[科普中國]-小波分析

7產(chǎn)生歷史

小波變換的概念是由法國從事石油信號處理的工程師J.Morlet在1974年首先提出的，通過物理的直觀和信號處理的實際經(jīng)驗的需要建立了反演公式，當時未能得到數(shù)學家的認可。正如1807年法國的熱學工程師J.B.J.Fourier提出任一函數(shù)都能展開成三角函數(shù)的無窮級數(shù)的創(chuàng)新概念未能得到著名數(shù)學家J.L.Lagrange，P.S.Laplace以及A.M.Legendre的認可一樣。幸運的是，早在七十年代，A.Calderon表示定理的發(fā)現(xiàn)、Hardy空間的原子分解和無條件基的深入研究為小波變換的誕生做了理論上的準備，而且J.O.Stromberg還構造了歷史上非常類似于當前的小波基；1986年著名數(shù)學家Y.Meyer偶然構造出一個真正的小波基，并與S.Mallat合作建立了構造小波基的統(tǒng)一方法加多尺度分析之后，小波分析才開始蓬勃發(fā)展起來，其中比利時女數(shù)學家I.Daubechies撰寫的《小波十講（Ten Lectures on Wavelets）》對小波的普及起了重要的推動作用。它與Fourier變換、窗口Fourier變換（Gabor變換）相比，這是一個時間和頻率的局域變換，因而能有效的從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析（Multiscale Analysis），解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題，從而小波變化被譽為“數(shù)學顯微鏡”，它是調(diào)和分析發(fā)展史上里程碑式的進展。1

基本原理小波函數(shù)源于多分辨分析，其基本思想是將擴中的函數(shù)f(t)表示為一系列逐次逼近表達式, 其中每一個都是f(t)動經(jīng)過平滑后的形式，它們分別對應不同的分辨率。多分辨分析又稱多尺度分析，是建立在函數(shù)空間概念基礎上的理論，其思想的形成來源于工程。創(chuàng)建者Mallat .S是在研究圖像處理問題時建立這套理論的。當時人們研究圖像的一種很普遍的方法是將圖像在不同尺度下分解，并將結果進行比較，以取得有用的信息。Meyer正交小波基的提出，使得Mallat想到是否用正交小波基的多尺度特性將圖像展開，以得到圖像不同尺度間的“ 信息增量” 。這種思想導致了多分辨分析理論的建立。MRA不僅為正交小波基的構造提供了一種簡單的方法，而且為正交小波變換的快速算法提供了理論依據(jù)。其思想又同多采樣率濾波器組不謀而合，使我們又可將小波變換同數(shù)學濾波器的理論結合起來。因此，多分辨分析在正交小波變換理論中具有非常重要的地位。2

分析方法小波分析的應用是與小波分析的理論研究緊密地結合在一起地。它已經(jīng)在科技信息產(chǎn)業(yè)領域取得了令人矚目的成就。 電子信息技術是六大高新技術中重要的一個領域，它的重要方面是圖像和信號處理。現(xiàn)今，信號處理已經(jīng)成為當代科學技術工作的重要部分，信號處理的目的就是：準確的分析、診斷、編碼壓縮和量化、快速傳遞或存儲、精確地重構（或恢復）。從數(shù)學地角度來看，信號與圖像處理可以統(tǒng)一看作是信號處理（圖像可以看作是二維信號），在小波分析地許多分析的許多應用中，都可以歸結為信號處理問題。對于其性質(zhì)隨時間是穩(wěn)定不變的信號，處理的理想工具仍然是傅立葉分析。但是在實際應用中的絕大多數(shù)信號是非穩(wěn)定的，而特別適用于非穩(wěn)定信號的工具就是小波分析。

發(fā)展現(xiàn)狀小波分析是當前應用數(shù)學和工程學科中一個迅速發(fā)展的新領域，經(jīng)過近30年的探索研究，重要的數(shù)學形式化體系已經(jīng)建立，理論基礎更加扎實。與Fourier變換相比，小波變換是空間(時間)和頻率的局部變換，因而能有效地從信號中提取信息。通過伸縮和平移等運算功能可對函數(shù)或信號進行多尺度的細化分析，解決了Fourier變換不能解決的許多困難問題。小波變換聯(lián)系了應用數(shù)學、物理學、計算機科學、信號與信息處理、圖像處理、地震勘探等多個學科。數(shù)學家認為，小波分析是一個新的數(shù)學分支，它是泛函分析、Fourier分析、樣條分析、數(shù)值分析的完美結晶；信號和信息處理專家認為，小波分析是時間—尺度分析和多分辨分析的一種新技術，它在信號分析、語音合成、圖像識別、計算機視覺、數(shù)據(jù)壓縮、地震勘探、大氣與海洋波分析等方面的研究都取得了有科學意義和應用價值的成果。

小波分析是當前數(shù)學中一個迅速發(fā)展的新領域，它同時具有理論深刻和應用十分廣泛的雙重意義。

應用領域事實上小波分析的應用領域十分廣泛，它包括：數(shù)學領域的許多學科；信號分析、圖像處理；量子力學、理論物理；軍事電子對抗與武器的智能化；計算機分類與識別；音樂與語言的人工合成；醫(yī)學成像與診斷；地震勘探數(shù)據(jù)處理；大型機械的故障診斷等方面；例如，在數(shù)學方面，它已用于數(shù)值分析、構造快速數(shù)值方法、曲線曲面構造、微分方程求解、控制論等。在信號分析方面的濾波、去噪聲、壓縮、傳遞等。在圖像處理方面的圖像壓縮、分類、識別與診斷，去污等。在醫(yī)學成像方面的減少B超、CT、核磁共振成像的時間，提高分辨率等。

(1)小波分析用于信號與圖像壓縮是小波分析應用的一個重要方面。它的特點是壓縮比高，壓縮速度快，壓縮后能保持信號與圖像的特征不變，且在傳遞中可以抗干擾?；谛〔ǚ治龅膲嚎s方法很多，比較成功的有小波包最好基方法，小波域紋理模型方法，小波變換零樹壓縮，小波變換向量壓縮等。

(2)小波在信號分析中的應用也十分廣泛。它可以用于邊界的處理與濾波、時頻分析、信噪分離與提取弱信號、求分形指數(shù)、信號的識別與診斷以及多尺度邊緣檢測等。

(3)在工程技術等方面的應用。包括計算機視覺、計算機圖形學、曲線設計、湍流、遠程宇宙的研究與生物醫(yī)學方面。

應用前景小波分析的應用前景如下：2

1、瞬態(tài)信號或圖像的突變點常包含有很重要的故障信息, 例如，機械故障、電力系統(tǒng)故障、腦電圖、心電圖中的異常、地下目標的位置及形狀等，都對應于測試信號的突變點。雖然這些問題發(fā)生的背景不同，但都可以歸結到如何提取信號中突變點的位置及判定其奇異性(或光滑性) 的問題。對圖像來說，急劇變化的點通常對應于代表圖像結構的邊緣部位，也就是圖像信息的主要部分。掌握了它，也就掌握了圖像的基本特征，因此，小波分析在故障檢測和信號的多尺度邊緣特征提取方面的應用具有廣泛的應用前景。

2、神經(jīng)網(wǎng)絡與小波分析相結合, 分形幾何與小波分析相結合是國際上研究的熱點之一?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡的智能處理技術, 模糊計算、進化計算與神經(jīng)網(wǎng)絡結合的研究, 沒有小波理論的嵌人很難取得突破。非線性科學的研究正呼喚小波分析, 也許非線性小波分析是解決非線性科學問題的理想工具。

3、小波分析用于數(shù)據(jù)或圖像的壓縮，目前絕大多數(shù)是對靜止圖像進行研究的。面向網(wǎng)絡的活動圖像壓縮, 長期以來主要是采用離散余弦變換(DCT）加運動補償（MC） 作為編碼技術，然而，該方法存在兩個主要的問題：方塊效應和蚊式噪聲。利用小波分析的多尺度分析不但可以克服上述問題，而且可首先得到粗尺度上圖像的輪廓，然后決定是否需要傳輸精細的圖像，以提高圖像的傳輸速度。因此, 研究面向網(wǎng)絡的低速率圖像壓縮的小波分析并行算法，具有較高探索性和新穎性，同時也具有較高的應用價值和廣泛的應用前景。

4、目前使用的二維及高維小波基主要是可分離的，不可分離二維及高維小波基的構造、性質(zhì)及其應用研究, 由于理論上較為復雜，這方面的成果甚少。也許向量小波及高維小波的研究能夠為小波分析的應用開創(chuàng)一個新天地。