Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
2808.Введение в математическое моделирование..pdf
Скачиваний:
111
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
38.88 Mб
Скачать

двух вихрей одного масштаба, расположенных друг от друга на

расстоянии р ^ 2, равном среднему расстоянию между вихрями

данного масштаба. Такая оценка дает для функций (6.76) значение порядка 0 ,1.

6.15. ВЕЙВЛЕТЫ

Ошибки в исследованиях обычно проистекают из свойственной человеческому разуму склонности недооценивать или же преувеличивать значение исследуемого предмета из-за неверного определения его удаленности от нас.

Э. По

Всамых разных областях науки возникают задачи, связанные

санализом пространственных полей со сложной, многомасштаб­ ной структурой либо временных сигналов с меняющимся со вре­ менем спектральным составом. Эти задачи заставляли исследовате­ лей пытаться построить специальные функциональные разложения, близкие по своей идеологии описанному выше иерархическому базису. Центральной идеей всех этих подходов было использова­ ние базиса, каждая функция которого характеризует как опреде­ ленную пространственную (временную) частоту, так и место ее локализации в физическом пространстве (во времени).

Слово «вейвлет» (от англ, wavelet —маленькая волна или рябь) было введено А.Гроссманном и Ж.Морле в 1984 г. в [123], посвя­ щенной проблеме анализа сейсмических сигналов, в которых тре­ буется выделить и время (положение) всплеска в сигнале, и его спектральный состав (масштаб). Статья, где были сформулирова­ ны основные определения и доказаны основополагающие теоремы, вызвала огромный интерес, и уже к началу 90-х годов вейвлет-ана­ лиз превратился в развитую область математической физики, на­ шедшую широкое применение в задачах анализа временных сиг­ налов, распознавания образов и синтеза изображений, шифровки

идешифровки информации и многих других.

Как уже отмечалось, вейвлеты используются как при анализе временных сигналов, так и при исследовании структуры простран­ ственных полей. Временные ряды представляют собой одномерный сигнал, и все основные идеи проще продемонстрировать на зада­ чах анализа временных последовательностей. По этой причине

314

забудем на некоторое время о пространственных полях и переклю­ чимся на сигналы вида ДО-

Первая попытка построить функциональный базис, состоящий из функций, каждая из которых характеризует пульсации опре­ деленной продолжительности в конкретный момент времени, принадлежит А.Хаару (1909). Первые семь функций Хаара, пост­ роенные на единичном отрезке, показаны на рис. 6.14. Каждая функция представляет собой пару следующих друг за другом пря­ моугольных импульсов с разными знаками и одинаковой длитель­ ностью. Среднее значение любой функции равно нулю, а совокуп­ ность функций образует полный ортонормированный базис. Каж­ дая функция строго локализована в физическом пространстве (во времени), но характеризуется медленно спадающим спектром ча­ стот (как 1/v).

Следующим шагом стали функции Литлвуда—Пелли (1937). Именно это семейство функций получается при построении одно­ мерного иерархического базиса. Функции строятся путем выреза­ ния полосы Частот в пространстве Фурье. Это дает строгую лока-

лизацию в пространстве частот, но медленное затухание функции в физическом пространстве (во времени): функции описывают осцилляции, амплитуда которых падает как 1/t.

Важным этапом в развитии идеи локального анализа спект­ ральных (частотных) свойств стало преобразование Габора (1946), называемое также фурье-преобразованием в окнах. Функции Габо­ ра представляют собой гармонический сигнал, модулированный функцией Гаусса. Они хорошо локализованы и во времени, и в ча­ стотах, но каждая функция Габора характеризуется тремя парамет­ рами: положением центра окна /0, шириной окна т и частотой осцилляций v (рис. 6.15). При этом функции различного масшта­ ба не являются подобными (имеют различное число осцилляций).

Вейвлеты объединили в себе два важных свойства: подобие и выраженную локализованность в физическом и фурье-простран- ствах. Сформулируем требования, которым должно удовлетворять семейство функций, чтобы быть вейвлетами.

1. Допустимость. Функция у(0 , которую будем называть ана

лизирующим вейвлетом (употребляют также термин материнский вейвлет), должна иметь нулевое среднее значение:2

j\K')<*=0. (6.79)

2 . Подобие. Все функции семейства получаются из анализи рующего вейвлета путем масштабного преобразования и сдвига,

Таким образом, вейвлеты образуют двухпараметрическое се­ мейство функций, в котором параметр а отвечает за масштаб (ра­ стяжение) функции, а параметр b —за ее положение (сдвиг).

3.Обратимость. Вейвлет-преобразование должно быть обрати­ мо, т.е. должно существовать обратное преобразование, однозначно восстанавливающее исходную функцию по ее вейвлет-представле­ нию.

4.Регулярность. Функция v|/(f) должна быть хорошо локали­ зована и в физическом пространстве, и в пространстве Фурье.

Согласно последнему требованию, и функции Хаара, и функ­ ции Литлвуда —Пелли не попадают под определение вейвлетов. По сути, они являют собой два предельных случая (в одном слу­ чае резкие границы в физическом пространстве приводят к беско­ нечным «хвостам» в пространстве частот и, наоборот, обрыв в пространстве частот дает бесконечные «хвосты» в физическом про­ странстве).

Вотличие от преобразования Фурье, вейвлет-преобразование допускает широкий выбор анализирующей функции. Согласно первому требованию, вейвлет всегда является знакопеременной функцией, включающей обычно небольшое количество осцилля­ ций. Выбор конкретного вида вейвлета зависит от целей проводи­ мого анализа.

Приведем несколько примеров широко используемых вейвле­

тов. Простым вещественным вейвлетом, применяемым в задачах, требующих хорошего пространственного разрешения и не требо­ вательных к спектральному разрешению, является вейвлет, полу­ чивший название «мексиканская шляпа» (рис. 6.16,а):

у (0 = (1 - f2)е~{2!2.

(6.80)

В задачах, требующих лучшего спектрального разрешения, часто используется вейвлет Морле —комплексная функция вида

Y(0 = e-'2/V 4 '

(6-81)

На рис. 6.16,5 сплошной линией показана его вещественная часть, а штриховой - мнимая. Сама функция (6.81) совпадает с ви­ дом функций, используемых в преобразовании Габора, но семей­ ство вейвлетов отличается от функций Габора тем, что один раз выбрав частоту <в0 для анализирующего вейвлета и задав тем са­ мым число осцилляций, мы в дальнейшем сжимаем или растяги­ ваем функцию как целое, не нарушая подобия отдельных функций семейства.