Analýza signálů technikou Waveletů

Podobné dokumenty
Komprese dat s použitím wavelet transformace

4. MĚŘENÍ HARMONICKÝCH Úvod

Signál v čase a jeho spektrum

Waveletová transformace a její použití při zpracování signálů

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

VYUŽITÍ VÝPOČETNÍHO SYSTÉMU MATLAB PŘI NEDESTRUKTIVNÍ KONTROLE STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ A DÍLCŮ ROZBOREM AKUSTICKÉ ODEZVY GENEROVANÉ MECHANICKÝM IMPULSEM

Příloha č. 1. amplitudová charakteristika filtru fázová charakteristika filtru / frekvence / Hz. 1. Určení proudové hustoty

Quantization of acoustic low level signals. David Bursík, Miroslav Lukeš

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

Wavelet transformace v metodách zvýrazňování řeči

základní vlastnosti, používané struktury návrhové prostředky MATLAB problém kvantování koeficientů

Číslicová filtrace. FIR filtry IIR filtry. ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická

doc. Dr. Ing. Elias TOMEH Elias Tomeh / Snímek 1

Úvod do zpracování signálů

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

Analýza a zpracování digitálního obrazu

WAVELET TRANSFORMACE V POTLAČOVÁNÍ

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Číslicové zpracování signálů a Fourierova analýza.

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ Z MECHANICKÝCH. Jiří Tůma

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

Fourierova transformace

CW01 - Teorie měření a regulace

DETEKCE HRAN V BIOMEDICÍNSKÝCH OBRAZECH

31ZZS 9. PŘEDNÁŠKA 24. listopadu 2014

Integrální transformace obrazu

Analýza a zpracování signálů

VOLBA ČASOVÝCH OKEN A PŘEKRYTÍ PRO VÝPOČET SPEKTER ŠIROKOPÁSMOVÝCH SIGNÁLŮ

Numerické řešení diferenciálních rovnic

A/D převodníky - parametry

APLIKACE DWT PRO POTLAČENÍ ŠUMU V OBRAZE

Rekurentní filtry. Matlab

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Volba zobrazení (Direct Current, Scaling) - FFT 1D, FFT 2D

SPM SPECTRUM NOVÁ UNIKÁTNÍ METODA PRO DIAGNOSTIKU LOŽISEK

VYUŽITÍ MATLABU PRO PODPORU VÝUKY A PŘI ŘEŠENÍ VÝZKUMNÝCH ÚKOLŮ NA KATEDŘE KOMUNIKAČNÍCH A INFORMAČNÍCH SYSTÉMŮ

Direct Digital Synthesis (DDS)

POHON 4x4 JAKO ZDROJ VIBRACÍ OSOBNÍHO AUTOMOBILU

" Furierova transformace"

Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. Abstrakt. k rekonstrukci pozorovaných dat. Tento postup je aplikován na vybrané biomedicínské

Fouriérova transformace, konvoluce, dekonvoluce, Fouriérovské integrály

Čas (s) Model časového průběhu sorpce vyplývá z 2. Fickova zákona a je popsán následující rovnicí

Petr Bílovský. Katedra elektrických měření, FEI, VŠB Technická univerzita Ostrava 17. listopadu 15, , Ostrava-Poruba

PSK1-9. Číslicové zpracování signálů. Číslicový signál

ANALÝZA LIDSKÉHO HLASU

MĚŘENÍ ÚHLOVÝCH KMITŮ ZA ROTACE

1 Zpracování a analýza tlakové vlny

Transformace obrazu Josef Pelikán KSVI MFF UK Praha

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

ADA Semestrální práce. Harmonické modelování signálů

PARAMETRICKÁ STUDIE VÝPOČTU KOMBINACE JEDNOKOMPONENTNÍCH ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ

Vyhodnocení 2D rychlostního pole metodou PIV programem Matlab (zpracoval Jan Kolínský, dle programu ing. Jana Novotného)

v Praze mezi kanály EEG Ondřej Drbal 5. ročník, stud. sk. 9

CW01 - Teorie měření a regulace

1. Vlastnosti diskretních a číslicových metod zpracování signálů... 15

P7: Základy zpracování signálu

STUDIUM HLADINOVÉHO ELEKTROSTATICKÉHO

Biofyzikální ústav LF MU Brno. jarní semestr 2011

Teoretická elektrotechnika - vybrané statě

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Vlastnosti členů regulačních obvodů Osnova kurzu

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

TSO NEBO A INVARIANTNÍ ROZPOZNÁVACÍ SYSTÉMY

1 Základní funkce pro zpracování obrazových dat

FOURIEROVA ANAL YZA 2D TER ENN ICH DAT Karel Segeth

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

doc. Dr. Ing. Elias TOMEH Elias Tomeh / Snímek 1

P6 Časově frekvenční analýza signálů

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Abychom se vyhnuli užití diferenčních sumátorů, je vhodné soustavu rovnic(5.77) upravit následujícím způsobem

Vodoznačení video obsahu

Struktura a typy lékařských přístrojů. X31LET Lékařskátechnika Jan Havlík Katedra teorie obvodů

Hluk a analýza vibrací stěn krytu klimatizační jednotky

Vzorkování. Je-li posloupnost diracových impulzů s periodou T S : Pak časová posloupnost diskrétních vzorků bude:

Laboratorní úloha č. 8: Elektroencefalogram

Spektrální analyzátory

Středoškolská technika SCI-Lab

VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_05_Modulace a Modulátory

VYUŽITÍ MATLABU K POTLAČOVÁNÍ ADITIVNÍHO ŠUMU POMOCÍ FILTRACE A POMOCÍ VLNKOVÉ TRANSFORMACE. Gabriela Eisensteinová, Miloš Sedláček

1 Elektronika pro zpracování optického signálu

Kubický spline. Obrázek 1 Proložení dat nezávislými kubickými polynomy bez požadavku spojitosti. T h T 2

VY_32_INOVACE_E 15 03

Číslicové filtry. Honza Černocký, ÚPGM

13 Barvy a úpravy rastrového

Osnova. Idea ASK/FSK/PSK ASK Amplitudové... Strana 1 z 16. Celá obrazovka. Konec Základy radiotechniky

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ČASOVĚ-FREKVENČNÍ ANALÝZA TIME-FREQUENCY ANALYSIS

Kapitola 1. Signály a systémy. 1.1 Klasifikace signálů

Lineární a adpativní zpracování dat. 3. Lineární filtrace I: Z-transformace, stabilita

Laplaceova transformace

ROZ1 CVIČENÍ VI. Geometrická registrace (matching) obrazů

Změna přesnosti obrábění vlivem vibrací stroje

MODERNÍ SMĚROVÉ ZPŮSOBY REPREZENTACE OBRAZŮ

3 METODY PRO POTLAČENÍ ŠUMU U ŘE- ČOVÉHO SIGNÁLU

Technická diagnostika, chyby měření

U Úvod do modelování a simulace systémů

VYUŽITÍ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODY MONTE CARLO V SOUDNÍM INŽENÝRSTVÍ

Operace s obrazem I. Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity Brno. prezentace je součástí projektu FRVŠ č.

Transkript:

Analýza signálů tecnikou Waveletů Piecota, Hynek 1 1 Ing., Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33 ynek.piecota@vsb.cz, ttp://www.fs.vsb.cz 1 Abstrakt Teorie analýzy signálů představuje účinný prostředek ke zkoumání vlastností reálnýc systémů, protože signály zprostředkovaně obsaují informace o tecnickém stavu zařízení. Metod pro vyodnocení těcto signálů je velké množství. Tento příspěvek se zaměřuje na metody analýzy signálů vycázející z transformace wavelet, které se uplatňují v případec, kdy nevystačíme s výsledky frekvenční analýzy signálů, ale potřebujeme frekvenční analýzu provádět i v závislosti na čase. Jsou převážně vodné pro zkoumání neperiodickýc tj. nestacionárníc signálů. Přitom jde o analýzu signálů či dvojrozměrnýc obrazů, jejic syntézu, kompresi a filtraci včetně odstraňování šumů ze signálů. 2 Transformace wavelet Transformace wavelet (dále WT) patří mezi časově frekvenční transformace. Spojitá wavelet transformace je definována rovnicí (1). Signál je při této transformaci rozložen do sady funkcí, tzv. waveletů. () t ψ (, s t) C ( τ, s) = f τ, dt (1) τ s ( τ, s,t) časové posunutí měřítko ψ wavelet f () t analyzovaný signál ( s) C τ, koeficienty transformace wavelet Výpočet této transformace lze zjednodušeně popsat ve čtyřec krocíc: 1. Vybere se vodný wavelet a nastaví se jako mateční. 2. Wavelet se porovná s analyzovaným signálem. Vypočítá se koeficient waveletu (koeficient sody). Čím je koeficient větší, tím je větší soda waveletu (při daném posunutí a měřítku) se signálem. 3. Wavelet se posune vzledem k signálu (časové posunutí) a opakuje se krok 2. Krok 3 se provádí pro všecna časová posunutí. 4. Změní se měřítko waveletu (dojde k roztažení waveletu) a opakují se kroky 2 a 3. Opakování se provádí pro všecna měřítka. Výše uvedený postup je znázorněn na obr. 1, obrázky byly převzaty z [Misiti 1996]. Koeficienty WT pro všecny celočíselné odnoty měřítka a poloy tvoří funkci, kterou lze znázornit graficky. Na obrázku obr. 4 jsou zobrazeny koeficienty WT pro sinusový signál s malou nespojitostí z obr. 2. Osa x

reprezentuje časové posunutí waveletu k signálu, osa y pak měřítko resp. frekvenci matečnío waveletu a barva vyjadřuje odnotu WT v každém bodě. Z obrázku 4 lze například jednoznačně určit čas výskytu nespojitosti, kterou bycom z FFT spektra nezjistili, viz obr. 3. 2. krok výpočtu 3. krok výpočtu 4. krok výpočtu Obr. 1 Postup výpočtu transformace wavelet nespojitost Obr. 2 Sinusový signál s malou nespojitostí Obr. 3 FFT spektrum Obr. 4 Koeficienty WT Vedle spojité transformace wavelet (CWT), která se provádí na diskrétním souboru dat pro všecny celočíselné odnoty měřítka a poloy existuje i diskrétní WT (DWT), u které se používají tzv. lavní měřítka (mocniny dvou). Vedle těcto dvou typů WT existuje i třetí nazývaná ryclá WT (FWT), u níž se používají pyramidové algoritmy výpočtu WT. Tyto algoritmy provádějí rozklad signálu na složky o nízké frekvenci označované A (approximations) a složky o vyšší frekvenci, označované D (details). Pro rozklad se využívají konvoluční funkce, které vytvářejí výstupní vektor dat poloviční délky původnío vektoru. Rozklad si lze také znázornit jako použití filtru orní propust pro získání koeficientů D a filtru dolní propust pro získání koeficientů A, viz obr. 5. Tento rozklad se dále aplikuje na vektor A (můžeme si jej představit jako vylazený signál S), čímž opět získáváme složky o nízké a vysoké frekvenci. Počet těcto rozkladů udává celočíselná odnota nazývaná ladina rozkladu. Rozklad signálu S na ladině rozkladu =3 je zobrazen na obr. 6. Obr. 5 Rozklad signálu Obr. 6 Rozklad signálu pro =3 Výpočet inverzní WT je proveden otočením procedury. Získání původnío signálu z vypočtenýc koeficientů WT lze popsat rovnicí (2).

S = A + (2) 1 + D1 = A2 + D2 + D1 = A3 + D3 + D2 D1 3 Detekce nespojitostí Oproti Fourierově transformaci umožňuje Wavelet transformace přesně detekovat okamžik změny v nespojitém signálu, je tedy vodná pro případy, kdy nevystačíme s výsledky kmitočtové analýzy signálů, ale potřebujeme frekvenční analýzu provádět i v závislosti na čase. Na obrázcíc obr. 2 až obr. 4 byla již v kapitole 2 ukázána možnost detekce nespojitosti pomocí vypočtenýc koeficientů WT. Detekci okamžiku nespojitosti můžeme detekovat také pomocí rozkladu signálu do složek a a d, podle příslušnéo algoritmu FWT. Obrázek obr. 7 ukazuje detekci okamžiku změny v nespojitém signálu. Pro analýzu signálu s byl použit wavelet db5 na ladině rozkladu = 5. Na obrázku je znázorněn rozklad do nízkofrekvenční složky a 5 a složek vyššíc frekvencí d 1 až d 5. Protože nespojitost obsauje vyšší frekvenční složky, ukazuje složka d 1 nejpřesněji nespojitost v signálu a to s dostatečnou přesností. Jak již bylo zmíněno dříve, pomocí Fourierovy analýzy by nebylo možné detekovat nespojitost u podobnýc signálů. Obr. 7 Detekce nespojitosti v signálu 4 Filtrace a odstraňování šumu signálu Další výraznou vlastností wavelet transformace je možnost filtrace a odstranění šumu ze signálů. Šum je náodný signál, který souvisí s cybou měření a vyodnocování, jako je například šum A/D převodníku a zaokroulovací šum aritmetickýc operací, nebo dalšími zcela náodnými jevy. Jeo odstranění je vodné zejména z důvodu snížení množství dat potřebnýc k vyodnocení, protože šum nenese informaci o cování a vlastnostec měřené soustavy. Odstraňování šumu bylo provedeno na záznamu vibrací převodovéo agregátu a to pro čtvrtý ryclostní stupeň s převodovým poměrem nací/nané 40/39. V záznamec se objevuje odezva záběru nejen zmíněnéo ozubenéo kola s 40 zuby, ale také odezvy záběru dalšíc ozubenýc kol převodovky a šum měření.

Jak lze pomocí wavelet transformace odstranit ze signálu šum, ukazuje obr. 8. K analýze byl využit wavelet db3 (wavelet třídy Daubecies se třemi koeficienty) na ladině rozkladu = 6. Postup odstranění šumu ze signálu: Obr. 8 Odstraňování šumu ze signálu vybere se vodný matečný wavelet a ladina rozkladu vypočítá se rozklad signálu na ladinác 0 až 1 pro ladiny detailů d 1 až d se stanoví prá omezení a aplikuje se proces odstranění podpraovýc odnot detailníc koeficientů provede se zpětná rekonstrukce, která je založena na použití původníc aproximovanýc koeficientů ladiny a modifikovanýc detailníc koeficientů z ladin 0 až 1 signálu. Na obr. 9 je zobrazen originální signál a signál bez šumu z obr. 8 ve zvětšeném měřítku. Z tooto obrázku lze rozeznat, že došlo k odstranění vysokofrekvenčníc složek, šumu.

Obr. 9 Originální signál (plná čára) a signál bez šumu (tečkovaná čára) 5 Závěr V příspěvku byly předvedeny možnosti využití Wavelet transformace ke zpracování signálů. Tato metoda je převážně vodná pro zkoumání neperiodickýc tj. nestacionárníc signálů. Přitom jde o analýzu signálů či dvojrozměrnýc obrazů, jejic syntézu, kompresi a filtraci včetně odstraňování šumů ze signálů. Wavelet transformace má dobré rozlišení jak pro vysokofrekvenční, tak i nízkofrekvenční části signálu. Svým určením je podobná Fourierově transformaci, která je však vodnější pro periodické signály. Wavelet transformaci je vodné aplikovat například při ledání bodu zlomu, nespojitosti či trendu signálu, který vykazuje jen malé změny. Oproti Fourierově transformaci umožňuje Wavelet transformace přesně detekovat okamžik změny trendu, popřípadě jeo časové derivace v nespojitém signálu, je tedy vodná pro případy, kdy nevystačíme s výsledky kmitočtové analýzy signálů, ale potřebujeme frekvenční analýzu provádět i v závislosti na čase. 6 Literatura BURRUS, C. S., GOPINATH, R. A. & GUO, H. 1998. Introduction to Wavelets and Wavelet Transforms: A Primer. Prentice Hall, 1998. 268 s. ISBN 0-13-489600-9. MISITI, M., MISITI, Y., OPPENHEIM, G. & POGGI, J-M. 1996. Wavelet Toolbox User s Guide. Te Mat Works, Inc. 1996. 604 s. NEWLAND, D. E. 1994. An Introduction to Random Vibrations, Spectral & Wavelet Analysis. 3 rd ed. Longman Scientific & Tecnical, 1994. 477 s. ISBN 0-582-21584-6. SMUTNÝ, J. 1998. Transformace wavelet a její využití při zpracování signálů. Automatizace, 1998, č. 10, s. 663-668. ISSN 0005-125X TŮMA, J. 1997. Zpracování signálů získanýc z mecanickýc systémů užitím FFT. 1. vyd. Praa : Sdělovací tecnika, 1997. 174 s. ISBN 80-901936-1-7.