MATLAB中 小波閾值去噪

MATLAB中實現了信號的閾值去噪,主要包括閾值去噪和閾值獲取兩方面。


1.閾值獲取
MATLAB中實現閾值獲取的函數有ddencmp、thselect、wbmpen和wwdcbm,下面對它們的用法進行簡單的說明。

ddencmp的調用格式有以下三種
(1)[THR,SORH,KEEPAPP,CRIT]=ddencmp(IN1,IN2,X)
(2)[THR,SORH,KEEPAPP,CRIT]=ddencmp(IN1,'wp',X)
(3)[THR,SORH,KEEPAPP,CRIT]=ddencmp(IN1,'wv',X)
函數ddencmp用於獲取信號在消噪或壓縮過程中的默認閾值。輸入參數X爲一維或二維信號;IN1取值爲'den'或'cmp','den'表示進行去噪,'cmp'表示進行壓縮;IN2取值爲'wv'或'wp',wv表示選擇小波,wp表示選擇小波包。返回值THR是返回的閾值;SORH是軟閾值或硬閾值選擇參數;KEEPAPP表示保存低頻信號;CRIT是熵名(只在選擇小波包時使用)。

函數thselect的調用格式如下
THR=thselect(X,TPTR);
THR=thselect(X,TPTR)根據字符串TPTR定義的閾值選擇規則來選擇信號X的自適應閾值。
自適應閾值的選擇規則包括以下四種:
*TPTR='rigrsure',自適應閾值選擇使用Stein的無偏風險估計原理。
*TPTR='heursure',使用啓發式閾值選擇。
*TPTR='sqtwolog',閾值等於sqrt(2*log(length(X))).
*TPTR='minimaxi',用極大極小原理選擇閾值。
閾值選擇規則基於模型 y = f(t) + e,e是高斯白噪聲N(0,1)。

函數wbmpen的調用格式如下:
THR=wbmpen(C,L,SIGMA,ALPHA);
THR=wbmpen(C,L,SIGMA,ALPHA)返回去噪的全局閾值THR。THR通過給定的一種小波係數選擇規則計算得到,小波係數選擇規則使用Birge-Massart的處罰算法。{C,L]是進行去噪的信號或圖像的小波分解結構;SIGMA是零均值的高斯白噪聲的標準偏差;ALPHA是用於處罰的調整參數,它必須是一個大於1的實數,一般取ALPHA=2。
設t*使crit(t)=-sum(c(k)^2,k<=t) + 2 * SIGMA^2 * t*(ALPHA+log(n/t))的最小值,其中c(k)是按絕對值從大到小排列的小波包係數,n是係數的個數,則THR=|c(t*)|。
wbmpen(C,L,SIGMA,ALPHA,ARG)計算閾值並畫出三條曲線。
2 * SIGMA^2 * t*(ALPHA+log(n/t))
sum(c(k)^2, k<=t)
crit(t)

wdcbm的調用格式有以下兩種:
(1)[THR,NKEEP]=wdcbm(C,L,ALPHA);
(2)[THR,NKEEP]=wdcbm(C,L,ALPHA,M);
函數wdcbm是使用Birge-Massart算法獲取一維小波變換的閾值。返回值THR是與尺度無關的閾值,NKEEP是係數的個數。[C,L]是要進行壓縮或消噪的信號在j=length(L)-2層的分解結構;LAPHA和M必須是大於1的實數;THR是關於j的向量,THR(i)是第i層的閾值;NKEEP也是關於j的向量,NKEEP(i)是第i層的係數個數。一般壓縮時ALPHA取1.5,去噪時ALPHA取3.


2.信號的閾值去噪
MATLAB中實現信號的閾值去噪的函數有wden、wdencmp、wthresh、wthcoef、wpthcoef以及wpdencmp。下面對它們的用法作簡單的介紹。

函數wden的調用格式有以下兩種:
(1)[XD,CXD,LXD]=wden(X,TPTR,SORH,SCAL,N,'wname')
(2)[XD,CXD,LXD]=wden(C,L,TPTR,SORH,SCAL,N,'wname')
函數wden用於一維信號的自動消噪。X爲原始信號,[C,L]爲信號的小波分解,N爲小波分解的層數。
THR爲閾值選擇規則:
*TPTR='rigrsure',自適應閾值選擇使用Stein的無偏風險估計原理。
*TPTR='heursure',使用啓發式閾值選擇。
*TPTR='sqtwolog',閾值等於sqrt(2*log(length(X))).
*TPTR='minimaxi',用極大極小原理選擇閾值。
SORH是軟閾值或硬閾值的選擇(分別對應's'和'h')。
SCAL指所使用的閾值是否需要重新調整,包含下面三種:
*SCAL='one' 不調整;
*SCAL='sln' 根據第一層的係數進行噪聲層的估計來調整閾值。
*SCAL='mln' 根據不同的噪聲估計來調整閾值。
XD爲消噪後的信號,[CXD,LXD]爲消噪後信號的小波分解結構。格式(1)返回對信號X經過N層分解後的小波係數進行閾值處理後的消噪信號XD和信號XD的小波分解結構[CXD,LXD]。格式(2)返回參數與格式(1)相同,但其結構是由直接對信號的小波分解結構[C,L]進行閾值處理得到的。

函數wdencmp的調用格式有以下三種:
(1)[XC,CXC,LXC,PERF0,PERFL2]=wdencmp('gbl',X,'wname',N,THTR,SORH,KEEPAPP);
(2)[XC,CXC,LXC,PERF0,PERFL2]=wdencmp('lvd',X,'wname',N,THTR,SORH);
(3)[XC,CXC,LXC,PERF0,PERFL2]=wdencmp('lvd',C,L,'wname',N,THTR,SORH);
函數wdencmp用於一維或二維信號的消噪或壓縮。wname是所用的小波函數,gbl(global的縮寫)表示每一層都採用同一個閾值進行處理,lvd表示每層採用不同的閾值進行處理,N表示小波分解的層數,THR爲閾值向量,對於格式(2)和(3)每層都要求有一個閾值,因此閾值向量THR的長度爲N,SORH表示選擇軟閾值或硬閾值(分別取值爲's'和'h'),參數KEEPAPP取值爲1時,則低頻係數不進行閾值量化,反之,低頻係數要進行閾值量化。XC是要進行消噪或壓縮的信號,[CXC,LXC]是XC的小波分解結構,PERF0和PERFL2是恢復或壓縮L^2的範數百分比。如果[C,L]是X的小波分解結構,則PERFL2=100*(CXC向量的範數/C向量的範數)^2;如果X是一維信號,小波wname是一個正交小波,則PERFL2=100||XC||^2/||X||^2。

函數wthresh的調用格式如下:
Y=wthresh(X,SORH,T)
Y=wthresh(X,SORH,T) 返回輸入向量或矩陣X經過軟閾值(如果SORH='s')或硬閾值(如果SORH='h')處理後的信號。T是閾值。
Y=wthresh(X,'s',T)返回的是Y=SIG(X)*(|X|-T)+,即把信號的絕對值與閾值進行比較,小於或等於閾值的點變爲零,大於閾值的點爲該點值與閾值的差值。
Y=wthresh(X,'h',T)返回的是Y=X*1(|X|>T),即把信號的絕對值和閾值進行比較,小於或等於閾值的點變爲零,大於閾值的點保持不變。一般來說,用硬閾值處理後的信號比用軟閾值處理後的信號更粗糙。

函數wthcoef的調用格式下面四種:
(1)NC=wthcoef('d',C,L,N,P)
(2)NC=wthcoef('d',C,L,N)
(3)NC=wthcoef('a',C,L)
(4)NC=wthcoef('t',C,L,N,T,SORH)
函數wthcoef用於一維信號小波係數的閾值處理。
格式(1)返回小波分解結構[C,L]經向量N和P定義的壓縮率處理後的新的小波分解向量NC,[NC,L]構成一個新的小波分解結構。N包含被壓縮的細節向量,P是把較小系數置0的百分比信息的向量。N和P的長度必須相同,向量N必須滿足1<=N(i)<=length(L)-2。
格式(2)返回小波分解結構[C,L]經過向量N中指定的細節係數置0後的小波分解向量NC。
格式(3)返回小波分解結構[C,L]經過近似係數置0後的小波分解向量NC。
格式(4)返回小波分解結構[C,L]經過將向量N作閾值處理後的小波分解向量NC。如果SORH=’s‘,則爲軟閾值;如果SORH='h'則爲硬閾值。N包含細節的尺度向量,T是N相對應的閾值向量。N和T的長度必須相等。

函數wpdencmp的調用格式有以下兩種:
(1)[XD,TREED,PERF0,PERFL2]=wpdencmp(X,SORH,N,'wname',CRIT,PAR,KEEPAPP)
(2)[XD,TREED,PERF0,PERFL2]=wpdencmp(TREE,SORH,CRIT,PAR,KEEPAPP)
函數wpdencmp用於使用小波包變換進行信號的壓縮或去噪。
格式(1)返回輸入信號X(一維或二維)的去噪或壓縮後的信號XD。輸出參數TREED是XD的最佳小波包分解樹;PERFL2和PERF0是恢復和壓縮L2的能量百分比。PERFL2=100*(X的小波包係數範數/X的小波包係數)^2;如果X是一維信號,小波wname是一個正交小波,則PERFL2=100*||XD||^2/||X||^2。SORH的取值爲's'或'h',表示的是軟閾值或硬閾值。
輸入參數N是小波包的分解層數,wname是包含小波名的字符串。函數使用由字符串CRIT定義的熵和閾值參數PAR實現最佳分解。如果KEEPAPP=1,則近似信號的小波係數不進行閾值量化;否則,進行閾值量化。
格式(2)與格式(1)的輸出參數相同,輸入選項也相同,只是它從信號的小波包分解樹TREE進行去噪或壓縮。

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