墨西哥帽小波

在數學和數值分析裡, Ricker 小波
:\psi(t) = {2 \over {\sqrt {3\sigma}\pi^{1 \over 4}}} \left( 1 - {t^2 \over \sigma^2} \right) e^{-t^2 \over 2\sigma^2}

是对高斯函數的二阶导数进行取反并归一化的结果,也就是能夠縮放正規化的第二埃爾米特函數。在連續小波的家族當中,埃爾米特小波是個非常特別的存在(應用在連續小波轉換稱作埃爾米特轉換)。Ricker子波經常被採用來模擬地震數據,並作為在計算電動力學的廣譜源項。它通常只在美國才會被稱作墨西哥帽小波,因為在作为核函数處理2维圖像時,形成了墨西哥寬邊帽的形狀。 由于神經科學家David Marr 的缘故,该函数也被广泛称为 Marr wavelet
:
\psi(x,y) = -\frac{1}{\pi\sigma^4}\left(1-\frac{x^2+y^2}{2\sigma^2}\right) \mathrm{e}^{-(x^2+y^2)/2\sigma^2}.

而多維一般化的墨西哥帽小波稱為高斯函數的拉普拉斯。實際上,這種小波有時會用高斯函数的差來逼近,因為它可以被分離,也因此在二維或者更多維的情況下,能够節省大量的計算時間。規模標準化拉普拉斯 ( L_1-norm) 經常被用來作為一個blob檢測和計算機視覺應用中的自動規模選擇。墨西哥帽小波也可以用Cardinal B-Slines 的微分來逼近。

墨西哥帽函數的消失動量
消失動量(vanish moment)的定義:
小波轉換中,母小波\psi (t) 盡量選越高頻(意即vanish moment大的)越好.此處先介紹消失動量(vanish moment)的定義

k階動量(k-th moment):

m _{k} = \int_{-\infty}^{\infty} t^k\,\psi\ (t)\, dt

若m _{0} = m _{1} = m _{2} = .....=m _{p-1} =0,則我們稱母小波\psi (t) 的消失動量(vanish moment)為p

消失動量(vanish moment)越高,經內積後被濾掉的低頻成分越多.

墨西哥帽函數的消失動量(vanish moment):
墨西哥帽函數的數學表示式:

\psi(t)=\frac{2^{5/4}}{\sqrt{3}}(1-2 \pi t^2)e^{- \pi t^2}

仔細觀察,\psi(t) 其實是高斯函數的二次微分:

\psi(t) = C \frac{d^2}{dt^2}e^{- \pi t^2}, C= 常數。

而高斯函數做傅立葉轉換仍是高斯函數

\psi(t) = C \frac{d^2}{dt^2}e^{- \pi t^2} \to -C4 \pi ^2 f^2 e^{- \pi f^2}

利用\frac{1}{(-j2 \pi)^k}G^{(k)}(0) = \int t^kg(t)\, dt

可以算出m_0=m_1=0, m_2 \neq 0

所以墨西哥帽函數的消失動量為2。

高斯函數p次微分的消失動量(vanish moment):
高斯函數的p次微分的數學表示式:

\psi(t) = \frac{d^p}{dt^p}e^{- \pi t^2}

其傅立葉轉換為(j2 \pi f)^p e^{- \pi f^2} 。

利用\frac{1}{(-j2 \pi)^k}G^{(k)}(0) = \int t^kg(t)\, dt

可以算出m_0=m_1=m_{p-1}, m_p \neq 0。

所以高斯函數p次微分的消失動量為p。

同時也可以印證,墨西哥帽函數是高斯函數的二次微分,消失動量為2

參考文獻

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