu nh nhiu chiu.

    Chng ta bt u vi 4 hm wavelet c bn c Alphr Haar (nh ton hc

    Hungary) gii thiu nm 1910.

    Hm Haar wavelet th nht gi l hm scaling (scaling function), xc nh nh sau

    Hnh 2.1: Bn hm Haar wavelet

  • 1( ) ( ) 1t t , 0 1t ,

    Hm Haar wavelet th hai gi l wavelet m (mother wavelet)

    2

    1 0 1/ 2( ) ( )

    1 1/ 2 1

    tt t

    t

    Gi tr ca hm ( )t ti nhng im ri rc khng quan trng lm, nhng tng t

    trng hp khai trin Fourier ta quy c cho ( ) 0t ti cc im 1

    0, ,12

    t .

    Hm Haar wavelet th ba v hm Haar wavelet th t l dng nn ca hm wavelet

    m, c gi l cc hm wavelet con (daughter wavelet), xc nh nh sau

    3

    1 0 1/ 4

    ( ) 1 1/ 4 1/ 2

    0 1/ 2 1

    t

    t t

    t

    4

    0 0 1/ 2

    ( ) 1 1/ 2 3/ 4

    1 3/ 4 1

    t

    t t

    t

    Hm scaling ( )t v wavelet m ( )t c m rng ln ton b tp s thc bng

    cch cho nhn gi tr 0 bn ngoi khong c bn:

    1 0 1( )

    0

    tt

    nu ng c l i

    1 0 1/ 2

    ( ) 1 1/ 2 1

    0

    t

    t t

    nu ng c l i

    T cc hm c bn, ta i ti php bin i Wavelet, c nh ngha nh sau:

    y l hm s ca 2 bin: s v , trong ,

    x(t) l tn hiu cn phn tch

    s l vit tt ca scale, tm dch l bin phn bc hay bin t l. d hiu ngha ca

    bin ny, ta c th so snh vi bn , nu t l cng ln th s cho ta ci nhn tng quan,

    nhng khng chi tit, cn nu t l nh s tng ng vi ci nhn chi tit. Bin s trong

    ton hc c trng cho nn v gin. s cng ln, tc l gin tn hiu, s nh tc l nn

    tn hiu. Tuy nhin trong cng thc bin i Wavelet, s nm di phn mu s, v th

    nu s1 tng ng nn tn hiu Tn s f l nghch o ca s,

    mc tn s thp tng ng vi ton b tn hiu, cn mc tn s cao tng ng mt phn

    ca tn hiu trong mt thi gian ngn.

    (translation) l nh v ca ca s khi ca s dch chuyn sut tn hiu, n mang

    ngha thng tin v thi gian trong khng gian chuyn i.

  • (t) l hm chuyn i, c gi l Wavelet m, hm ny c coi l hm ca s

    nguyn bn ca mi ca s khc trong x l. Cc ca s khc c th l nn, gin hoc

    dch pha ca wavelet m. Ngoi ra c th dng cc hm khc nh hm wavelet Morlet,

    hm m Mexican.

    Gi tr 1/sqrt(s) l m bo tn hiu sau khi bin i c cng nng lng vi tn hiu

    ban u

    Thng thng, cc tn hiu u c bng tn gii hn, nn ch cn tnh ton CWT trong

    mt di xc nh

    Ta hy xem v d v tn hiu cosin trong tng t l s khc nhau di y, tt c tn hiu

    hnh trn u bt ngun t mt tn hiu cosin, s=0,05 l t l nh nht, v s=1 l t l

    ln nht:

    Hu ht cc ng dng thc t u c tnh cht trn tc l thnh phn tn s cao khng

    ko di trong sut di tn hiu, v tn s thp thng ko di n ht tn hiu.

    Qu trnh tnh ton c th minh ha qua hnh v nh sau:

  • T cc gi tr thi gian v s ta s c cc im th trn mt phng thi gian-t l.

    Di y ta s xem xt mt v d c th: tnh CWT ca mt tn hiu khng dng gm 3

    thnh phn tn s: 5Hz, 10Hz, 20Hz v 30Hz.

  • Bin i CWT ca tn hiu trn c dng:

    Lu l trc translation tng ng vi thi gian

    Ngoi ra, cn c wavelet m khc c s dng trong phn tch wavelet m Mexican,

    c nh ngha t hm Gaussian:

  • l

    V Wavelet Morlet c nh ngha nh sau:

    trong , a l tham s iu ch, cn l bin t l, nh hng n rng ca s.

    khi phc li tn hiu ban u, ta c cng thc bin i ngc ca CWT:

    Trong C l hng s, ph thuc vo wavelet no c s dng.

    Php bin i CWT ngc tn ti khi tha mn iu kin:

    Trong , l bin i Fourier ca .

    Bin i CWT c mt im ln l phn gii linh hot m ta s trnh by di y.

    Phn gii min thi gian-tn s.

    y l u im chng ta s dng bin i Wavelet ch khng phi l bin i STFT.

    Hnh 2.2 di y minh ha vn ny. Tt c khi hp u tng ng vi gi tr bin

    i Wavelet trong min thi gian-tn s. Ta khng bit chnh xc mi im c th,

    nhng ta bit n thuc khi hp no. Cc hp ny c din tch bng nhau, song chiu

    di v chiu rng khc nhau. trong vng tn s thp, chiu cao ca khi hp cng

    thp, do m tn hiu s c phn gii tt hn min tn s. Cn vng tn s cao,

    th chiu rng ca khi hp nh hn, tc l min thi gian c chia thnh nhiu

    khong nh hn min tn s, do m tn hiu c phn gii tt hn min thi

    gian.

  • Hnh 2.2

    Sau y ta s a ra mt v d c th thy c tnh ng dng ca CWT trong thc

    t. Hnh v di y l in no ca mt ngi bnh thng v mt ngi mc bnh

    Alzheimer (tm thn)

  • Nhng tn hiu ny c th ni rt kh phn tch v nh gi s khc bit, tuy nhin khi

    ta cho qua php bin i CWT th s phn tch tr nn d dng hn nhiu. Di y l

    th ca tn hiu sau khi qua CWT

    V y l t mt gc nhn khc r hn:

  • Cn ca ngi bnh th tn hiu chuyn i c dng sau:

    Hay t mt gc nhn khc:

  • PHN 3

    PHP BIN I WAVELET RI RC

    gim vic tnh ton, m vn hiu qu cho vic phn tch v tng hp tn hiu ban

    u, ngi ta s dng php bin i Wavelet ri rc (DWT). DWT c bit t nm

    1976, khi Croiser, Esteban v Galand ch to ra k thut khi phc tn hiu ri rc.

    Phn gii tn hiu l php o cc lng thng tin chi tit trong tn hiu, v c th thay

    i lng tin bng cch lc tn hiu. Ly mu tn hiu c th tng hoc gim thng qua

    tc ly mu tng hay gim n ln.

    DWT ly mu ti cc thi im s0 = 2, 0 = 1, hay s=2j v =k*2j, tn hiu lc ny s l

    mt chui x[n], trong , n l s t nhin. Chui ny c a qua b lc thng thp

    (bng na bng tn ca tn hiu) c p ng xung l h[n] v b lc thng cao c p

    ng xung l g[n], khi ti u ra ca b lc thng thp, tn hiu thu c l kt qu

    tch chp ca x[n] v h[n] nh sau:

  • Ch l tn s f c chun ha v khng ly n v l Hz, c ngha thnh phn tn

    s ln nht ca tn hiu l rad, tng ng tn s ly mu l 2 rad (theo nh l

    Nyquist). Sau khi qua b lc thng thp, tn hiu thu c c tn s ln nht l rad.

    Lc ny, s im ly mu s gim i mt na, tn hiu c gin gp 2 ln, ta gi l

    subsample. Qu trnh subsample sau khi lc khng lm nh hng n tng hp li tn

    hiu ban u. Ton b qu trnh trn c lp li, v tn hiu thu c u ra l y[n]

    c tnh nh sau:

    M t u ra ca b lc thng thp v thng cao c vit nh sau:

    Vic ta gim na s lng mu tn hiu, cng tng ng ta chia nh min tn s. mi

    mc, vic lc v subsample lm gim i s lng mu tn hiu (tc l lm cho vic

    phn gii min thi gian khng tt), song lm phn gii trong min tn s tt hn.

    Hnh 3.1 m t qu trnh trn, bng tn ca tn hiu ti cc mc c k hiu l f.

  • Gi s tn hiu ban u c 512 mu, vi tn s t 0 n rad. Ti mc u tin, tn hiu

    qua b lc thng cao, do , s im ly mu ch cn li 256 im ng vi bng tn

    gim cn mt na t /2 n rad. 256 im mu cn li a ti tip b lc thng cao

    v thng thp, do s im mu ca tn hiu cn li l 128, ng vi bng tn t /4

    n /2 rad. Qu trnh c tip tc n khi no ch cn li 2 mu tn hiu.

    Nh vy ta gim i mt lng tnh ton ng k. Tuy nhin, iu quan trng cn lu

    trong DWT l mi quan h gia p ng xung ca b lc thng thp v thng cao.

    Chng c mi quan h nh sau:

    Trong , L l chiu di ca b lc (s im tn hiu).

    Cc b lc tha mn iu kin trn c dng ph bin trong x l tn hiu, v c gi

    l cc b lc i xng vung gc (Quadrature Mirror Filters). Hot ng lc v

    subsample c m t ton hc li nh sau:

    Hnh 3.1

  • Vic tng hp li tn hiu ban u rt n gin v cc b lc na bng tn u c tnh

    trc giao, qu trnh tng hp tng t nh trn nhng theo th t ngc li. Khi ,

    cng thc tng hp tn hiu ti mi mc c m t nh sau:

    Php bin i Wavelet c ng dng rt nhiu trong x l hnh nh, bi hnh nh c

    phn gii rt cao, v rt tn khng gian b nh. Kt hp vi m ha, Wavelet t c

    hiu qu cao trong nn d liu, v d nh JPEG 2000.

    Bin i Wavelet bt u c p dng trong truyn thng tin m Wavelet OFDM l

    mt cng ngh mnh c hng Panasonic p dng trong HD-PLC. Wavelet OFDM

    c IEEE 1901 coi l mt chun.