Articulo de referencia

Ondícula

Una ondícula es una oscilación ondulatoria con una amplitud que comienza en cero, aumenta o disminuye y luego regresa a cero una o más veces. Las ondículas se denominan "oscilac...

Una ondícula es una oscilación ondulatoria con una amplitud que comienza en cero, aumenta o disminuye y luego regresa a cero una o más veces. Las ondículas se denominan "oscilaciones breves". Se ha establecido una taxonomía de ondículas, basada en el número y la dirección de sus pulsos. Las ondículas poseen propiedades específicas que las hacen útiles para el procesamiento de señales .

Ondícula sísmica

Por ejemplo, se podría crear una ondícula con una frecuencia de do central y una duración corta, de aproximadamente una décima de segundo. Si esta ondícula se convolucionara con una señal generada a partir de la grabación de una melodía, la señal resultante sería útil para determinar cuándo  aparece la nota do central en la canción. Matemáticamente, una ondícula se correlaciona con una señal si una parte de esta es similar. La correlación es fundamental en muchas aplicaciones prácticas de las ondículas.

Como herramienta matemática, las ondículas se pueden utilizar para extraer información de diversos tipos de datos, incluyendo señales de audio e imágenes. Se necesitan conjuntos de ondículas para analizar los datos por completo. Las ondículas complementarias descomponen una señal sin interrupciones ni solapamientos, de modo que el proceso de descomposición es matemáticamente reversible. Por lo tanto, los conjuntos de ondículas complementarias son útiles en algoritmos de compresión/descompresión basados ​​en ondículas , donde se busca recuperar la información original con una pérdida mínima.

En términos formales, esta representación es una representación en serie de ondículas de una función de cuadrado integrable con respecto a un conjunto completo y ortonormal de funciones base , o a un conjunto sobrecompleto o marco de un espacio vectorial , para el espacio de Hilbert de funciones de cuadrado integrable. Esto se logra mediante estados coherentes .

En física clásica , el fenómeno de difracción se describe mediante el principio de Huygens-Fresnel , que trata cada punto de un frente de onda propagante como una colección de ondículas esféricas individuales. [ 1 ] El patrón de curvatura característico es más pronunciado cuando una onda de una fuente coherente (como un láser) encuentra una rendija/apertura cuyo tamaño es comparable a su longitud de onda . Esto se debe a la suma, o interferencia , de diferentes puntos del frente de onda (o, equivalentemente, de cada ondícula) que viajan por trayectorias de distinta longitud hasta la superficie de registro. Múltiples aberturas muy próximas entre sí (por ejemplo, una red de difracción ) pueden dar lugar a un patrón complejo de intensidad variable.

Etimología

La palabra wavelet se ha utilizado durante décadas en el procesamiento de señales digitales y la geofísica de exploración. [ 2 ] La palabra francesa equivalente ondelette, que significa "onda pequeña", fue utilizada por Jean Morlet y Alex Grossmann a principios de la década de 1980.

teoría de ondículas

La teoría de ondículas es aplicable a varios temas. Todas las transformadas de ondículas pueden considerarse formas de representación tiempo-frecuencia para señales de tiempo continuo (analógicas) y, por lo tanto, están relacionadas con el análisis armónico . [ 3 ] La transformada discreta de ondículas (continua en el tiempo) de una señal de tiempo discreto (muestreada) mediante el uso de bancos de filtros de tiempo discreto de configuración diádica (banda de octava) es una aproximación de ondículas a esa señal. Los coeficientes de dicho banco de filtros se denominan coeficientes de desplazamiento y de escala en la nomenclatura de ondículas. Estos bancos de filtros pueden contener filtros de respuesta de impulso finito (FIR) o de respuesta de impulso infinito (IIR). Las ondículas que forman una transformada continua de ondículas (CWT) están sujetas al principio de incertidumbre del análisis de Fourier y a la teoría de muestreo correspondiente: [ 4 ] dada una señal con algún evento, no se puede asignar simultáneamente una escala de respuesta de tiempo y frecuencia exacta a ese evento. El producto de las incertidumbres de la escala de respuesta de tiempo y frecuencia tiene un límite inferior. Así, en el escalagrama de una transformada wavelet continua de esta señal, dicho evento marca una región completa en el plano tiempo-escala, en lugar de un solo punto. Además, las bases wavelet discretas pueden considerarse en el contexto de otras formas del principio de incertidumbre. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

Las transformadas wavelet se dividen generalmente en tres clases: continuas, discretas y basadas en multirresolución.

Transformadas wavelet continuas (parámetros de desplazamiento y escala continuos)

En las transformadas wavelet continuas , una señal dada de energía finita se proyecta sobre una familia continua de bandas de frecuencia (o subespacios similares del espacio de funciones L p L 2 ( R ) ). Por ejemplo, la señal puede representarse en cada banda de frecuencia de la forma [ f , 2 f ] para todas las frecuencias positivas f > 0. Entonces, la señal original puede reconstruirse mediante una integración adecuada sobre todos los componentes de frecuencia resultantes.

Las bandas de frecuencia o subespacios (subbandas) son versiones escaladas de un subespacio a escala 1. Este subespacio, a su vez, se genera en la mayoría de los casos mediante los desplazamientos de una función generadora ψ en ( R ) , la ondícula madre . Para el ejemplo de la banda de frecuencia de escala uno [1, 2], esta función es con la función sinc (normalizada) . Esa, la de Meyer y otros dos ejemplos de ondículas madre son:ψ(t)=2desde(2t)desde(t)=pecado(2πt)pecado(πt)πt{\displaystyle \psi (t)=2\,\operatorname {sinc} (2t)-\,\operatorname {sinc} (t)={\frac {\sin(2\pi t)-\sin(\pi t)}{\pi t}}}

El subespacio de escala a o banda de frecuencia [1/ a , 2/ a ] se genera mediante las funciones (a veces llamadas wavelets hijas ) donde a es positivo y define la escala y b es cualquier número real y define el desplazamiento. El par ( a , b ) define un punto en el semiplano derecho R + × R.ψa,b(t)=1aψ(tba),{\displaystyle \psi _{a,b}(t)={\frac {1}{\sqrt {a}}}\psi \left({\frac {tb}{a}}\right),}

La proyección de una función x sobre el subespacio de escala a tiene entonces la forma con coeficientes wavelet.incógnitaa(t)=RWTψ{incógnita}(a,b)ψa,b(t)db{\displaystyle x_{a}(t)=\int _{\mathbb {R} }WT_{\psi }\{x\}(a,b)\cdot \psi _{a,b}(t)\,db}WTψ{incógnita}(a,b)=incógnita,ψa,b=Rincógnita(t)ψa,b(t)dt.{\displaystyle WT_{\psi }\{x\}(a,b)=\langle x,\psi _{a,b}\rangle =\int _{\mathbb {R} }x(t){\psi _{a,b}(t)}\,dt.}

Para el análisis de la señal x , se pueden ensamblar los coeficientes wavelet en un escalograma de la señal.

Consulte una lista de algunas ondículas continuas .

Transformadas wavelet discretas (parámetros de desplazamiento y escala discretos, continuos en el tiempo)

Es computacionalmente imposible analizar una señal utilizando todos los coeficientes de ondícula, por lo que cabe preguntarse si basta con seleccionar un subconjunto discreto del semiplano superior para poder reconstruir una señal a partir de los coeficientes de ondícula correspondientes. Un ejemplo de este tipo de sistema es el sistema afín para algunos parámetros reales a > 1, b > 0. El subconjunto discreto correspondiente del semiplano consta de todos los puntos ( a m , nb a m ) con m , n en Z . Las ondículas hijas correspondientes se dan ahora como ψmetro,norte(t)=1ametroψ(tnortebametroametro).{\displaystyle \psi _{m,n}(t)={\frac {1}{\sqrt {a^{m}}}}\psi \left({\frac {t-nba^{m}}{a^{m}}}\right).}

Una condición suficiente para la reconstrucción de cualquier señal x de energía finita mediante la fórmula es que las funciones formen una base ortonormal de L 2 ( R ).incógnita(t)=metroZnorteZincógnita,ψmetro,norteψmetro,norte(t){\displaystyle x(t)=\sum _{m\in \mathbb {Z} }\sum _{n\in \mathbb {Z} }\langle x,\,\psi _{m,n}\rangle \cdot \psi _{m,n}(t)}{ψmetro,norte:metro,norteZ}{\displaystyle \{\psi _{m,n}:m,n\in \mathbb {Z} \}}

Transformadas wavelet discretas basadas en multirresolución (continuas en el tiempo)

Ondícula D4

En cualquier transformada wavelet discretizada, solo existe un número finito de coeficientes wavelet para cada región rectangular acotada en el semiplano superior. Sin embargo, cada coeficiente requiere la evaluación de una integral. En situaciones especiales, esta complejidad numérica puede evitarse si las wavelets escaladas y desplazadas forman un análisis multirresolución . Esto significa que debe existir una función auxiliar , la wavelet padre φ en ( R ), y que a es un entero. Una elección típica es a = 2 y b = 1. El par más famoso de wavelets padre y madre es la wavelet de Daubechies de 4 taps. Cabe señalar que no todas las bases wavelet discretas ortonormales pueden asociarse a un análisis multirresolución; por ejemplo, la wavelet de Journe no admite un análisis multirresolución. [ 9 ]

A partir de las ondículas madre y padre se construyen los subespacios. La ondícula padre conserva las propiedades del dominio del tiempo, mientras que la ondícula madre conserva las propiedades del dominio de la frecuencia.Vmetro=durar(ϕmetro,norte:norteZ), dónde ϕmetro,norte(t)=2metro/2ϕ(2metrotnorte){\displaystyle V_{m}=\operatorname {span} (\phi _{m,n}:n\in \mathbb {Z} ),{\text{ donde }}\phi _{m,n}(t)=2^{-m/2}\phi (2^{-m}tn)}Wmetro=durar(ψmetro,norte:norteZ), dónde ψmetro,norte(t)=2metro/2ψ(2metrotnorte).{\displaystyle W_{m}=\operatorname {span} (\psi _{m,n}:n\in \mathbb {Z} ),{\text{ donde }}\psi _{m,n}(t)=2^{-m/2}\psi (2^{-m}tn).}Vi{\displaystyle V_{i}}Wi{\displaystyle W_{i}}

De estos se requiere que la secuencia forme un análisis multirresolución de L 2 y que los subespacios sean las "diferencias" ortogonales de la secuencia anterior, es decir, W m es el complemento ortogonal de V m dentro del subespacio V m −1 , {0}V1V0V1V2L2(R){\displaystyle \{0\}\subset \dots \subset V_{1}\subset V_{0}\subset V_{-1}\subset V_{-2}\subset \dots \subset L^{2}(\mathbb {R} )},W1,W0,W1,{\displaystyle \dots,W_{1},W_{0},W_{-1},\dots}VmetroWmetro=Vmetro1.{\displaystyle V_{m}\oplus W_{m}=V_{m-1}.}

En analogía con el teorema de muestreo, se puede concluir que el espacio V m con distancia de muestreo 2 m cubre más o menos la banda base de frecuencia de 0 a 1/2 m -1 . Como complemento ortogonal, W m cubre aproximadamente la banda [1/2 m −1 , 1/2 m ].

De esas inclusiones y relaciones de ortogonalidad, especialmente , se deduce la existencia de secuencias y que satisfacen las identidades de modo que y de modo que La segunda identidad del primer par es una ecuación de refinamiento para la wavelet padre φ. Ambos pares de identidades forman la base del algoritmo de la transformada wavelet rápida .V0W0=V1{\displaystyle V_{0}\oplus W_{0}=V_{-1}}h={hnorte}norteZ{\displaystyle h=\{h_{n}\}_{n\in \mathbb {Z} }}gramo={gramonorte}norteZ{\displaystyle g=\{g_{n}\}_{n\in \mathbb {Z} }}gramonorte=ϕ0,0,ϕ1,norte{\displaystyle g_{n}=\langle \phi _{0,0},\,\phi _{-1,n}\rangle }ϕ(t)=2norteZgramonorteϕ(2tnorte),{\textstyle \phi (t)={\sqrt {2}}\sum _{n\in \mathbb {Z} }g_{n}\phi (2t-n),}hnorte=ψ0,0,ϕ1,norte{\displaystyle h_{n}=\langle \psi _{0,0},\,\phi _{-1,n}\rangle }ψ(t)=2norteZhnorteϕ(2tnorte).{\textstyle \psi (t)={\sqrt {2}}\sum _{n\in \mathbb {Z} }h_{n}\phi (2t-n).}

Del análisis multirresolución se deriva la descomposición ortogonal del espacio L 2 como Para cualquier señal o función, esto da una representación en funciones base de los subespacios correspondientes como donde los coeficientes son y L2=Vj0Wj0Wj01Wj02Wj03{\displaystyle L^{2}=V_{j_{0}}\oplus W_{j_{0}}\oplus W_{j_{0}-1}\oplus W_{j_{0}-2}\oplus W_{j_{0}-3}\oplus \cdots }SL2{\displaystyle S\in L^{2}}S=kdoj0,kϕj0,k+jj0kdj,kψj,k{\displaystyle S=\sum _{k}c_{j_{0},k}\phi _{j_{0},k}+\sum _{j\leq j_{0}}\sum _{k}d_{j,k}\psi _{j,k}}doj0,k=S,ϕj0,k{\displaystyle c_{j_{0},k}=\langle S,\phi _{j_{0},k}\rangle }dj,k=S,ψj,k.{\displaystyle d_{j,k}=\langle S,\psi _{j,k}\rangle .}

ondículas causales en el tiempo

Para procesar señales temporales en tiempo real, es fundamental que los filtros wavelet no accedan a valores de señal futuros y que se puedan obtener latencias temporales mínimas. Szu et al. [ 10 ] y Lindeberg [ 11 ] desarrollaron representaciones wavelet causales temporales , y este último método también incluye una implementación recursiva temporal que optimiza el uso de la memoria.

Ondícula madre

Para aplicaciones prácticas y por razones de eficiencia, se prefieren las funciones continuamente diferenciables con soporte compacto como ondículas madre (prototipo). Sin embargo, para satisfacer los requisitos analíticos (en la transformada wavelet continua) y, en general, por razones teóricas, se eligen las funciones wavelet de un subespacio del espacio Este es el espacio de funciones medibles de Lebesgue que son a la vez absolutamente integrables y de cuadrado integrable en el sentido de que yL1(R)L2(R).{\displaystyle L^{1}(\mathbb {R} )\cap L^{2}(\mathbb {R} ).}|ψ(t)|dt<{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }|\psi (t)|\,dt<\infty }|ψ(t)|2dt<.{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }|\psi (t)|^{2}\,dt<\infty .}

Estar en este espacio garantiza que uno pueda formular las condiciones de media cero y norma cuadrada uno: es la condición para media cero, y es la condición para norma cuadrada uno.ψ(t)dt=0{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }\psi (t)\,dt=0}|ψ(t)|2dt=1{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }|\psi (t)|^{2}\,dt=1}

Para que ψ sea una ondícula para la transformada continua de ondículas (véase allí la formulación exacta), la ondícula madre debe satisfacer un criterio de admisibilidad (en términos generales, una especie de semidiferenciabilidad) para obtener una transformada establemente invertible.

Para la transformada wavelet discreta , se requiere al menos la condición de que la serie wavelet sea una representación de la identidad en el espacio ( R ). La mayoría de las construcciones de la transformada wavelet discreta utilizan el análisis multirresolución , que define la wavelet mediante una función de escala. Esta función de escala es, a su vez, la solución de una ecuación funcional .

En la mayoría de las situaciones es útil restringir ψ a una función continua con un mayor número M de momentos nulos , es decir, para todo entero m < M.tmetroψ(t)dt=0.{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }t^{m}\,\psi (t)\,dt=0.}

La ondícula madre se escala (o dilata) por un factor a y se traslada (o desplaza) por un factor b para dar como resultado (según la formulación original de Morlet):

ψa,b(t)=1aψ(tba).{\displaystyle \psi _{a,b}(t)={1 \over {\sqrt {a}}}\psi \left({tb \over a}\right).}

Para la WT continua, el par ( a , b ) varía sobre todo el semiplano R + × R ; para la WT discreta, este par varía sobre un subconjunto discreto de la misma, que también se denomina grupo afín .

Estas funciones suelen denominarse erróneamente funciones base de la transformada (continua). De hecho, al igual que en la transformada continua de Fourier, no existe una base en la transformada wavelet continua. La interpretación tiempo-frecuencia utiliza una formulación sutilmente diferente (siguiendo a Delprat).

Restricción:

  1. 1aφa1,b1(t)φ(tba)dt{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {a}}}\int _{-\infty }^{\infty }\varphi _{a1,b1}(t)\varphi \left({\frac {tb}{a}}\right)\,dt}cuando a 1 = a y b 1 = b ,
  2. Ψ(t){\displaystyle \Psi (t)}tiene un intervalo de tiempo finito

Comparaciones con la transformada de Fourier (tiempo continuo)

La transformada wavelet se compara frecuentemente con la transformada de Fourier , en la que las señales se representan como una suma de sinusoides. De hecho, la transformada de Fourier puede considerarse un caso especial de la transformada wavelet continua, con la elección de la wavelet madre . La principal diferencia radica en que las wavelets están localizadas tanto en el tiempo como en la frecuencia, mientras que la transformada de Fourier estándar solo lo está en la frecuencia . La transformada de Fourier de tiempo corto (STFT) es similar a la transformada wavelet, ya que también está localizada en el tiempo y la frecuencia, pero presenta problemas con la relación de compromiso entre la resolución temporal y la frecuencia.ψ(t)=mi2πit{\displaystyle \psi (t)=e^{-2\pi it}}

En particular, asumiendo una región de ventana rectangular, se puede pensar en la STFT como una transformada con un núcleo ligeramente diferente donde a menudo se puede escribir como , donde y u denotan respectivamente la longitud y el desplazamiento temporal de la función de ventana. Usando el teorema de Parseval , se puede definir la energía de la ondícula como A partir de esto, el cuadrado del soporte temporal de la ventana desplazada en el tiempo u viene dado por ψ(t)=gramo(t)mi2πit{\displaystyle \psi (t)=g(tu)e^{-2\pi it}}gramo(t){\displaystyle g(tu)}recto(tΔt){\textstyle \operatorname {rect} \left({\frac {tu}{\Delta _{t}}}\right)}Δt{\displaystyle \Delta _{t}}mi=|ψ(t)|2dt=12π|ψ^(ω)|2dω{\displaystyle E=\int _{-\infty }^{\infty }|\psi (t)|^{2}\,dt={\frac {1}{2\pi }}\int _{-\infty }^{\infty }|{\hat {\psi }}(\omega )|^{2}\,d\omega }σu2=1E|tu|2|ψ(t)|2dt{\displaystyle \sigma _{u}^{2}={\frac {1}{E}}\int |t-u|^{2}|\psi (t)|^{2}\,dt}

y el cuadrado del soporte espectral de la ventana que actúa sobre una frecuenciaξ{\displaystyle \xi }σ^ξ2=12πE|ωξ|2|ψ^(ω)|2dω{\displaystyle {\hat {\sigma }}_{\xi }^{2}={\frac {1}{2\pi E}}\int |\omega -\xi |^{2}|{\hat {\psi }}(\omega )|^{2}\,d\omega }

La multiplicación con una ventana rectangular en el dominio del tiempo corresponde a la convolución con una función en el dominio de la frecuencia, lo que produce artefactos de oscilación espurios para ventanas temporales cortas o localizadas. Con la transformada de Fourier de tiempo continuo, esta convolución se realiza con una función delta en el espacio de Fourier, lo que da como resultado la verdadera transformada de Fourier de la señal . La función de ventana puede ser algún otro filtro de apodización , como una gaussiana . La elección de la función de ventana afectará el error de aproximación con respecto a la verdadera transformada de Fourier.sinc(Δtω){\displaystyle \operatorname {sinc} (\Delta _{t}\omega )}Δt{\displaystyle \Delta _{t}\to \infty }x(t){\displaystyle x(t)}

El producto tiempo-ancho de banda de una celda de resolución determinada no debe excederse con la STFT. Todos los elementos base de la STFT mantienen un soporte espectral y temporal uniforme para todos los desplazamientos o desfases temporales, logrando así una resolución temporal igual para frecuencias bajas y altas. La resolución está determinada exclusivamente por el ancho de muestreo.

En contraste, las propiedades multirresolución de la transformada wavelet permiten amplios soportes temporales para frecuencias bajas, manteniendo anchos temporales cortos para frecuencias altas gracias a las propiedades de escalado de la transformada wavelet. Esta propiedad extiende el análisis tiempo-frecuencia convencional al análisis tiempo-escala. [ 12 ]

Átomos tiempo-frecuencia de la STFT (izquierda) y átomos de escala temporal de la DWT (derecha). Los átomos tiempo-frecuencia son cuatro funciones base diferentes utilizadas para la STFT (es decir, se requieren cuatro transformadas de Fourier separadas ). Los átomos de escala temporal de la DWT logran anchos temporales pequeños para altas frecuencias y anchos temporales buenos para bajas frecuencias con un único conjunto de bases de transformación.

La transformada discreta de ondículas es menos compleja computacionalmente , con un tiempo de O( N ) en comparación con O( N  log N ) para la transformada rápida de Fourier (FFT). Esta ventaja computacional no es inherente a la transformada, sino que refleja la elección de una división logarítmica de la frecuencia, en contraste con las divisiones de frecuencia igualmente espaciadas de la FFT, que utiliza las mismas funciones base que la transformada discreta de Fourier (DFT). [ 13 ] Esta complejidad solo se aplica cuando el tamaño del filtro no tiene relación con el tamaño de la señal. Una ondícula sin soporte compacto , como la ondícula de Shannon, requeriría O( ). (Por ejemplo, también existe una transformada de Fourier logarítmica con una complejidad de O( N ), pero la señal original debe muestrearse logarítmicamente en el tiempo, lo que solo es útil para ciertos tipos de señales. [ 14 ] ) 

Definición de una ondícula

Una ondícula (o una familia de ondículas) se puede definir de varias maneras:

Filtro de escala

Una ondícula ortogonal se define completamente mediante el filtro de escalado: un filtro de respuesta de impulso finito (FIR) de paso bajo de longitud 2N y suma 1. En las ondículas biorthogonales , se definen filtros de descomposición y reconstrucción separados.

Para el análisis con ondículas ortogonales, el filtro de paso alto se calcula como el filtro espejo en cuadratura del filtro de paso bajo, y los filtros de reconstrucción son la inversión temporal de los filtros de descomposición.

Las ondículas de Daubechies y Symlet se pueden definir mediante el filtro de escala.

Función de escala

Las ondículas se definen mediante la función ondícula ψ( t ) (es decir, la ondícula madre) y la función de escala φ( t ) (también llamada ondícula padre) en el dominio del tiempo.

La función wavelet actúa como un filtro paso banda y un escalado que reduce a la mitad el ancho de banda para cada nivel. Esto genera el problema de que, para cubrir todo el espectro, se requeriría un número infinito de niveles. La función de escalado filtra el nivel más bajo de la transformada y garantiza la cobertura de todo el espectro. Véase [ 15 ] para una explicación detallada.

Para una ondícula con soporte compacto, φ( t ) puede considerarse de longitud finita y es equivalente al filtro de escala g .

Las ondículas de Meyer se pueden definir mediante funciones de escala.

función wavelet

La ondícula solo tiene una representación en el dominio del tiempo como la función de ondícula ψ( t ).

Por ejemplo, las ondículas de sombrero mexicano se pueden definir mediante una función ondícula. Consulte una lista de algunas ondículas continuas .

Historia

El desarrollo de las ondículas se puede vincular a varias líneas de pensamiento distintas, comenzando con el trabajo de Alfréd Haar a principios del siglo XX. El trabajo posterior de Dennis Gabor dio lugar a los átomos de Gabor (1946), que se construyen de forma similar a las ondículas y se aplican con fines similares.

Las contribuciones notables a la teoría de ondículas desde entonces pueden atribuirse al descubrimiento de George Zweig de la transformada continua de ondículas (CWT) en 1975 (originalmente llamada transformada coclear y descubierta mientras estudiaba la reacción del oído al sonido), [ 16 ] la formulación de Pierre Goupillaud, Alex Grossmann y Jean Morlet de lo que ahora se conoce como la CWT (1982), el trabajo inicial de Jan-Olov Strömberg sobre ondículas discretas (1983), el banco de filtros no ortogonales de Le Gall-Tabatabai (LGT) de 5/3 taps con fase lineal (1988), [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] las ondículas ortogonales con soporte compacto de Ingrid Daubechies (1988), el marco de multirresolución no ortogonal de Stéphane Mallat (1989), el QMF binomial de Ali Akansu (1990), Nathalie Delprat Interpretación tiempo-frecuencia de la CWT (1991), la transformada wavelet armónica de Newland (1993) y la partición de conjuntos en árboles jerárquicos (SPIHT) desarrollada por Amir Said con William A. Pearlman en 1996. [ 20 ]

El estándar JPEG 2000 fue desarrollado entre 1997 y 2000 por un comité del Joint Photographic Experts Group (JPEG) presidido por Touradj Ebrahimi (posteriormente presidente de JPEG). [ 21 ] A diferencia del algoritmo DCT utilizado por el formato JPEG original , JPEG 2000 utiliza algoritmos de transformada discreta de ondículas (DWT). Utiliza la transformada de ondículas CDF 9/7 (desarrollada por Ingrid Daubechies en 1992) para su algoritmo de compresión con pérdida , y el banco de filtros de tiempo discreto Le Gall-Tabatabai (LGT) 5/3 (desarrollado por Didier Le Gall y Ali J. Tabatabai en 1988) para su algoritmo de compresión sin pérdida . [ 22 ] La tecnología JPEG 2000 , que incluye la extensión Motion JPEG 2000 , fue seleccionada como el estándar de codificación de vídeo para cine digital en 2004. [ 23 ]

Cronología

transformadas wavelet

Una ondícula es una función matemática que se utiliza para dividir una función o señal de tiempo continuo en diferentes componentes de escala. Generalmente, se puede asignar un rango de frecuencia a cada componente de escala. Cada componente de escala se puede estudiar con una resolución que se ajuste a su escala. Una transformada wavelet es la representación de una función mediante ondículas. Las ondículas son copias escaladas y trasladadas (conocidas como "ondículas hijas") de una forma de onda oscilante de longitud finita o de rápida atenuación (conocida como "ondícula madre"). Las transformadas wavelet presentan ventajas sobre las transformadas de Fourier tradicionales para representar funciones con discontinuidades y picos pronunciados, y para deconstruir y reconstruir con precisión señales finitas, no periódicas y/o no estacionarias .

Las transformadas wavelet se clasifican en transformadas wavelet discretas (DWT) y transformadas wavelet continuas (CWT). Cabe destacar que tanto las DWT como las CWT son transformadas de tiempo continuo (analógicas). Se pueden utilizar para representar señales de tiempo continuo (analógicas). Las CWT operan sobre cualquier escala y traslación posibles, mientras que las DWT utilizan un subconjunto específico de valores de escala y traslación o una cuadrícula de representación.

Existen numerosas transformadas wavelet, cada una adecuada para diferentes aplicaciones. Para obtener una lista completa, consulte la lista de transformadas wavelet, pero las más comunes se enumeran a continuación:

Transformaciones generalizadas

Existen diversas transformaciones generalizadas, de las cuales la transformada wavelet es un caso particular. Por ejemplo, Yosef Joseph Segman introdujo la escala en el grupo de Heisenberg , dando lugar a un espacio de transformada continuo que depende del tiempo, la escala y la frecuencia. La transformada wavelet continua (CWT) es una sección bidimensional del volumen tridimensional resultante de tiempo, escala y frecuencia.

Otro ejemplo de una transformación generalizada es la transformada chirplet, en la que la CWT es también una sección bidimensional a través de la transformada chirplet.

Un área de aplicación importante para las transformaciones generalizadas involucra sistemas en los que la alta resolución de frecuencia es crucial. Por ejemplo, las transformaciones ópticas electrónicas de campo oscuro intermedias entre el espacio directo y el recíproco se han utilizado ampliamente en el análisis armónico de la agrupación de átomos, es decir, en el estudio de cristales y defectos cristalinos . [ 24 ] Ahora que los microscopios electrónicos de transmisión son capaces de proporcionar imágenes digitales con información a escala de picómetros sobre la periodicidad atómica en nanoestructuras de todo tipo, el rango de aplicaciones de reconocimiento de patrones [ 25 ] y deformación [ 26 ] / metrología [ 27 ] para transformaciones intermedias con alta resolución de frecuencia (como brushlets [ 28 ] y ridgelets [ 29 ] ) está creciendo rápidamente.

La transformada wavelet fraccionaria (FRWT) es una generalización de la transformada wavelet clásica en los dominios de la transformada de Fourier fraccionaria. Esta transformada es capaz de proporcionar simultáneamente información en los dominios temporal y fraccionario, y de representar señales en el plano tiempo-frecuencia fraccionaria. [ 30 ]

Aplicaciones

Generalmente, se utiliza una aproximación a la DWT para la compresión de datos si la señal ya está muestreada, y la CWT para el análisis de señales . [ 31 ] [ 32 ] Por lo tanto, la aproximación DWT se usa comúnmente en ingeniería e informática, [ 33 ] y la CWT en investigación científica. [ 34 ]

Al igual que otras transformaciones, las transformaciones wavelet se pueden usar para transformar datos y luego codificar los datos transformados, lo que resulta en una compresión efectiva. Por ejemplo, JPEG 2000 es un estándar de compresión de imágenes que utiliza wavelets biorthogonales. Esto significa que, aunque el marco es sobrecompleto, es un marco ajustado (ver tipos de marcos de un espacio vectorial ), y las mismas funciones de marco (excepto la conjugación en el caso de wavelets complejas) se usan tanto para el análisis como para la síntesis, es decir, tanto en la transformada directa como en la inversa. Para más detalles, ver compresión wavelet .

Un uso relacionado es el suavizado/reducción de ruido de datos mediante umbralización de coeficientes wavelet, también conocida como reducción wavelet. Al aplicar un umbral adaptativo a los coeficientes wavelet que corresponden a componentes de frecuencia no deseados, se pueden realizar operaciones de suavizado y/o reducción de ruido.

Las transformadas wavelet también están empezando a utilizarse en aplicaciones de comunicación. La modulación OFDM wavelet es el esquema de modulación básico utilizado en HD-PLC (una tecnología de comunicaciones por línea eléctrica desarrollada por Panasonic ) y en uno de los modos opcionales incluidos en el estándar IEEE 1901. La modulación OFDM wavelet puede lograr muescas más profundas que la OFDM FFT tradicional y no requiere un intervalo de guarda (que suele representar una sobrecarga significativa en los sistemas OFDM FFT). [ 35 ]

Como representación de una señal

A menudo, las señales se pueden representar bien como una suma de sinusoides. Sin embargo, consideremos una señal no continua con una discontinuidad abrupta; esta señal aún se puede representar como una suma de sinusoides, pero requiere un número infinito, lo que se conoce como fenómeno de Gibbs . Esto, a su vez, requiere un número infinito de coeficientes de Fourier, lo cual no es práctico para muchas aplicaciones, como la compresión. Las ondículas son más útiles para describir estas señales con discontinuidades debido a su comportamiento localizado en el tiempo (tanto las transformadas de Fourier como las de ondículas están localizadas en frecuencia, pero las ondículas tienen una propiedad adicional de localización temporal). Debido a esto, muchos tipos de señales en la práctica pueden ser no dispersos en el dominio de Fourier, pero muy dispersos en el dominio de ondículas. Esto es particularmente útil en la reconstrucción de señales, especialmente en el campo recientemente popular de la detección comprimida . (Cabe señalar que la transformada de Fourier de tiempo corto (STFT) también está localizada en el tiempo y la frecuencia, pero a menudo presenta problemas con la relación entre la resolución temporal y la frecuencia. Las ondículas ofrecen mejores representaciones de señales debido al análisis multirresolución ).

Esto motiva por qué las transformadas wavelet se están adoptando ahora para una gran cantidad de aplicaciones, reemplazando a menudo la transformada de Fourier convencional . Muchas áreas de la física han visto este cambio de paradigma, incluyendo dinámica molecular , teoría del caos , [ 36 ] cálculos ab initio , astrofísica , análisis de datos transitorios de ondas gravitacionales , [ 37 ] [ 38 ] localización de matriz de densidad , sismología , óptica , turbulencia y mecánica cuántica . Este cambio también ha ocurrido en procesamiento de imágenes , EEG , EMG , [ 39 ] análisis de ECG , ritmos cerebrales , análisis de ADN , análisis de proteínas , climatología , análisis de respuesta sexual humana, [ 40 ] procesamiento general de señales , reconocimiento de voz , acústica, señales de vibración, [ 41 ] gráficos por computadora , análisis multifractal y codificación dispersa . En visión por computadora y procesamiento de imágenes , la noción de representación en el espacio de escalas y operadores de derivada gaussiana se considera una representación multiescala canónica.

eliminación de ruido mediante ondículas

Eliminación de ruido de señal mediante umbralización por transformada wavelet

Supongamos que medimos una señal ruidosa , donde representa la señal y representa el ruido. Supongamos que tiene una representación dispersa en una determinada base de ondículas, yx=s+v{\displaystyle x=s+v}s{\displaystyle s}v{\displaystyle v}s{\displaystyle s}v  N(0,σ2I){\displaystyle v\ \sim \ {\mathcal {N}}(0,\,\sigma ^{2}I)}

Sea la transformada wavelet de , donde es la transformada wavelet del componente de señal y es la transformada wavelet del componente de ruido.x{\displaystyle x}y=WTx=WTs+WTv=p+z{\displaystyle y=W^{T}x=W^{T}s+W^{T}v=p+z}p=WTs{\displaystyle p=W^{T}s}z=WTv{\displaystyle z=W^{T}v}

La mayoría de los elementos son 0 o cercanos a 0, yp{\displaystyle p}z   N(0,σ2I){\displaystyle z\ \sim \ \ {\mathcal {N}}(0,\,\sigma ^{2}I)}

Dado que es ortogonal, el problema de estimación se reduce a la recuperación de una señal en ruido gaussiano i.i.d. . Como es disperso, un método consiste en aplicar un modelo de mezcla gaussiana para .W{\displaystyle W}p{\displaystyle p}p{\displaystyle p}

Supongamos una distribución previa , donde es la varianza de los coeficientes "significativos" y es la varianza de los coeficientes "no significativos".p  aN(0,σ12)+(1a)N(0,σ22){\displaystyle p\ \sim \ a{\mathcal {N}}(0,\,\sigma _{1}^{2})+(1-a){\mathcal {N}}(0,\,\sigma _{2}^{2})}σ12{\displaystyle \sigma _{1}^{2}}σ22{\displaystyle \sigma _{2}^{2}}

Luego , se llama factor de contracción, que depende de las varianzas previas y . Al establecer a cero los coeficientes que caen por debajo de un umbral de contracción, una vez que se aplica la transformada inversa, se pierde una cantidad esperadamente pequeña de señal debido a la suposición de escasez. Se espera que los coeficientes más grandes representen principalmente la señal debido a la escasez, y estadísticamente se espera que muy poca señal, aunque la mayor parte del ruido, esté representada en dichos coeficientes de menor magnitud... por lo tanto, se espera que la operación de anulación elimine la mayor parte del ruido y no mucha señal. Normalmente, los coeficientes por encima del umbral no se modifican durante este proceso. Algunos algoritmos para la eliminación de ruido basada en ondículas también pueden atenuar los coeficientes más grandes, basándose en una estimación estadística de la cantidad de ruido que se espera que se elimine con dicha atenuación.p~=E(p/y)=τ(y)y{\displaystyle {\tilde {p}}=E(p/y)=\tau (y)y}τ(y){\displaystyle \tau (y)}σ12{\displaystyle \sigma _{1}^{2}}σ22{\displaystyle \sigma _{2}^{2}}

Por último, aplique la transformada wavelet inversa para obteners~=Wp~{\displaystyle {\tilde {s}}=W{\tilde {p}}}

Red climática multiescala

Agarwal et al. propusieron métodos lineales avanzados [ 42 ] y no lineales [ 43 ] basados ​​en ondículas para construir e investigar el clima como redes complejas en diferentes escalas temporales. Las redes climáticas construidas utilizando conjuntos de datos SST en diferentes escalas temporales afirmaron que el análisis multiescala basado en ondículas de los procesos climáticos promete una mejor comprensión de la dinámica del sistema que puede pasarse por alto cuando los procesos se analizan en una sola escala temporal [ 44 ].

Lista de ondículas

Ondículas discretas

ondículas continuas

Valor real

Valor complejo

Véase también

Referencias

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