小波变换和motion信号处理(二)

小波变换和motion信号处理（二）这是《小波变换和motion信号处理》系列的第二篇，深入小波。第一篇我进行了基础知识的铺垫，第三篇主要讲解应用。在上一篇中讲到，每个小波变换都会有一个motherwavelet，我们称之为母小波，同时还有一个fatherwavelet，就是scalingfunction。而该小波的basis函数其实就是对这个母小波和父小波缩放和平移形成的。缩放倍数都是2的级数，平移的大小和当前其缩放的程度有关。还讲到，小波系统有很多种，不同的母小波，衍生的小波基就完全不同。小波展开的近似形式是这样：其中的就是小波级数，这些级数的组合就形成了小波变换中的基basis。和傅立叶级数有一点不同的是，小波级数通常是orthonormalbasis，也就是说，它们不仅两两正交，还归一化了。我们还讲了一般小波变换的三个特点，就是小波级数是二维的，能定位时域和频域，计算很快。但我们并没有深入讲解，比如，如何理解这个二维？它是如何同时定位频域和时域的？在这一篇文章里，我们就来讨论一下这些特性背后的原理。首先，我们一直都在讲小波展开的近似形式。那什么是完整形式呢？之前讲到，小波basis的形成，是基于基本的小波函数，也就是母小波来做缩放和平移的。但是，母小波并非唯一的原始基。在构建小波基函数集合的时候，通常还要用到一个函数叫尺度函数，scalingfunction，人们通常都称其为父小波。它和母小波一样，也是归一化了，而且它还需要满足一个性质，就是它和对自己本身周期平移的函数两两正交：另外，为了方便处理，父小波和母小波也需要是正交的。可以说，完整的小波展开就是由母小波和父小波共同定义的。其中是母小波，是父小波。需要提醒一点的是，这个正交纯粹是为了小波分析的方便而引入的特性，并不是说小波变换的基就一定必须是正交的。但大部分小波变换的基确实是正交的，所以本文就直接默认正交为小波变换的主要性质之一了。引入这个父小波呢，主要是为了方便做多解析度分析（multiresolutionanalysis,MRA）。说到这里，你的问题可能会井喷了：好好的为什么出来一个父小波呢？这个scalingfunction是拿来干嘛的？它背后的物理意义是什么？waveletfunction背后的物理意义又是什么？这个多解析度分析又是什么呢？不急，下面，我们围绕一个例子来巩固一下前面的知识，同时再引出新的特性。假设我们有这样一个信号：该信号长度为8，是离散的一维信号。我们要考虑的，就是如何用小波将其展开。为了方便讲解，我们考虑最简单的一种小波，哈尔小波。下面是它的一种母小波：那如何构建基于这个母小波的基呢？刚才提到了，要缩放，要平移。我们先试试缩放，那就是ψ(2n)：但这样的话，它与自己的内积就不是1了，不符合小波基orthonormal的要求，所以我们要在前面加一个系数根号二，这样我们就得到了另一个哈尔小波的basisfunction：同理，我们可以一直这样推广下去做scale，得到4n，8n，…….下的basisfunction。当然在这个例子里，我们信号长度就是8，所以做到4n就够了。但推广来说，就是这种scaling对母小波的作用为，这是归一化后的表示形式。平移的话也很简单，我们可以对母小波进行平移，也可以对scale之后的basisfunction进行平移。比如对上一幅图中的basisfunction进行平移，就成了看得出来，平移后的basisfunction和母小波以及仅仅scale过的小波，都是正交的，附合小波basis的特点。如果我们用ψ(n)来表示这个motherwavelet，那么这些orthonormalbasis函数可以写成：这里的k是可以看成时域的参数，因为它控制着小波基时域的转移，而j是频域的参数，因为它决定了小波基的频率特性。看到这里，你应该会感觉很熟悉，因为这里的平移和变换本质和刚才对scalingfunction的平移变换是一模一样的。这样，我们就有了针对此信号space的哈尔小波basis组合：图1可以看出，我们用到了三层频率尺度的小波函数，每往下一层，小波的数量都是上面一层的两倍。在图中，每一个小波基函数的表达形式都写在了波形的下面。等等，你可能已经发现了，有问题。这里为什么多了个没有函数表达式的波形呢？这货明显不是waveletfunction阿。没错，它是之前提到的scalingfunction，也就是父小波。然后你可能就会问，为啥这个凭空插了一个scalingfunction出来呢？明明目标信号已经可以用纯的小波基组合表示了。是，确实是，就算不包括scalingfunction，这些小波函数本身也组成了正交归一基，但如果仅限于此的话，小波变换也就没那么神奇的功效了。引入这个scalingfunction，才能引入我们提到的多解析度分析的理论，而小波变换的强大，就体现在这个多解析度上。那在这里，我们怎么用这个多解析度呢？这个哈尔小波basis组合是怎么通过多解析度推导出来的呢？话说在数学定义中，有一种空间叫Lebesgue空间，对于信号处理非常重要，可以用L^p(R)表示，指的是由p次可积函数所组成的函数空间。我们在小波变换中要研究的信号都是属于L^2(R)空间的，这个空间是R上的所有处处平方可积的可测函数的集合，这样就等于对信号提出了一个限制，就是信号能量必须是有限的，否则它就不可积了。小波变换的定义都是基于但不限于L^2(R)中的信号的。这玩意的特性要具体解释起来太数学了，牵涉到太多泛函知识，我就不在这里详述了。而且老实说我也没能力完全讲清楚，毕竟不是学这个的，有兴趣可以参考wiki。总之你记住，小波变换研究中所使用的信号基本都是平方可积的信号，但其应用不限于这种信号，就行了。对L^2(R)空间做MRA是在干嘛呢？就是说，在L^2(R)空间中，我们可以找出一个嵌套的空间序列，并有下列性质：(i)(ii)(iii)(iv)(v)有这样一个方程,是的orthonormalbasis。我来简单解释一下这些性质。这个V_j都是L^2(R)空间中的子空间，然后他们是由小到大的，交集是{0}，因为这是最小的子空间，并集就是L空间。是不是有点难以理解？没关系，看看下面这个图就清楚了：这个图是圈圈套圈圈，最里面的圈是V0，之后分别是V1，V2，V3，V4。那他们有趣的性质就是，假如有一个函数f(t)他属于一个某空间，那你将其在时域上平移，它还是属于这个空间。但如果你对它频域的放大或缩小，它就会相应移到下一个或者上一个空间了。同时我们还知道，你要形容每一个空间的话，都需要有对应的orthonormalbasis，这是必然的，那对于V0来讲，它的orthonormalbasis就是这一系列函数是什么呢？是的时域变换，而且我们刚才也说了，时域上平移，是不会跳出这个空间的。这样，我们就可以说，由这一系列basis所定义的L^2(R)子空间V0被这些basis所span，表示成：k从负无穷到正无穷。上面的bar表示这是一个闭包空间，也就是说这样，我们就定义了基本的V0这个子空间。刚才说了，这个子空间的基都是对的整数时域变换，这里我们称为scalingfunction，所以换个说法，就是说这里整个子空间V0，由scalingfunction和其时域变换的兄弟们span。当然，如果这个scalingfunction只是用来代表一个子空间的，那它的地位也就不会这么重要了。刚才我们提到，这个嵌套空间序列有一个性质，。这就是这个函数，如果你对它频域的放大或缩小，它就会相应移到下一个或者上一个空间了。这个性质就有意思了，它代表什么呢？对于任何一个包含V0的更上一层的空间来讲，他们的基都可以通过对scalingfunction做频域的scale后再做时域上的整数变换得到！推广开来就是说，当我们有这也就意味着，对于任何属于V_j空间的函数f(t)，都可以表示为：到这里，我们就明白这些个子空间和那个凭空冒出来的scalingfunction的作用了。scaling的构建这些不同的子空间的基础，当j越大的时候，每一次你对频率变换后的scalingfunction所做的时域上的整数平移幅度会越小，这样在这个j子空间里面得到的f(t)表示粒度会很细，细节展现很多。反之亦然。通俗点说，就是对scalingfunction的变换平移给你不同的子空间，而不同的子空间给你不同的分辨率，这样你就可以用不同的分辨率去看目标信号。下面就是时候看看什么是MRAequation了，这是更加有趣，也是更加核心的地方。通过刚才的讲解，V0属于V1，那scalingfunction是在V0中的，自然也在V1中了。我们把他写成V1的基的线性组合，那就是其中的h(n)是scalingfunction的系数，也叫做scalingfilter或者scalingvector，可以是实数，也可以是虚数。根号2是为了维持norm为1的。看，在这个公式里，我们就把属于V0的函数用V1的基表示出来了。同理，我们可以循环如此，把属于V0的在V2,V3,…,Vn中表示出来。这些方程就是MRAequation，也叫refinementequation，它是scalingfunction理论的基础，也是小波分析的基础之一。好，稍微总结一下。到现在，已经讲了关于scalingfunction的基本理论知识，知道了信号空间可以分为不同精细度的子空间，这些子空间的basis集合就是scalingfunction或者频率变换之后的scalingfunction，如下图所示：上图就是四个子空间的basis集合的展览。通过前面的讨论，我们还知道，一开始的scalingfunction可以通过更精细的子空间的scalingfunction（它们都是对应子空间的basis）来构建。比如对于更加finer的scale：图2依此类推。实际上，对于任何scale和translate过的scalingfunction，都可以用更加精细的scale层面上的scalingfunction构建出来。然后，我们有各种scale下的scalingfunction了，该看看它们分别所对应的嵌套的空间序列了。先看看V0，自然就是以基本的scalingfunction为基础去span出来的：这个不新鲜，刚才就讲过了。这个子空间代表什么样的信号？常量信号。道理很简单，这个scalingfunction在整个信号长度上，没有任何变化。继续往下看：这个相比V0更加finer的子空间，代表着这样一种信号，它从1-4是常量，从5-8是另一个常量。同理我们有：V2代表的信号，是分别在1，2;3，4;5，6;7，8上有相同值的信号。那么V3呢？则表示任何信号，因为对于V3来讲，任何一个时间刻度上的值都可以不一样。而且现在，我们也可以通过上面的一些scalingfunctions的波形验证了之前提到的多解析度分析中的一个核心性质，那就是：我们之前讲了一堆多解析度的理论，但直到现在，通过这些图形化的分析，我们可能才会真正理解它。那好，既然我们有一个现成的信号，那就来看看，对这个信号作多解析度分析是啥样子的：你看，在不同的子空间，对于同一个信号就有不同的诠释。诠释最好的当然是V3，完全不损失细节。这就是多解析度的意义。我们可以有嵌套的，由scalingfunction演变的basisfunction集合，每一个集合都提供对原始信号的某种近似，解析度越高，近似越精确。说到这里，可能你对scalingfunction以及多解析度分析已经比较理解了。但是，我们还没有涉及到它们在小波变换中的具体应用，也就是还没有回答刚才那个问题：凭空插了一个scalingfunction到小波basis组合中干嘛。也就是说，我们希望理解scalingfunction是怎么和小波函数结合的呢，多解析度能给小波变换带来什么样的好处呢。这其实就是是小波变换中的核心知识。理解了这个，后面的小波变换就是纯数学计算了。好，我们已经知道，对于子空间V0，basis是scalingfunc