Данные о шумоподавлении

Загрузите и постройте шумные неоднородно произведенные временные ряды.

load skyline
plot(T,y)
xlabel('Seconds')
grid on

Если вы строите различие времени выборки, вы видите, что данные неоднородно производятся.

plot(diff(T))
title('First Difference of Sampling Times')
axis tight
ylabel('\Delta T')
xlabel('Sample')
grid on

В этом синтетическом наборе данных у вас есть доступ к исходному бесшумному сигналу. Если вы отображаете те данные на графике, вы видите, что данные характеризуются путем сглаженного варьирования функций, а также резких переходных функций около 0.07, 0.26, и 0,79 секунды.

plot(T,f)
xlabel('Seconds')
grid on
title('Original (Noise-Free) Data')

В реальных приложениях резкие изменения в данных часто показывают важные события. Когда вы denoise такие данные, важно не сгладить переходные процессы. Вейвлеты обычно превосходят при шумоподавлении такие данные, потому что вейвлеты простираются, чтобы совпадать с более долгой длительностью, гладко варьирующейся функции и уменьшение, чтобы совпадать с переходными процессами. MLPT имеет подобные характеристики, но он естественно обрабатывает неоднородно выборочные данные. Denoise данные с помощью MLPT.

xden = mlptdenoise(y,T,3);
hline = plot(T,[f xden]);
grid on
hline(1).LineWidth = 2;
title('MLPT Denoising')

MLPT делает хорошее задание шумоподавления данные. Гладко различные функции хорошо представлены, и переходные процессы сохраняются. В этом синтетическом наборе данных можно на самом деле измерить отношение сигнал-шум (SNR) denoised версии.

SNR = 20*log10(norm(f,2)/norm(xden-f,2));
title(['SNR  ' num2str(SNR,'%2.2f') 'dB'])

ОСШ составляет почти 20 дБ. Конечно, можно проигнорировать то, что данные неоднородно производятся и обрабатывают выборки, как однородно произведено. Denoise предыдущий набор данных с помощью DWT.

xd = wdenoise(y,3,'Wavelet','bior2.2','DenoisingMethod','SURE','NoiseEstimate','LevelDependent');
SNR = 20*log10(norm(f,2)/norm(xd-f,2));
hline = plot(T,[f xd]);
title(['SNR  ' num2str(SNR,'%2.2f') 'dB'])
grid on
hline(1).LineWidth = 2;

Здесь DWT делает хорошее задание шумоподавления данные, но это превзойдено по характеристикам MLPT, который явным образом принимает неоднородные моменты выборки во внимание.

Сравните вейвлет и результаты шумоподавления MLPT против метода Savitzky-Golay, который реализует локальное полиномиальное приближение данных. Вариант Savitzky-Golay реализован в smoothdata указатели однородно и неоднородно выборочные данные.

xdsg = smoothdata(y,'sgolay','degree',4,'samplepoints',T);
SNR = 20*log10(norm(f,2)/norm(xdsg-f,2));
hline = plot(T,[f xdsg]);
title(['SNR  ' num2str(SNR,'%2.2f') ' dB'])
grid on
hline(1).LineWidth = 2;

И классический DWT и MLPT превосходят Savitzky-Golay по характеристикам на этих данных.

Рассмотрите другой неоднородно произведенный синтетический набор данных.

load nonuniformheavisine
plot(t,x)
grid on

Эти данные обычно более сглаженны, чем предыдущий пример с существенным исключением двух переходных процессов в 0,3 и 0,7 секунды. Данные как они представляют собой проблему для методов как Savitzky-Golay, потому что полином младшего разряда требуется, чтобы соответствовать гладко колеблющимся данным, в то время как полином высшего порядка требуется, чтобы аппроксимировать скачки.

Denoise данные с помощью MLPT и меры ОСШ. Возвратите и исходные коэффициенты MLPT и denoised коэффициенты.

[xden,t,wthr,w] = mlptdenoise(x,t,3,'denoisingmethod','SURE');
plot(t,[f xden])
grid on
SNR = 20*log10(norm(f,2)/norm(xden-f,2));
title({'MLPT Denoising'; ['SNR  ' num2str(SNR,'%2.2f') ' dB']})

Постройте исходные и denoised коэффициенты.

figure
subplot(2,1,1)
stem(w,'ShowBaseLine','off','Marker','None')
title('Original MLPT Coefficients')
subplot(2,1,2)
stem(wthr,'ShowBaseLine','off','Marker','None')
title('Denoised MLPT Coefficients')

Сравните результат MLPT с методом Savitzky-Golay.

xdsg = smoothdata(x,'sgolay','degree',4,'samplepoints',t);
figure
plot(t,[f xdsg])
grid on
SNR = 20*log10(norm(f,2)/norm(xdsg-f,2));
title({'Savitzky-Golay Denoising'; ['SNR  ' num2str(SNR,'%2.2f') ' dB']})

Здесь метод MLPT значительно превосходит Savitzky-Golay по характеристикам. Это особенно очевидно в неспособности метода Savitzky-Golay получить переходные процессы около 0,3 и 0,7 секунд.

Непараметрическая регрессия

Во многих приложениях цель состоит в том, чтобы оценить некоторую неизвестную функцию отклика, когда один или несколько переменных предикторов варьируются. Когда точная форма функции отклика неизвестна, это - пример непараметрической регрессии.

Главная цель в этих случаях состоит в том, чтобы часто получать сглаженную оценку, принимающую, что неизвестная функция отклика изменяется гладко с изменениями в предикторе.

Как пример непараметрической регрессии с неоднородно выборочными данными, считайте следующие данные, состоящие из измерений G-силы сделанными на шлеме мотоцикла макета краш-теста при условиях катастрофического отказа.

load motorcycledata
plot(times,gmeasurements)
grid on
xlabel('Time')
ylabel('G-force')

Если вы строите различие данных времени, вы видите, что данные производятся неоднородно.

plot(diff(times))
title('First Difference of Time Data')
grid on

Данные являются шумными, но в данных, кажется, существует ясная общая тенденция. А именно, существует начальная отрицательная G-сила, испытанная, который затем начинает становиться положительным в зависимости от времени. Положительное восстановление продолжает прошлый 0 и затем восстанавливается к базовой линии. Можно использовать mlptrecon получить непараметрическую регрессию для этих данных.

[w,t,nj,scalingmoments] = mlpt(gmeasurements,times,'dualmoments',4,...
    'primalmoments',4,'prefilter','none');
a4 = mlptrecon('a',w,t,nj,scalingmoments,4,'dualmoments',4);
hline = plot(times,[gmeasurements a4]);
grid on
hline(2).LineWidth = 2;
legend('Original Data','Smooth Fit')
xlabel('Time')
ylabel('G-force')
title('G-Force Measurements')

Приближение MLPT на уровне 4 обеспечивает хорошую сглаженную подгонку к данным, которые позволяют вам получать существенную природу ответа без эффекта шума.

Сводные данные

Этот пример продемонстрировал многошкальное локальное полиномиальное преобразование (MLPT), поднимающаяся схема, которая поддается неоднородно выборочным данным. MLPT полезен для шумоподавления или непараметрической регрессии в случаях пропавших без вести или неоднородно выборочных данных. Минимально, это - полезный сравнительный тест для сравнения с методами шумоподавления вейвлета, спроектированными, чтобы работать над однородно выборочными данными. В других случаях это превосходит обычное шумоподавление вейвлета по характеристикам путем явного принятия неоднородной сетки выборки во внимание.

Ссылки

Янсен, M. "Многошкальное Локальное Сглаживание Полинома в Снятой Пирамиде для Неравномерно расположенных Данных". Транзакции IEEE на Обработке сигналов. Издание 61, Номер 3, 2013, стр 545-555.

Янсен, M. и Патрик Унинккс. "Вейвлеты второго поколения и приложения". Лондон: Спрингер, 2005.