哈尔小波转换
哈尔小波转换是于1909年由Alfréd Haar所提出,是小波变换(Wavelet transform)中最简单的一种变换,也是最早提出的小波变换。他是多贝西小波的于N=2的特例,可称之为D2。
介绍
哈尔小波的母小波(母亲 wavelet)可表示为:
且对应的尺度函数(scaling 函数)可表示为:
其滤波器(filter)h[n]被定义为
当与时,有两个非零系数,因此,我们可以将它写成
在所有正交性(orthonormal)小波变换中哈尔小波转换(Haar wavelet)是最简单的一种变换,但它并不适合用于较为平滑的函数,因为它只有一个消失矩(Vanishing Moment)。
哈尔变换
Haar Transform最早是由A. Haar在1910年“Zur theorie der orthogonalen funktionensysteme”中所提出,是一种最简单又可以反应出时变频谱(时间variant spectrum)的表示方法。其观念与Fourier Transform相近,Fourier Transform的原理是利用弦波sine与cosine来对信号进行调变;而Haar Transform则是利用Haar 函数来对信号进行调变。Haar function也含有sine、cosine所拥有的正交性,也就是说不同的Haar function是互相orthogonal,其内积为零。
以下面的哈尔变换矩阵为例,我们取第一行和第二行来做内积,得到的结果为零;取第二行和第三行来做内积,得到的结果也是零。依序下去,我们可以发现在哈尔变换矩阵任取两行来进行内积的运算,所得到的内积皆为零。
在此前提下,利用Fourier Transform的观念,假设所要分析的信号可以使用多个频率与位移不同的Haar 函数来组合而成,进行Haar Transform时,因为Haar function的正交性,便可求出信号在不同Haar function(不同频率)的情况下所占有的比例。
应用
说明
由于数字图片档案过大,因此我们往往会对图片做图像压缩,压缩过后的档案大小不仅存放于电脑中不会占到过大容量,也方便我们于网络上传送。哈尔小波转换其中一种应用便是用来压缩图像。压缩图像的基本概念为将图像存成到一矩阵,矩阵中的每一元素则代表是每一图像的某画素值,介于0到255间。例如256x256大小的图片会存成256x256大小的矩阵。JPEG影像压缩的概念为先将图像切成8x8大小的区块,每一区块为一8x8的矩阵。
在处理8x8二维矩阵前,先试着对一维矩阵作哈尔小波转换,
公式为。
范例
对8x8的二维矩阵A作哈尔小波转换,由于AH是对A的每一行作哈尔小波转换,作完后还要对A的每一列作哈尔小波转换,因此公式为。以下为一简单的例子:
列哈尔小波转换(row Haar wavelet transform)
行哈尔小波转换(column Haar wavelet transform)
由以上例子可以看出哈尔小波转换的效果,原本矩阵中变化量不大的元素经过变换后会趋近零,再配合适当量化便可以达到压缩的效果了。此外若一矩阵作完哈尔小波转换后所含的零元素非常多的话,称此矩阵叫稀疏,若一矩阵越稀疏压缩效果越好。因此可对定一临界值 若矩阵中元素的绝对值小于此临界值,可将该元素令成零,可得到更大的压缩率。然而 取过大的话会造成图像严重失真,因此如何取适当的 也是值得讨论的议题。
运算量
• 若应用于区域的频谱分析及侦测边缘的话,离散傅立叶变换、Walsh-Hadamard变换及哈尔小波转换的计算量见下表