小波(wavelet)压缩算法详解

[日期:2007-04-30]
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  wavelet源起於joseph fourier的热力学公式。傅利叶方程式在十九世纪初期由joseph fourier (1768-1830)所提出,为现代信号分析奠定了基础。在十九到二十世纪的基础数学研究领域也占了极重要的地位。fourier提出了任一方程式,甚至是画出不连续图形的方程式,都可以有一单纯的分析式来表示。小波分析是近几年来才发展出来的数学理论为傅利叶方程式的延伸。

  小波分析方法的提出可追溯到1910年haar提出的小波规范正交基。其後1984年,法国地球物理学j. morlet在分析地震波的局部性质时,发现传统的傅利叶转换,难以达到其要求,因此引进小波概念於信号分析中,对信号进行分解。随後理论物理学家a.grossman对morlet的这种信号根据一个确定函数的伸缩,平移系 { a -1/2 ψ[(x-b)/a] ;a,b?r ,a≠0}展开的可行性进行了研究,为小波分析的形成开了先河。

  1986年,y. meyer建构出具有一定衰减性的光滑函数ψj,k(x),其二进制伸缩与平移系 {ψj,k(x)=√2jψ(2jx-k);j,k?z}构成l2(r)的规范正交基。1987年,mallat巧妙的将多分辨分析的思想引入到小波分析中,建构了小波函数的构造及信号按小波转换的分解及重构。1988年daubechies建构了具有正交性(orthonormal)及紧支集(compactly supported);及只有在一有限区域中是非零的小波,如此,小波分析的系统理论得到了初步建立。

  wavelet的压缩概念

  wavelet架在三个主要的基础理论之上,分别是阶层式边码(pyramid coding)、滤波器组理论(filter bank theory)、以及次旁带编码(subband coding),可以说wavelet transform统合了此三项技术。小波转换能将各种交织在一起的不同频率组成的信号,分解成不相同频率的信号,因此能有效的应用於编码、解码、检测边缘、压缩数据,及将非线性问题线性化。良好的分析局部的时间区域与频率区域的信号,弥补傅利叶转换中的缺失,也因此小波转换被誉为数学显微镜。

  wavelet并不会保留所有的原始资料,而是选择性的保留了必要的部份,以便经由数学公式推算出其原始资料,可能不是非常完整,但是可以非常接近原始资料。至於影像中什度要保留,什麽要舍弃,端看能量的大小储存(跟波长与频率有关)。以较少的资料代替原来的资料,达到压缩资料的目的,这种经由取舍资料而达到压缩目地的作法,是近代数位影像编码技术的一项突破。即是wavelet的概念引入编码技术中。

  wavelet转换在数位影像转换技术上算是新秀,然而在太空科技早已行之有年,像探测卫星和哈柏望远镜传输影像回地球,和医学上的光纤影像,早就开始用wavelet的原理压缩/还原影像资料,而且有压缩率极佳与原影重现的效果。

  以往lossless的编码法只着重压缩演算法的表现,将数位化的影像资料一丝不漏的送去压缩,所以还原回来的资料和原始资料分毫无差,但是此种压缩法的压缩率不佳。 将数位化的影像资料转换成利於编码的资料型态,控制解码後影像的品质,选择适当的编码法,而且还在撷取图形资料时,先帮资料「减肥」。如此才是wavelet编码法主要的观念。



来源:千家网
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