
数学において、ウェーブレット級数は、ウェーブレットによって生成される特定の正規直交級数による二乗可積分(実数値または複素数値)関数の表現です。この記事では、正規直交ウェーブレットと積分ウェーブレット変換の正式な数学的定義を提供します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
関数ヒルベルト基底、すなわち実数直線上の二乗可積分関数のヒルベルト空間に対する完全な正規直交系を定義するために使用できる場合、それは正規直交ウェーブレットと呼ばれます。
ヒルベルト基底は関数の族として構成される二 項変換と拡大によって、 整数の場合。
標準内積の下で、 この族が正規直交系であるならば、それは正規直交系である。 どこはクロネッカーデルタです。
すべての関数が満たされれば、完全性が満たされる。基礎において拡張される可能性がある
級数の収束はノルム収束として理解される。このような表現はこれはウェーブレット系列として知られています。これは、正規直交ウェーブレットが自己双対であることを意味します。
積分ウェーブレット変換は、次のように定義される 積分変換である。 ウェーブレット係数は次のように与えられる。
ここ、これは二進膨張または二進膨張と呼ばれ、は二項または二進位置です。
ウェーブレット変換の基本的な考え方は、変換は時間的拡張のみを許容し、形状は許容しないというものであり、適切な基底関数の選択に制約を課します。時間的拡張の変化は、基底関数の対応する解析周波数に適合することが期待されます。信号処理の不確定性原理に基づき、
時間分解能の要求値が高いほど、周波数分解能は低くする必要があります。解析ウィンドウの拡張範囲を大きく選択するほど、。

いつ大きい
いつ小さい
言い換えれば、基底関数関数を持つシステムのインパルス応答とみなすことができるフィルタリングされています。変換された信号は、時間と周波数に関する情報を提供します。したがって、ウェーブレット変換は、短時間フーリエ変換と同様の情報を含みますが、基底関数のより高い解析周波数で時間分解能に現れるウェーブレットの特別な特性が追加されています。フーリエ変換とウェーブレット変換の周波数上昇時の時間分解能の違いを以下に示します。ただし、周波数分解能は周波数の増加とともに減少し、時間分解能は増加することに注意してください。フーリエの不確定性原理のこの結果は、図には正しく表示されていません。

これは、ウェーブレット変換が高周波の時間分解能に優れている一方で、緩やかに変化する関数においては周波数分解能が顕著であることを示している。
別の例:3つの重ね合わせた正弦波信号の解析STFTとウェーブレット変換を用いて。

ウェーブレット圧縮は、画像圧縮(場合によってはビデオ圧縮や音声圧縮にも)に適したデータ圧縮の一種です。注目すべき実装としては、静止画用のJPEG 2000、DjVu、ECW 、 JPEG XS、CineForm、BBCのDiracなどがあります。目標は、画像データをファイル内のできるだけ小さなスペースに保存することです。ウェーブレット圧縮は、可逆圧縮または非可逆圧縮のいずれかです。[ 5 ]
まず、ウェーブレット変換が適用されます。これにより、画像内のピクセル数と同じ数の係数が生成されます(つまり、これは単なる変換なので、まだ圧縮は行われていません)。これらの係数は、情報が統計的に少数の係数に集中しているため、より簡単に圧縮できます。この原理は変換符号化と呼ばれます。その後、係数が量子化され、量子化された値はエントロピー符号化および/またはランレングス符号化されます。
ウェーブレット圧縮の1Dおよび2Dアプリケーションのいくつかでは、「ウェーブレットフットプリント」と呼ばれる技術が使用されています。[ 6 ] [ 7 ]
ほとんどの自然画像では、低周波数のスペクトル密度が高い。[ 8 ]その結果、一般的に低周波数信号(参照信号)の情報は保持される一方、詳細信号の情報は破棄される。画像圧縮と再構成の観点から、ウェーブレットは画像圧縮を実行する際に以下の基準を満たす必要がある。
ウェーブレット画像圧縮システムは、フィルタと間引き処理を用いるため、線形シフトバリアントシステムと表現できます。典型的なウェーブレット変換図を以下に示します。

変換システムには2つの分析フィルタ(ローパスフィルタ)が含まれています。そしてハイパスフィルター)、間引き処理、補間処理、および 2 つの合成フィルタ (そして圧縮・再構成システムは一般的に低周波成分を含み、これは分析フィルタである。画像圧縮および合成フィルタ用再構築のため。このようなシステムを評価するには、インパルスを入力できます。そしてその再構築を観察する; 最適なウェーブレットは、シフト分散とサイドローブを最小限に抑えるものです。厳密なシフト分散を持つウェーブレットは現実的ではないが、わずかなシフト分散を持つウェーブレットを選択することは可能である。例えば、2 つのフィルタのシフト分散を比較することができる。[ 9 ]
2つのフィルタのインパルス応答を観察することで、2番目のフィルタは入力位置に対する感度が低い(つまり、シフト変動が少ない)と結論付けることができる。
画像圧縮と再構成におけるもう一つの重要な課題は、システムの振動挙動であり、これは再構成画像に深刻な望ましくないアーティファクトを引き起こす可能性がある。これを実現するには、ウェーブレットフィルタのピーク対サイドローブ比を大きくする必要がある。
これまで、画像圧縮システムの一次元変換について議論してきました。この問題は二次元に拡張することができ、より一般的な用語であるシフト可能なマルチスケール変換が提案されています。[ 10 ]
前述したように、インパルス応答は画像圧縮/再構成システムの評価に利用できます。
入力シーケンスの場合参照信号1段階の分解後2分の1にまで減少する一方、ローパスフィルタです。同様に、次の参照信号は2分の1に間引きされます。Lレベルの分解(および間引き)の後、分析応答は、すべての要素から1つを残すことによって得られます。サンプル:。
一方、信号 x(n) を再構成するために、参照信号を考えることができる。詳細信号がはゼロに等しいすると、前のステージの参照信号(段階)はこれは補間によって得られるそして複雑化同様に、この手順を繰り返して参照信号を取得する。ステージでL回の反復処理後、合成インパルス応答が計算されます。これは参照信号と関連付けますそして、再構成された信号。
全体的なLレベルの分析/合成システムを得るために、分析応答と合成応答は以下のように組み合わせられます。
。
最後に、全体のインパルス応答のピーク対第1サイドローブ比と平均第2サイドローブを示します。ウェーブレット画像圧縮の性能を評価するために使用できる。
ウェーブレット変換を用いるウェーブレット圧縮法は、音声における打楽器の音や、夜空の星の画像などの二次元画像における高周波成分といった過渡的な要素を表現するのに適しています。これは、より広く用いられている離散コサイン変換などの他の変換を用いた場合よりも、データ信号の過渡的な要素をより少ない情報量で表現できることを意味します。
ウェーブレット変換は理論的には利点があるものの、実際的な制約により、ウェーブレット圧縮は局所的な変化や過渡的な信号の解析に限定されてきました。数十年にわたる研究にもかかわらず、音声や動画などの一般的なマルチメディア向けのウェーブレットベースの圧縮システムは、現在の離散コサイン変換ベースのシステムの効率性や知覚品質に一貫して匹敵するものではありません。[ 11 ]
音声や心電図のような一次元データの場合、ウェーブレットは、音楽におけるドラムのヒットや心拍リズムの鋭いピークなど、突然発生する孤立したイベントである過渡信号の表現と圧縮に優れています。たとえば、離散ウェーブレット変換は、心電図(ECG)信号の圧縮に成功裏に適用されています。[ 12 ]しかし、一般的な音声の大部分を占める滑らかで周期的な信号の場合、フーリエ変換に関連する周波数領域の調和解析の方が、より優れた圧縮と音質を実現します。過渡特性と周期特性の両方を持つデータの圧縮は、ウェーブレットと従来の調和解析を組み合わせたハイブリッド技術で行うことができます。たとえば、Vorbisオーディオコーデックは、主に修正離散コサイン変換を使用して音声(一般的に滑らかで周期的)を圧縮しますが、過渡特性の再現性を向上させるためにハイブリッドウェーブレットフィルタバンクを追加できます。[ 13 ]
高次元データの場合、ウェーブレット圧縮は大きな課題に直面します。たとえば、ビデオでは、イントラコーディングやモーション補償(空間的および時間的に隣接するものに基づいて画像の一部を予測する)などの最新の圧縮技術や、混合ブロックサイズや動的ブロックサイズは、ウェーブレットの重なり合う性質のために非常に複雑になります。この複雑さは、より多くの処理能力と遅い速度につながり、広く使用するのに実用的ではありません。さらに、ウェーブレットはPSNRなどの従来の指標で高いスコアを出すかもしれませんが、DCTブロックはウェーブレットにはしばしば欠けている鮮明さの知覚を生み出し、同様の主観的品質を達成するにはより高いビットレートが必要になります。[ 11 ]
ウェーブレットは、特定の周波数を調べる際の計算量を削減するという点で、フーリエ変換よりも若干優れている。しかし、感度が高いことはほとんどなく、実際、一般的なモルレーウェーブレットは、ガウス窓関数を使用した短時間フーリエ変換と数学的に同一である。[ 14 ]例外は、既知の非正弦波形状の信号(心拍など)を探索する場合で、その場合は、マッチドウェーブレットを使用することで、標準的なSTFT/モルレー解析よりも優れた結果が得られる。[ 15 ]
ウェーブレット変換は、信号の周波数とそれらの周波数に関連付けられた時間を提供できるため、多くの分野での応用に非常に便利です。たとえば、歩行分析のための加速度の信号処理[ 16 ] 、故障検出[ 17 ] 、地滑りの季節的変位の分析[ 18 ]、低電力ペースメーカーの設計、および超広帯域(UWB)無線通信[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]などです。
これにより、次の形式のウェーブレットが得られ、基底ウェーブレットの離散式は次のようになります。
このような離散ウェーブレットは、変換に使用できます。
どこはスケーリング係数です。時間シフト係数を表す
そして既に述べたように、ウェーブレット変換は関数の畳み込みに対応します。そしてウェーブレット関数。畳み込みは周波数領域での乗算として実装できます。これに基づくと、以下の実装方法が得られます。
リアルタイムで時間信号を処理するには、ウェーブレットフィルタが将来の信号値にアクセスしないこと、および最小限の時間遅延が得られることが不可欠です。時間因果ウェーブレット表現は、Szu ら[ 24 ]および Lindeberg [ 25 ]によって開発されており、後者の方法ではメモリ効率の良い時間再帰実装も含まれています。
同期圧縮変換は、従来のウェーブレット変換を使用して得られた時間周波数表現の時間分解能と周波数分解能を大幅に向上させることができます。[ 26 ] [ 27 ]
I は、修正離散コサイン変換に基づく前方適応型モノリシック変換コーデックです。このコーデックは、Vorbis II でハイブリッドウェーブレットフィルタバンクを追加できるように構成されており、局所的な時間イベントにより適した変換を使用して、より優れた過渡応答と再現を提供します。