小波變換（wavelet transform，WT）是一種新的變換分析方法，它繼承和發展了短時傅立葉變換局部化的思想，同時又克服了視窗大小不隨頻率變化等缺點，能夠提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”視窗，是進行信號時頻分析和處理的理想工具。它的主要特點是通過變換能夠充分突出問題某些方面的特徵，能對時間（空間）頻率的局部化分析，通過伸縮平移運算對信號（函式)逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節，解決了Fourier變換的困難問題，成為繼Fourier變換以來在科學方法上的重大突破。
基本介紹
- 中文名：小波變換
- 外文名：Wavelet transform
- 學科：套用數學和工程學科
- 簡介：一個迅速發展的新領域
- 探索研究：近30年
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簡介
傳統的信號理論，是建立在Fourier分析基礎上的，而Fourier變換作為一種全局性的變化，其有一定的局限性，如不具備局部化分析能力、不能分析非平穩信號等。在實際套用中人們開始對Fourier變換進行各種改進，以改善這種局限性，如STFT（短時傅立葉變換）。由於STFT採用的的滑動窗函式一經選定就固定不變，故決定了其時頻解析度固定不變，不具備自適應能力，而小波分析很好的解決了這個問題。小波分析是一種新興的數學分支，它是泛函式、Fourier分析、調和分析、數值分析的最完美的結晶；在套用領域，特別是在信號處理、圖像處理、語音處理以及眾多非線性科學領域，它被認為是繼Fourier分析之後的又一有效的時頻分析方法。小波變換與Fourier變換相比，是一個時間和頻域的局域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對函式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。
歷史
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需要經驗的建立了反演公式，當時未能得到數學家的認可。正如1807年法國的熱學工程師J.B.J.Fourier提出任一函式都能展開成三角函式的無窮級數的創新概念未能得到認可一樣。幸運的是，早在七十年代，A.Calderon表示定理的發現、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於現在的小波基；1986年著名數學家Y.Meyer偶然構造出一個真正的小波基，並與S.Mallat合作建立了構造小波基的統一方法--多尺度分析之後，小波分析才開始蓬勃發展起來，其中比利時女數學家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。與Fourier變換、視窗Fourier變換（Gabor變換）相比，具有良好的時頻局部化特性，能有效的從信號中提取資訊，因而小波變化被譽為“數學顯微鏡”，它是調和分析發展史上里程碑式的進展。
小波分析
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式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。小波變換聯繫了套用數學、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。數學家認為，小波分析是一個新的數學分支，它是泛函分析、Fourier分析、樣條分析、數值分析的完美結晶；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、數據壓縮、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套用價值的成果。信號分析的主要目的是尋找一種簡單有效的信號變換方法，使信號所包含的重要信息能顯現出來。小波分析屬於信號時頻分析的一種，在小波分析出現之前，傅立葉變換是信號處理領域套用最廣泛、效果最好的一種分析手段。傅立葉變換是時域到頻域互相轉化的工具，從物理意義上講，傅立葉變換的實質是把這個波形分解成不同頻率的正弦波的疊加和。正是傅立葉變換的這種重要的物理意義，決定了傅立葉變換在信號分析和信號處理中的獨特地位。傅立葉變換用在兩個方向上都無限伸展的正弦曲線波作為正交基函式，把周期函式展成傅立葉級數，把非周期函式展成傅立葉積分，利用傅立葉變換對函式作頻譜分析，反映了整個信號的時間頻譜特性，較好地揭示了平穩信號的特徵。
小波變換是一種新的變換分析方法，它繼承和發展了短時傅立葉變換局部化的思想，同時又克服了視窗大小不隨頻率變化等缺點，能夠提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”視窗，是進行信號時頻分析和處理的理想工具。它的主要特點是通過變換能夠充分突出問題某些方面的特徵，因此，小波變換在許多領域都得到了成功的套用，特別是小波變換的離散數字算法已被廣泛用於許多問題的變換研究中。從此，小波變換越來越引起人們的重視，其套用領域來越來越廣泛。
套用
是與小波分析的理論研究緊密地結合在一起的。現在，它已經在科技信息產業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，它的重要方面是圖象和信號處理。現今，信號處理已經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）。從數學地角度來看，信號與圖象處理可以統一看作是信號處理（圖象可以看作是二維信號），小波分析的許多分析和套用問題，都可以歸結為信號處理問題。現在，對於其性質隨時間是穩定不變的信號（平穩隨機過程），處理的理想工具仍然是傅立葉分析。但是在實際套用中的絕大多數信號是非穩定的（非平穩隨機過程），而特別適用於非穩定信號的工具就是小波分析。
事實上小波分析的套用領域十分廣泛，它包括：數學領域的許多學科；信號分析、圖象處理；量子力學、理論物理；軍事電子對抗與武器的智慧型化；計算機分類與識別；音樂與語言的人工合成；醫學成像與診斷；地震勘探數據處理；大型機械的故障診斷等方面；例如，在數學方面，它已用於數值分析、構造快速數值方法、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。在圖象處理方面的圖象壓縮、分類、識別與診斷，去污等。在醫學成像方面的減少B超、CT、核磁共振成像的時間，提高解析度等。
⑴小波分析用於信號與圖象壓縮是小波分析套用的一個重要方面。它的特點是壓縮比高，壓縮速度快，壓縮後能保持信號與圖象的特徵不變，且在傳遞中可以抗干擾。基於小波分析的壓縮方法很多，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。
從圖像處理的角度看，小波變換存在以下幾個優點：
⑴小波分解可以覆蓋整個頻域（提供了一個數學上完備的描述）
⑵小波變換通過選取合適的濾波器，可以極大的減小或去除所提取得不同特徵之間的相關性
⑶小波變換具有“變焦”特性，在低頻段可用高頻率解析度和低時間解析度（寬分析視窗），在高頻段，可用低頻率解析度和高時間解析度（窄分析視窗）
⑷小波變換實現上有快速算法（Mallat小波分解算法）
