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经验模式分解

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2021-02-28 11:08
tags:

-

2021年2月28日发(作者:specifics)


经验模式分解







近些年来


,


随着计算机技术的高速发展与信号处理技术的不断提高


,


人们对图像的分析


结构的要求也越来越高。目前图像处理已经发展出 很多分支


,


包括图像分割、边缘检测、纹


理分析、图像压缩等。经验模式分解


(EMD)


是希尔伯特< /p>


-


黄变换


(Hilbert-Huang Transform)


中的一部分


,


它 是一种新的信号处理方法


,


并且在非线性、非平稳信号处理中取 得了重大进



,


表现出了强大的优势与 独特的分析特点。该方法主要是将复杂的非平稳信号分解成若干


不同尺度的单分量平稳信 号与一个趋势残余项


,


所以具有自适应性、平稳化、局部性等优


点。鉴于


EMD


方法在各领域的成功应 用以及进一步的发展


,


国内外很多学者开始将其扩展到


了二维信号分析领域中


,


并且也取得的一定的进 展。但是由于二维信号不同于一种信号


,


于信号的复杂性和二维数据的一些处理方法的有限性


,


二维 经验模式分解


(BEMD)


在信号分析


和处理精度上还存在一些问题


,


这也是本文要研究和改善的重点 。



关键词


:图像处理;信号分解;< /p>


BEMD















Abstract



In


recent


years,


with


the


rapid


development


of


computer


technology


and


the


continuous


improvement of signal processing technology, the demand for the analysis structure of the image


is


becoming


more


and


more


high.


At


present,


many


branches


have


been


developed


in


image


processing,


including


image


segmentation,


edge


detection,


texture


analysis,


image


compression


and so on. Empirical mode decomposition (EMD) is a part of Hilbert Huang transform (Hilbert-


HuangTransform).


It


is


a


new


signal


processing


method,


and


has


made


significant


progress


in


nonlinear


and


non-stationary


signal


processing,


showing


strong


advantages


and


unique


analysis


points.


This


method


mainly


decomposes


the


complex


non- stationary


signals


into


several


single


scale stationary signals with different scales and a trend residual term, so it has the advantages of


adaptability,


stationarity


and


locality.


In


view


of


the


successful


application


and


further


development of EMD method in many fields, many scholars at home and abroad have expanded it


to the two- dimensional signal analysis field, and have made some progress. However, because two


dimensional signal is different from one signal, it is limited to the complexity of signal and the


processing


methods


of


two- dimensional


data.


Two- dimensional


empirical


mode


decomposition


(BEMD) still has some problems in the accuracy of signal analysis and processing, which is also


the important point of research and improvement in this paper.


Key words


: image processing; signal decomposition; BEMD

















............... .................................................. ..............................................


1



第一章



概况



.


.. .................................................. ..................................................


4




方法原理



.


....................................... .................................................. .........


5



2.1


本征模函数


...................... .................................................. ...................


5



2.2 .EMD


分解过程


.... .................................................. .................................


5



2.3.


分解举例:


....... .................................................. ..................................


6



3. BEMD


分解原理


................... .................................................. ..........................


8



3.1


图像极值点的选取:


... .................................................. .........................


8



3.2 Delaunay


三角剖分



.


........................... .................................................. ..


9



3.3


基于三角网络的曲面插值



.


........................................... .......................... 11



3.4


分解方法


< br>.


................................... .................................................. ....... 11



3.5 BEMD


分解停止准则



.

................................................ ............................. 12



4


二维经验模态分解在图像处理中的应用



.


.................................


错误!未定义书签。



4.1


图像分解实例



.


.................................. ..........................


错误!未定义书签。



4.2


图像降噪


......... .................................................. ........


错误!未定义书签。



5


总结



.< /p>


........................................ ...........................................


错误!未定义书签。



参考文献



.


.................................................. .............................


错误!未定义书签。







第一章



概况



随着计算机技术的不断发展和其应用领域的不断扩展,数字图像处理技术得到了迅猛


的发展,涉及信息科学、计算机科学、数学、物理学以及生物学等学科,因此数理及相关


的边缘学科对图像处理科学的发展有越来越大的影响。近年来,数字图像处理技术日趋成


熟,它广泛应用于空间探测、遥感、生物医学、人工智能以及工业检测等许多领域,并促


使这些学科产生了新的发展。数字图像处理就是利用计算机对图像进行处理,其任务是将


原图像的灰度分布作某种变换,使图像中的某部分信息更加突出,以使其适应于某种特殊


的需求。目前数字图像处理已经发展出很多分支,包括图像分割、边缘检测、纹理分析、


机器视觉等领域。



多分辨率多尺度是人类 视觉高效、准确工作的重要特征之一。自然产生


的图像大多包含大量不同尺度的信息,这 些信息在一幅图像中同时出现。而对图像的应用


研究往往仅限于某一尺度或某些尺度上的 现象,或者只需要某些尺度的信息;其他尺度的


信息往往会对处理结果有不良影响,或者 增大了处理的难度和复杂性。所以把图像信息按


尺度进行分离非常必要。多尺度图像分解 可以消除其他无用尺度信息对处理结果的影响,


也简化了处理的难度和复杂性;也是图像 目标识别和边缘检测等处理过程的预处理方法之


一。



图像可以看作二维的随机信号,因此也可以通过对一维随机信号处理方法的二维扩展

< p>
实现。经典的信号处理方法是傅立叶谱分析法,其必须对信号进行全局分析,不具备局部

< p>
性,只适合线形和平稳信号分析。为了分析非平稳与非线性信号,人们发展了信号的时频

< p>
分析法,如短时傅立叶变换、


Wigner-Ville


分布以及小波变换等。由于所有的这些时频分


析方法都是以

Fourier


变换为最终理论依据,故有一定难以克服的局限性,难以在时频 分


析的方法中取得突破。为了克服这些弊端,


1998



, Huang


等人提出了一种具有 自适应


时频分辨能力的信号分析方法——经验模式分解(


EMD



Empirical Mode


D ecomposition


)。鉴于经验模式分解在一维信号处理方面已经获得巨大的成 功,将其推广


到二维情况,将图像按尺度从小到大进行分离,小尺度信息包含了图像的细 节信息,剩余


的大尺度信息表达了图像的基本趋势和结构,将会给图像处理领域提供一种 新的有效的数


据处理手段。





[1]






方法原理



大多数的工程实际信号都是由多频分量组成的


,


这种模式下的信号性质很复杂不容易分


析。而单分量的信号在任一时间只有一个 频率或一个频率窄带的信号


,


对人们来说分析起来


即直观又明了


,


同时很容易进行进一步的深入处理。 所以将多分量信号分解成若干个单分量


的信号形式就是信号处理领域需解决的重点



EMD


的分解过程就是将复杂信号单分量化


,


也就是说


,


对原始数据序列通过


EMD


分解成


若干 个本征模函数


(IMF)


和一个残余分量。


2.1


本征模函数



在物理上


,


一个函数的瞬时频率有意义


,


那么这个函数序列必须是对称的、局部均值为


零、具有相同的过零点和极值点数目。在这样的条件下


,


等人提 出了本征模函数


(Intrinsic Mode Function,


简称


IMF)


的概念


。假设任 何信号都是由若干本征模函数



[2]



,


一个信号都可以包含若干个本征模函数

,


如果本征模函数之间相互重叠


,


便形成复合信


号。



EMD

< p>
分解的目的就是为了获取本征模函数。本征模函数形成条件有以下两个


:


1.


函数在整个时间范围内


,


局部极值点和过零点的数目必须相等或最多相差一个


;


2.


在任意时刻点


,


局部最大 值的包络


(


上包络线


)


和局部最小值的包络


(


下包络线


)


平均值


必须为零。



2.2 .EMD


分解过程



EMD


分解方法进行是需要一定条件



(1)


整个信号中至少存在一个极大值点和一个极小值点。



(2)


两个相邻的极大值点或者是两个相 邻的极小值点间的时间间隔作为


EMD


分解的尺度


特征。



(3)


如果信号中 不存在任何极值点


,


但是有拐点


,


可以通过一阶或者多阶微分求得极值点


,


最 后再对分量求积分获得结果。



如果信号满足以上


3


个条件


,


则这个信号就可 以进行


EMD


的分解。



具体的实现过程是:



设原数据序列为



f(t)

< p>
,首先对


f(t)



选取 局部极值


(


包括极小值和极大值


)


,所有的极大


值的插值曲线连接作为包络的上界,所有的极小值的插 值曲线连接作为包络的下界,包络


的上下界将覆盖所有的数据,得到极大值包络数据



E


max


(t)


和极小值包络数据



E


min


(t)


。由


这两条包络 得到一个均值函数


e


1


,


即:



e


1


=


E


max



t



+


E


min


(t)



2


d


1


=


f



t



?


e


1



考察


d


1



是否为


IMF


函数。实际上


d


1


局部包络均值不为零,也并未达到分离骑 行波和


使波形更加对称的目的。所以处理过程必须重复进行多次,直到得到内禀模式函数 为止。


在第二次的筛分过程中,


d


1< /p>


被作为数据,



d


1


?


e


11


=


d


11



其中


e


11




d


1



的平均值。



处理过程重复


k


次后,此时有:



d

< br>1(k


?


1)


?


e


1k


=


d

< br>1k



定义


c

< br>1


=


d


1k


c


1


满足


IMF


条件,即为从原数据


f(t)

分离出的第一个


IMF




|d


1



k


?


1




t



?


d


1k



t



|


2


SD


=




d


1k



t



2


t=0


T


e


1



与原始信号


f(t)


的差量定义为分 量


d


1


,即



通常


SD


值可以设置为


0.2


< p>
0.3


,即满足


0.2


时本层筛分过程结束。




2.3.


分解举例:




原始信号




极大值点


-


-


-


-


-


-


-


-



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