На рис.2 схематически изображено пирамидное представление одномерного сигнала. Сигналу ставятся в соответствие две пирамиды: пирамида гауссианов (ПГ) и пирамида лапласианов (ПЛ). Эти названия отражают аналогию с популярными в графике операциями сглаживания (свертки с колоколообразным фильтром) и выделения перепадов (вычисления “дискретного оператора Лапласа”). Можно считать эту конструкцию упрощенным вариантом предыдущей.
В основании ПГ находится исходный сигнал. Следующий этаж ПГ – исходный сигнал, профильтрованный низкочастотным фильтром h и прореженный после этого вдвое – предполагается, что фильтр h “убивает” верхнюю половину частотного диапазона, поэтому густоту выборки можно соответственно уменьшить. К этому этажу применяется та же операция, и так далее. В случае конечных сигналов каждый следующий этаж вдвое короче предыдущего.
Этажи ПЛ – разности между последовательными этажами ПГ. Они вычисляются
так. Пусть, например,
и
– первый
и второй этажи ПГ,
– первый этаж ПЛ, который мы хотим вычислить. Для этого сначала
выравниваются длины этажей:
а затем выполняется фильтрация сопряженным фильтром
(его коэффициенты – переставленные в обратном порядке коэффициенты h,
в Фурье-области это равнозначно переходу к
).
В результате возникает вектор
. По определению,
Теперь вместо исходного сигнала ()
достаточно запомнить пару (
).
Исходный сигнал можно точно восстановить по формуле:
Сигнал
вдвое короче исходного, а сигнал
,
как правило, почти целиком состоит из очень малых величин. Многие из этих
величин можно без заметного ущерба для точности восстановления заменить
нулями, а остальные закодировать более короткими словами, чем компоненты
исходного сигнала. За счет этого общая длина записи (
)
будет существенно меньше длины записи исходного сигнала. Это сокращение
станет еще больше, если вычислить несколько этажей ПЛ, и запоминать вместо
исходного сигнала несколько этажей ПЛ и последний этаж ПГ.
Степень сжатия информации этим методом зависит от выбора фильтра h.
При экспериментах с пирамидными представлениями было сделано наблюдение:
“качество” фильтра удобно выражать в терминах эквивалентной весовой
функции. Эта функция возникает так. Нетрудно вычислить коэффициенты
фильтров, свертка сигнала с которыми дает сразу второй этаж ПГ, третий этаж,
и т.д. Оказывается, что при соответствующей нормировке векторы этих
коэффициентов сходятся к некоей предельной “форме” – графику функции ,
которая должна удовлетворять функциональному уравнению:
(1.4)
Процесс получения
изображен на рис. 3.