Pure Mathematics
Vol. 09  No. 09 ( 2019 ), Article ID: 32935 , 21 pages
10.12677/PM.2019.99128

The Construction and the Mallat Algorithm of Biorthogonal Two Dimensional Four-Direction Multi-Wavelet with Dilation Factor a

Xu Zhang, Wanshe Li*

School of Mathematics and Information Science, Shaanxi Normal University, Xi’an Shaanxi

Received: Oct. 18th, 2019; accepted: Nov. 6th, 2019; published: Nov. 13th, 2019

ABSTRACT

Through the concept of two dimensional four-direction multi-scaling function and two dimensional four-direction multi-wavelet, the two dimensional four-direction orthogonal multi-wavelet with dilation factor two is generalized to two dimensional biorthogonal multi-wavelet with dilation factor a. Furthermore, the construction algorithm of two dimensional biorthogonal multi-scaling function and multi-wavelet with dilation factor a is given. Finally, the Mallat algorithm of two dimensional four-direction multi-wavelet with dilation factor a is studied.

Keywords:Two Dimensional Four-Direction Multi-Scaling Function, Two Dimensional Four-Direction Multi-Wavelet, Biorthogonality, Mallat Algorithm

a尺度二维四向双正交多小波的构造和Mallat算法

张旭,李万社*

陕西师范大学,数学与信息科学学院,陕西 西安

收稿日期:2019年10月18日;录用日期:2019年11月6日;发布日期:2019年11月13日

摘 要

通过二维四向多加细函数以及二维四向多小波的概念,推广二尺度二维四向正交多小波为a尺度二维四向双正交多小波,更进一步对于a尺度二维四向双正交多加细函数和多小波的构造算法做出了相应给出,最后研究了a尺度二维四向多小波的Mallat算法。

关键词 :二维四向多加细函数,二维四向多小波,双正交性,Mallat算法

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

小波分析是这些年来发展起来的一门新兴数学理论以及方法,在信号处理,语音处理,图像处理,数据压缩,微分方程求解,地震勘探等各个领域有着广泛的应用。Haar小波是同时具有正交性,对称性和紧支撑性的单小波,但是其它单小波并不能具有这样好的性质,所以人们引入了多小波。从带宽来看,二尺度小波高频端的带宽比较窄,那么从小波分析的效果来看二尺度小波效果相对比较差,所以人们提出了a尺度小波。双向小波的概念是杨守志等人首先提出的 [1],后来进一步得出了一系列好的理论和结果 [2] [3]。本文在引入二维四向多小波基础上,建立了a尺度二维四向多加细函数和a尺度二维四向多小波,给出了a尺度二维四向多加细函数和a尺度二维四向多小波的正交和双正交准则,以及它们的构造算法,最后讨论了a尺度二维四向多小波的分解与重构的Mallat算法。

2. 预备知识

先给出文章要提到的记号: C N 表示N维复欧几里德空间。 I 表示 r × r 阶单位矩阵, O 表示 r × r 阶零矩阵, T 表示向量或矩阵的转置,向量值函数信号空间 L 2 ( R , C N ) L 2 可以表示为 L 2 ( R , C N ) { F ( t ) = ( f 1 ( t ) , f 2 ( t ) , , f N ( t ) ) T : t R , f k ( t ) L 2 ( R ) , k = 1,2, , N } ,(根据文献 [4] )对于 F ( t ) L 2 ( R , C N ) 它的积分和Fourier变换分别定义为

R F ( t ) d t [ R f 1 ( t ) d t , R f 2 ( t ) d t , , R f N ( t ) d t ] T

F ( ω ) [ R f 1 ( t ) e i ω t d t , R f 2 ( t ) e i ω t d t , , R f N ( t ) e i ω t d t ] T

若F和G都是一元函数空间,它们两个的基底分别为 { f k ( x ) } k Z { g k ( x ) } k Z ,二元函数空间H表示为 H = F G 是F和G的张量积空间,H的基底可以表示为 { f k ( x ) g k ( x ) } k Z

定义 { V j } 的张量积空间为 V j 2 = V j V j = { f k ( x ) g k ( x ) } f ( x ) , g ( x ) V j ,而 { V j } 表示为由一元尺度函数 φ 生成的一个正交多分辨分析。那么关于二元函数 f ( x , y ) L 2 ( R 2 ) ,引入记号 φ ( x , y ) = φ ( x ) φ ( y )

二维四向加细尺度函数

基于双向尺度函数的概念,现在假设有 r + 1 个双向尺度函数 φ 1 ( x ) , φ 2 ( x ) , , φ r ( x ) , φ ( y ) L 2 ( R ) ,记 Φ ( x ) = [ φ 1 ( x ) , φ 2 ( x ) , , φ r ( x ) ] T ,那么通过 Φ ( x ) φ ( y ) 的张量积来构造二维四向多尺度函数。假设双向加细函数 φ i ( x ) φ ( y ) 都符合细分方程

φ i ( x ) = k P 1, k + φ i ( a x k ) + k P 1, k φ i ( k a x ) , i = 1, , r

φ ( y ) = k P 2, k + φ ( a y k ) + k P 2, k φ ( k a y )

Φ ( x , y ) = φ i ( x ) φ ( y ) ,就能得出

Φ ( x , y ) = { k P 1, k + φ i ( a x k ) + k P 1, k φ i ( k a x ) } { l P 2, l + φ ( a y l ) + l P 2, l φ ( l a y ) } = k , l P 1, k + P 2, l + φ i ( a x k ) φ ( a y l ) + k , l P 1, k + P 2, l φ i ( a x k ) φ ( l a y ) + k , l P 1, k P 2, l + φ i ( k a x ) φ ( a y l ) + k , l P 1, k P 2, l φ i ( k a x ) φ ( l a y ) = k , l P 1, k + P 2, l + φ ( a x k , a y l ) + k , l P 1, k + P 2, l φ ( a x k , l a y ) + k , l P 1, k P 2, l + φ ( k a x , a y l ) + k , l P 1, k P 2, l φ ( k a x , l a y ) .

从而根据适合的 { P l , k + , + } , { P l , k + , } , { P l , k , + } , { P l , k , } ,就有

Φ ( x , y ) = k , l P l , k + , + φ ( a x k , a y l ) + k , l P l , k + , φ ( a x k , l a y ) + k , l P l , k , + φ ( k a x , a y l ) + k , l P l , k , φ ( k a x , l a y ) .

Φ ( x , y ) = Φ ( x ) φ ( y ) ,则

Φ ( x , y ) = [ Φ 1 ( x , y ) , Φ 2 ( x , y ) , , Φ r ( x , y ) ] T

那么就可以有a尺度多小波细分方程

Φ ( x , y ) = k , l P l , k + , + Φ ( a x k , a y l ) + k , l P l , k + , Φ ( a x k , l a y ) + k , l P l , k , + Φ ( k a x , a y l ) + k , l P l , k , Φ ( k a x , l a y ) . (1)

接下来对(1)式进行Fourier变换就可以有

Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) = P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) , (2)

其中

P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l P k , l + , + e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) ,

P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l P k , l + , e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) ,

P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l P k , l , + e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) ,

P , ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l P k , l , e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) ,

P k , l , + = [ P 1, k , l , + P r , k , l , + 0 P r 2 , k , l , + ] , P k , l , = [ P 1, k , l , P r , k , l , 0 P r 2 , k , l , ] ,

为双正,正负和双负矩阵符号。下面对(1)进行变形有

Φ ( x , y ) = k , l P l , k + , + Φ ( x ) ( a x k , a y l ) + k , l P l , k + , Φ ( x ) ( a x k , l + a y ) + k , l P l , k , + Φ ( x ) ( k a x , a y l ) + k , l P l , k , Φ ( x ) ( k a x , l + a y ) . (3)

Φ ( x , y ) = k , l P l , k + , + Φ ( x ) ( a x k , a y l ) + k , l P l , k + , Φ ( x ) ( a x k , l a y ) + k , l P l , k , + Φ ( x ) ( a x + k , a y l ) + k , l P l , k , Φ ( x ) ( a x + k , l a y ) . (4)

Φ ( x , y ) = k , l P l , k + , + Φ ( x ) ( a x k , a y l ) + k , l P l , k + , Φ ( x ) ( a x k , l + a y ) + k , l P l , k , + Φ ( x ) ( a x + k , a y l ) + k , l P l , k , Φ ( x ) ( a x + k , l + a y ) . (5)

下面对(3)~(5)式都进行Fourier变换就有

Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) = P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) , (6)

Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) = P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) , (7)

Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) = P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + P , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) , (8)

根据(2)(6)~(8)式可以有,令

Γ ( x , y ) = [ Φ ( x , y ) , Φ ( x , y ) , Φ ( x , y ) , Φ ( x , y ) ] T ,

Γ ^ ( ω 1 , ω 2 ) = [ P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) ] Γ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) , (9)

方程(2)有解,当且仅当式(9)有解。

Γ ( x , y ) = k , l [ P k , l + , + P k , l + , P k , l , + P k , l , P k , l + , P k , l + , + P k , l , P k , l , + P k , l , + P k , l , P k , l + , + P k , l + , P k , l , P k , l , + P k , l + , P k , l + , + ] Γ ( a x k , a y l ) , (10)

则(9)式为 Γ ( x , y ) 在频域里的a尺度加密方程,它的加细面具符号为

P ( ω 1 , ω 2 ) = [ P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , ( ω 1 a , ω 2 a ) P , + ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , ( ω 1 a , ω 2 a ) P + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) ] (11)

定义方程(1)的自相关矩阵符号

Ω ( x , y ) = k , l [ Ω 11 Ω 12 Ω 13 Ω 14 Ω 21 Ω 22 Ω 23 Ω 24 Ω 31 Ω 32 Ω 33 Ω 34 Ω 41 Ω 42 Ω 43 Ω 44 ] e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) ,

其中

Ω 11 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , y l ) ; Ω 12 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , l y ) ;

Ω 13 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , y l ) ; Ω 14 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , l y ) ;

Ω 21 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , y l ) ; Ω 22 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , l y ) ;

Ω 23 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , y l ) ; Ω 24 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , l y ) ;

Ω 31 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , y l ) ; Ω 32 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , l y ) ;

Ω 33 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , y l ) ; Ω 34 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , l y ) ;

Ω 41 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , y l ) ; Ω 42 = Φ ( x , y ) , Φ ( x k , l y ) ;

Ω 43 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , y l ) ; Ω 44 = Φ ( x , y ) , Φ ( k x , l y ) .

下面引入变换算子 τ

τ A ( ( ω 1 ) a , ( ω 2 ) a ) = k , l = 0 a 1 P ( ω 1 + 2 k π a , ω 2 + 2 l π a ) A ( ω 1 + 2 k π a , ω 2 + 2 l π a ) P * ( ω 1 + 2 k π a , ω 2 + 2 l π a ) , (12)

其中 A ( ( ω 1 ) a , ( ω 2 ) a ) P ( ω 1 , ω 2 ) 的Laurent多项式, P ( ω 1 , ω 2 ) 由(12)式可知。

关于 Ω ( ω 1 , ω 2 ) τ 可以有下面的引理。

引理1:矩阵符号 Ω ( ω 1 , ω 2 ) 和变换算子 τ 的定义如上,那么由Poisson求和公式可得

Ω ( ω 1 , ω 2 ) = k , l [ Φ ( ω 1 + 2 k π a , ω 2 + 2 l π a ) Φ ( ω 1 + 2 k π a , ω 2 2 l π a ) Φ ( ω 1 2 k π a , ω 2 + 2 l π a ) Φ ( ω 1 2 k π a , ω 2 2 l π a ) ] [ Φ ( ω 1 + 2 k π a , ω 2 + 2 l π a ) Φ ( ω 1 + 2 k π a , ω 2 2 l π a ) Φ ( ω 1 2 k π a , ω 2 + 2 l π a ) Φ ( ω 1 2 k π a , ω 2 2 l π a ) ] T

进一步,我们可以得出 Ω ( ω 1 , ω 2 ) τ 相应于特征值为1的特征矩阵。

定理1:加细方程(1)有紧支撑解当且仅当它的面具符号满足下面情况之一

1) ( k , l ( P k , l + , + + P k , l + , + P k , l , + + P k , l , ) = a 2 I , | k , l ( P k , l + , + P k , l + , P k , l , + + P k , l , ) | a 2 , | k , l ( P k , l + , + + P k , l + , P k , l , + P k , l , ) | a 2 , | k , l ( P k , l + , + P k , l + , + P k , l , + P k , l , ) | a 2 ;

2) ( | k , l ( P k , l + , + + P k , l + , + P k , l , + + P k , l , ) | a 2 , k , l ( P k , l + , + P k , l + , P k , l , + + P k , l , ) = a 2 I , | k , l ( P k , l + , + + P k , l + , P k , l , + P k , l , ) | a 2 , | k , l ( P k , l + , + P k , l + , + P k , l , + P k , l , ) | a 2 ;

3) ( | k , l ( P k , l + , + + P k , l + , + P k , l , + + P k , l , ) | a 2 , | k , l ( P k , l + , + P k , l + , P k , l , + + P k , l , ) | a 2 , k , l ( P k , l + , + + P k , l + , P k , l , + P k , l , ) = a 2 I , | k , l ( P k , l + , + P k , l + , + P k , l , + P k , l , ) | a 2 ;

4) ( | k , l ( P k , l + , + + P k , l + , + P k , l , + + P k , l , ) | a 2 , | k , l ( P k , l + , + P k , l + , P k , l , + + P k , l , ) | a 2 , | k , l ( P k , l + , + + P k , l + , P k , l , + P k , l , ) | a 2 , k , l ( P k , l + , + P k , l + , + P k , l , + P k , l , ) = a 2 I ;

证明:根据文献 [5] [6] [7] [8],方程(10)存在紧支撑分布解当且仅当1是(11)式定义矩阵 P ( 1,1 ) 的一个特征值, P ( 1,1 ) 的其他特征值的模都不大于1。另外, P ( 1,1 ) 的4个特征值分别是 1 a 2 k , l ( P k , l + , + P k , l + , P k , l , + + P k , l , ) 1 a 2 k , l ( P k , l + , + + P k , l + , P k , l , + P k , l , ) 以及 1 a 2 k , l ( P k , l + , + P k , l + , + P k , l , + P k , l , ) 。定理易证。

定理2:若要 Φ ( x , y ) 有紧支撑性,则要证明每个分量是紧支撑的。设 Φ ( x ) = [ φ 1 ( x ) , φ 2 ( x ) , , φ r ( x ) ] T ,其中 φ i ( x ) φ ( y ) 是双向细分函数满足

φ i ( x ) = k = 0 N 1 P k + φ i ( a x k ) + k = N 1 0 P k φ i ( k a x )

φ ( y ) = k = 0 N 2 p k + φ ( a y k ) + k = N 2 0 p k φ ( k a y )

如果 Φ ( x ) φ ( y ) 是紧支撑的,那么可根据 Φ ( x ) φ ( y ) 的张量积生成二维四向加细函数 S u p p Φ ( x ) [ N 1 a 1 , N 1 a 1 ] S u p p φ ( y ) [ N 2 a 1 , N 2 a 1 ] ,则有

S u p p Φ ( x , y ) = Φ ( x ) φ ( y ) [ N 1 a 1 , N 1 a 1 ] × [ N 2 a 1 , N 2 a 1 ]

证明:根据文献 [9] 中定理4可知。

3. a尺度二维四向多分辨分析

定义子空间序列 { V j } j Z L 2 ( R 2 )

V j = C l o s e L 2 ( R 2 ) a j Φ ( a j x k , a j y l ) , a j Φ ( a j x k , l a j y ) , a j Φ ( k a j x , a j y l ) , a j Φ ( k a j x , l a j y ) , k , l Z , (13)

那么要产生在 L 2 ( R 2 ) 中的一个多分辨分析 { V j } j Z 当且仅当(13)式里的 V j 应当满足以下条件:

1) V 1 V 0 V 1

2) C l o s e L 2 ( R 2 ) j Z V j = L 2 ( R 2 )

3) j Z V j = { 0 }

4) f ( x , y ) V j f ( a x , a y ) V j + 1

5) 存在 L 2 ( R 2 ) 里的一个函数 Φ ( x , y ) ,使得集合 { Φ ( x k , y l ) , Φ ( x k , l y ) , Φ ( k x , y l ) , Φ ( k x , l y ) : k , l Z } V 0 的Riesz基,那么就有两个常数 0 < A B < ,则对于系数向量序列

{ c k , l } k , l Z = { [ c 1 k , l , c 2 k , l , c 3 k , l , c 4 k , l ] } k , l Z l 2 ( Z 4 )

A k , l Z c k , l c k , l * 2 2 k , l Z c 1 k , l Φ ( x k , y l ) + k , l Z c 2 k , l Φ ( x k , l y ) + k , l Z c 3 k , l Φ ( k x , y l ) + k , l Z c 4 k , l Φ ( k x , l y ) 2 2 B k , l Z c k , l c k , l * 2 2 , (14)

称式(14)为稳定性条件。

根据多重多分辨分析的性质 f ( x , y ) V j f ( x + k a j , y + l a j ) V j ,可以定义:

Φ j , k , l + , + = a j Φ ( a j x k , a j y l ) , Φ j , k , l + , = a j Φ ( a j x k , l a j y ) ,

Φ j , k , l , + = a j Φ ( k a j x , a j y l ) , Φ j , k , l , = a j Φ ( k a j x , l a j y ) .

{ Φ j , k , l + , + , Φ j , k , l + , , Φ j , k , l , + , Φ j , k , l , : k , l Z } 同样可以构成 V j 的Riesz基,有

A k , l Z c k , l c k , l * 2 2 k , l Z c 1 k , l Φ j , k , l + , + + k , l Z c 2 k , l Φ j , k , l + , + k , l Z c 3 k , l Φ j , k , l , + + k , l Z c 4 k , l Φ j , k , l , 2 2 B k , l Z c k , l c k , l * 2 2 ,

因为 Φ ( x , y ) V 0 V 1 ,并且 { Φ j , k , l + , + , Φ j , k , l + , , Φ j , k , l , + , Φ j , k , l , : k , l Z } 同样也可以构成 V 1 的Riesz基,故有 c 1 k , l , c 2 k , l , c 3 k , l , c 4 k , l l 2 ( Z 4 ) ,从而使 Φ ( x , y ) 满足(1)式。

定理3:如果尺度函数 Φ ( x , y ) L 2 ( R 2 ) 符合多分辨分析,现定义 V j = { Φ j , k , l + , + , Φ j , k , l + , , Φ j , k , l , + , Φ j , k , l , : k , l Z } 构成 V 0 的Riesz基。若存在函数集 { Φ ( x k , y l ) , Φ ( x k , l y ) , Φ ( k x , y l ) , Φ ( k x , l y ) : k , l Z } 构成 V 0 的Riesz基,那么 j Z V j = { 0 }

证明:由于 { Φ j , k , l + , + , Φ j , k , l + , , Φ j , k , l , + , Φ j , k , l , : k , l Z } 构成 V 0 的Riesz基,故存在两个常数 0 < A B < ,对任意的 f ( x , y ) V 0 ,有

A f 2 2 k , l Z | f , Φ 0, k , l + , + | 2 + k , l Z | f , Φ 0, k , l + , | 2 + k , l Z | f , Φ 0, k , l , + | 2 + k , l Z | f , Φ 0, k , l , | 2 B f 2 2 ,

所以对于所有的 f ( x , y ) V j ,就有

A f 2 2 k , l Z | f , Φ j , k , l + , + | 2 + k , l Z | f , Φ j , k , l + , | 2 + k , l Z | f , Φ j , k , l , + | 2 + k , l Z | f , Φ j , k , l , | 2 B f 2 2 ,

对于 ε > 0 f ( x , y ) j Z V j ,存在一个紧支撑连续函数 f ˜ ( x , y ) ,使 f f ˜ L 2 ε

P j V j 的正交投影算子,则 f P j f ˜ f P j f ˜ = P j f P j f ˜ f f ˜ ε ,故 f ε + P j f ˜ , j Z

S u p p f ˜ ( x , y ) = [ r , r ] × [ r , r ] = S ,则

k , l Z | f ˜ , Φ j , k , l + , + | 2 a 2 j k , l Z [ ( x , y ) S | f ˜ ( x , y ) | | Φ ( a j x k , a j y l ) | d x d y ] 2 a 2 j f ˜ ( x , y ) L 2 k , l Z [ ( x , y ) S | Φ ( a j x k , a j y l ) | d x d y ] 2 a 2 j f ˜ ( x , y ) L 2 k , l Z ( x , y ) S | Φ ( a j x k , a j y l ) | 2 d x d y = f ˜ ( x , y ) L 2 D j | Φ ( x , y ) | 2 d x d y

其中 D j = k , l [ k a j r , k + a j r ] × [ l a j r , l + a j r ] 。所以,当 j k , l Z | f ˜ , Φ j , k , l + , + | 2 0 。同理,可以证明: k , l Z | f ˜ , Φ j , k , l , + | 2 0 k , l Z | f ˜ , Φ j , k , l + , | 2 0 k , l Z | f ˜ , Φ j , k , l , | 2 0 。又由于

P j f ˜ 2 1 A k , l Z [ | f , Φ 0, k , l + , + | 2 + | f , Φ 0, k , l + , | 2 + | f , Φ 0, k , l , + | 2 + | f , Φ 0, k , l , | 2 ]

所以 lim j P j f ˜ = 0 。根据 f ε + P j f ˜ , j Z ,可以知道 f ( x , y ) = 0

定理4:若 Φ ( x , y ) L 2 ( R 2 ) 符合定义式(1),根据(13)式定义的 V j ,若 Φ ( x , y ) 满足1) 集合 { Φ ( x k , y l ) , Φ ( x k , l y ) , Φ ( k x , y l ) , Φ ( k x , l y ) : k , l Z } V 0 的Riesz基;2) 对所有的 ( ω 1 , ω 2 ) R 2 Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) 有界;3) Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) ( ω 1 , ω 2 ) = ( 0,0 ) 附近连续, Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) 0 ,那么 C l o s e L 2 ( R 2 ) j Z V j = L 2 ( R 2 )

证明:由于 { Φ j , k , l + , + , Φ j , k , l + , , Φ j , k , l , + , Φ j , k , l , : k , l Z } 构成 V 0 的Riesz基,故存在两个常数 0 < A B < ,对任意的 f ( x , y ) V 0 ,有

A f 2 2 k , l Z | f , Φ 0, k , l + , + | 2 + k , l Z | f , Φ 0, k , l + , | 2 + k , l Z | f , Φ 0, k , l , + | 2 + k , l Z | f , Φ 0, k , l , | 2 B f 2 2 ,

所以对于所有的 f ( x , y ) V j ,就有

A f 2 2 k , l Z | f , Φ j , k , l + , + | 2 + k , l Z | f , Φ j , k , l + , | 2 + k , l Z | f , Φ j , k , l , + | 2 + k , l Z | f , Φ j , k , l , | 2 B f 2 2 ,

对于 f ( x , y ) ( j Z V j ) ,那么就有紧支撑连续函数 f ˜ ( x , y ) ,使 f f ˜ L 2 ε

P j V j 的正交投影算子,则 P j f ˜ = P j ( f ˜ f ) L 2 ε 。又因为 P j f ˜ V j ,则

B P j f ˜ 2 k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l + , + | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l + , | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l , + | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l , | 2 ,

进一步可以得到

k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l + , + | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l + , | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l , + | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l , | 2 = 1 ( 2 π ) 4 + + ( | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 + | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 + | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 + | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 ) P j f ˜ ^ ( ω 1 , ω 2 ) d ω 1 d ω 2 + D

其中

D ( Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 ) k 0 , l 0 | P j f ˜ ( a j k , a j l ) | 2 .

因为 f ˜ ( x , y ) C ,所以存在一个常数M,使 | f ˜ ( x , y ) | M ( 1 + | x + y | ) 2

D M 2 ( Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 ) k 0 , l 0 | P j f ˜ ( a j k , a j l ) | 2 M 2 ( Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 + Φ ^ ( ω 1 , ω 2 ) L 2 ) k 0 , l 0 ( 1 + | a j k + a j l | ) 2 M 2 a 2 j

由以上的推导,可以得到

1 ( 2 π ) 4 + + ( | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 + | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 + | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 + | Φ ^ ( a j ω 1 , a j ω 2 ) | 2 ) P j f ˜ ^ ( ω 1 , ω 2 ) d ω 1 d ω 2 k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l + , + | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l + , | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l , + | 2 + k , l Z | P j f ˜ , Φ j , k , l , | 2 + | D | B ε 2 + M 2 a 2 j .

由于 Φ ( ω 1 , ω 2 ) 有界且在 ( ω 1 , ω 2 ) = ( 0,0 ) 附近处连续且 Φ ( 0,0 ) 0 ,故当 j + 时,以上不等式收敛于

1 ( 2 π ) 4 ( | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 + | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 + | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 + | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 ) P j f ˜ ^ L 2 2 = 1 4 π 4 | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 P j f ˜ ^ L 2 2

从而 P j f ˜ ^ L 2 2 ( 2 π ) 4 B ε 2 4 | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 = 4 π 4 B ε 2 | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 ,所以 f L 2 ε + P j f ˜ ^ L 2 ε + 2 π 2 B ε | Φ ^ ( 0,0 ) | 2 ,因为 ε 是任意小的,所以 f = 0 ,则说明 C l o s e L 2 ( R 2 ) j Z V j = L 2 ( R 2 )

4. 双正交二维四向加细函数和小波

定理5:如果二维四向加细函数是正交的,那么应该满足下列等式

Φ ( x , y ) , Φ ( x k , y l ) = δ 0, k δ 0, l I r , Φ ( x , y ) , Φ ( k x , y l ) = O r , Φ ( x , y ) , Φ ( x k , l y ) = O r , Φ ( x , y ) , Φ ( k x , l y ) = O r .

定理6:如果二维四向加细函数 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 是双正交的,那么应该满足下列等式

Φ ( x , y ) , Φ ˜ ( x k , y l ) = δ 0, k δ 0, l I r , Φ ( x , y ) , Φ ˜ ( k x , y l ) = O r , Φ ( x , y ) , Φ ˜ ( x k , l y ) = O r , Φ ( x , y ) , Φ ˜ ( k x , l y ) = O r .

定理7:如果二维四向加细函数 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 是双正交的尺度函数,那么它的双正面具,正负面具和双负面具符号都应该满足

( k , l = 0 a 1 { P + , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , + ( p 1 , p 2 ) + P , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ , + ( p 1 , p 2 ) + P + , ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , ( p 1 , p 2 ) + P , ( p 1 , p 2 ) P ˜ , ( p 1 , p 2 ) } = I r k , l = 0 a 1 { P + , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , ( p 1 , p 2 ) + P + , ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , + ( p 1 , p 2 ) + P , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ , ( p 1 , p 2 ) + P , ( p 1 , p 2 ) P ˜ , + ( p 1 , p 2 ) } = O r k , l = 0 a 1 { P + , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ , + ( p 1 , p 2 ) + P + , ( p 1 , p 2 ) P ˜ , ( p 1 , p 2 ) + P , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , + ( p 1 , p 2 ) + P , ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , ( p 1 , p 2 ) } = O r k , l = 0 a 1 { P + , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ , ( p 1 , p 2 ) + P + , ( p 1 , p 2 ) P ˜ , + ( p 1 , p 2 ) + P , + ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , ( p 1 , p 2 ) + P , ( p 1 , p 2 ) P ˜ + , + ( p 1 , p 2 ) } = O r (15)

其中: p 1 = ω 1 + 2 k π a p 2 = ω 2 + 2 l π a

证明:由文献 [7] 的定理1以及本文定理5定理6正交双正交定义易证。

假设 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 是双正交二维四向加细函数,对任意的 j Z ,定义 V j + 1 = V j W j ,其中 W j V j V j + 1 中的正交补。那么当 j k 时,就有 W j W k 并且 L 2 ( R ) = j Z W j ,其中 W j = h = 1 a 1 { W j h ,1 W j h ,2 W j h ,3 } W j h ,1 W j h ,2 W j h ,1 W j h ,1 W j h ,2 W j h ,3

如果有r个小波函数 ψ 1 ( x ) , ψ 2 ( x ) , , ψ r ( x ) ,则记 Ψ h , i ( x ) = [ ψ 1 ( x ) , ψ 2 ( x ) , , ψ r ( x ) ] T ,则通过张量积的构造就有

Ψ h , i ( x , y ) = Ψ h , i ( x ) ψ ( y ) = [ Ψ 1 ( x , y ) , Ψ 2 ( x , y ) , , Ψ r ( x , y ) ] T

Ψ ˜ h , i ( x , y ) = [ Ψ ˜ 1 ( x , y ) , Ψ ˜ 2 ( x , y ) , , Ψ ˜ r ( x , y ) ] T

( h = 1 , 2 , , a 1 ; i = 1 , 2 , 3 ) ,使得集合 { Ψ h , i ( x k , y l ) , Ψ h , i ( x k , l y ) , Ψ h , i ( k x , y l ) , Ψ h , i ( k x , l y ) : k , l Z , h = 1,2, , a 1 ; i = 1,2,3 } 和集合 { Ψ ˜ h , i ( x k , y l ) , Ψ ˜ h , i ( x k , l y ) , Ψ ˜ h , i ( k x , y l ) , Ψ ˜ h , i ( k x , l y ) : k , l Z , h = 1,2, , a 1 ; i = 1,2,3 } 构成 W 0 的一组双正交基,则 Ψ h , i ( x , y ) Ψ ˜ h , i ( x , y ) 是与 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 对应的双正交二维四向多小波函数,应该满足

Φ ˜ ( x , y ) , Ψ h , i ( x k , y l ) = Φ ˜ ( x , y ) , Ψ h , i ( x k , l y ) = O r , Φ ( x , y ) , Ψ ˜ h , i ( k x , y l ) = Φ ( x , y ) , Ψ ˜ h , i ( k x , l y ) = O r , Φ ˜ ( x , y ) , Ψ h , i ( k x , y l ) = Φ ˜ ( x , y ) , Ψ h , i ( k x , l y ) = O r , Ψ n , m ( x , y ) , Ψ ˜ s , t ( x k , y l ) = δ n , s δ m , t δ 0, k δ 0, l I r ,

Ψ n , m ( x , y ) , Ψ ˜ s , t ( x k , l y ) = O r , Ψ ˜ n , m ( x , y ) , Ψ ˜ s , t ( x k , y l ) = δ n , s δ m , t δ 0, k δ 0, l I r , Ψ ˜ n , m ( x , y ) , Ψ ˜ s , t ( x k , l y ) = O r , Ψ n , m ( x , y ) , Ψ s , t ( k x , y l ) = O r ,

Ψ n , m ( x , y ) , Ψ s , t ( k x , l y ) = O r , Ψ ˜ n , m ( x , y ) , Ψ ˜ s , t ( k x , y l ) = O r , Ψ ˜ n , m ( x , y ) , Ψ ˜ s , t ( k x , l y ) = O r , (16)

其中: h , n , s = 1 , 2 , , a 1 ; i , m , t = 1 , 2 , 3

假如 Ψ h , i ( x , y ) Φ ( x , y ) 对应的多小波函数,相应的 Ψ ˜ h , i ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 对应的多小波函数,那么就存在 { Q k , l h , i , + , + } k , l Z { Q k , l h , i , + , } k , l Z { Q k , l h , i , , + } k , l Z { Q k , l h , i , , } k , l Z { Q ˜ k , l h , i , + , + } k , l Z { Q ˜ k , l h , i , + , } k , l Z { Q ˜ k , l h , r , , + } k , l Z { Q ˜ k , l h , i , , } k , l Z ,满足

Ψ h , i ( x , y ) = k , l Q k , l h , i , + , + Φ ( a x k , a y l ) + k , l Q k , l h , i , + , Φ ( a x k , l a y ) + k , l Q k , l h , i , , + Φ ( k a x , a y l ) + k , l Q k , l h , i , , Φ ( k a x , l a y ) ; (17)

Ψ ˜ h , i ( x , y ) = k , l Q ˜ k , l h , i , + , + Φ ˜ ( a x k , a y l ) + k , l Q ˜ k , l h , i , + , Φ ˜ ( a x k , l a y ) + k , l Q ˜ k , l h , i , , + Φ ˜ ( k a x , a y l ) + k , l Q ˜ k , l h , i , , Φ ˜ ( k a x , l a y ) . (18)

对(17)式和(18)式两边做Fourier变换

Ψ ^ h , i ( ω 1 , ω 2 ) = Q h , i , + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + Q h , i , + , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + Q h , i , , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + Q h , i , , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) ;

Ψ ˜ ^ h , i ( ω 1 , ω 2 ) = Q ˜ h , i , + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + Q ˜ h , i , + , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + Q ˜ h , i , , + ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) + Q ˜ h , i , , ( ω 1 a , ω 2 a ) Φ ^ ( ω 1 a , ω 2 a ) ;

其中

Q h , i , + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q k , l h , i , + , + e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) , Q h , i , + , ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q k , l h , i , + , e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) , Q h , i , , + ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q k , l h , i , , + e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) , Q h , i , , ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q k , l h , i , , e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) ,

( h = 1 , 2 , , a 1 ; i = 1 , 2 , 3 ) Ψ h , i ( x , y ) 的双正,正负,双负面具符号。

Q ˜ h , i , + , + ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q ˜ k , l h , i , + , + e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) , Q ˜ h , i , + , ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q ˜ k , l h , i , + , e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) , Q ˜ h , i , , + ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q ˜ k , l h , i , , + e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) , Q ˜ h , i , , ( ω 1 a , ω 2 a ) = 1 a 2 k , l Q ˜ k , l h , i , , e i ( ω 1 k a + ω 2 l a ) ,

( h = 1 , 2 , , a 1 ; i = 1 , 2 , 3 ) Ψ ˜ h , i ( x , y ) 的双正,正负,双负面具符号。

定理8:若 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 是双正交二维四向多加细函数, Ψ h , i ( x , y ) Ψ ˜ h , i ( x , y ) 是相应的双正交二维四向多小波函数,则它们的面具符号满足

(19)

(20)

其中: h , m , n = 1 , 2 , , a 1 ; i , s , t = 1 , 2 , 3 ; p 1 = ω 1 + 2 k π a ; p 2 = ω 2 + 2 l π a

证明:根据(16)式的正交性易得。

5. 构造算法

定理9:如果 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 是双正交二维四向多加细函数, Ψ h , i ( x , y ) Ψ ˜ h , i ( x , y ) 是相应的双正交二维四向多小波函数, P ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) Q h , i ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i ( ω 1 , ω 2 ) 是矩阵符号,构造

( P + , + ( ω 1 , ω 2 ) = λ 0 ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = 1 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) Q h , i ( ω 1 , ω 2 ) , P + , ( ω 1 , ω 2 ) = λ a ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = a + 1 2 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) Q h , i ( ω 1 , ω 2 ) , P , + ( ω 1 , ω 2 ) = λ 2 a ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = 2 a + 1 3 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) Q h , i ( ω 1 , ω 2 ) , P , ( ω 1 , ω 2 ) = λ 3 a ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = 3 a + 1 4 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) Q h , i ( ω 1 , ω 2 ) ;

( P ˜ + , + ( ω 1 , ω 2 ) = λ ˜ 0 ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = 1 a 1 λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ h , i ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ + , ( ω 1 , ω 2 ) = λ ˜ a ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = a + 1 2 a 1 λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ h , i ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ , + ( ω 1 , ω 2 ) = λ ˜ 2 a ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = 2 a + 1 3 a 1 λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ h , i ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ , ( ω 1 , ω 2 ) = λ ˜ 3 a ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = 3 a + 1 4 a 1 λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ h , i ( ω 1 , ω 2 ) .

( h : 0 h a 10 h 4 a 1 ; i : 1 i 3 ; i , h Z + ) 。函数 λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) 2 π a 为周期,且满足

1) ( j = 0 4 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) = 1 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 , λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 ;

2) ( j = 0 4 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) = 1 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , | λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 , λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 ;

3) ( j = 0 4 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) = 1 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , | λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 , λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 ;

4) ( j = 0 4 a 1 λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ j ( ω 1 , ω 2 ) = 1 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { λ j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 3 a + j ( ω 1 , ω 2 ) + λ a + j ( ω 1 , ω 2 ) λ ˜ 2 a + j ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , | λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) + λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ 0 ( 0 , 0 ) + λ a ( 0 , 0 ) λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , | λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) + λ ˜ a ( 0 , 0 ) λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) | < 1 , λ 0 ( 0 , 0 ) λ a ( 0 , 0 ) + λ 2 a ( 0 , 0 ) λ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 , λ ˜ 0 ( 0 , 0 ) λ ˜ a ( 0 , 0 ) + λ ˜ 2 a ( 0 , 0 ) λ ˜ 3 a ( 0 , 0 ) = 1 ;

P + , + ( ω 1 , ω 2 ) , P + , ( ω 1 , ω 2 ) , P , + ( ω 1 , ω 2 ) , P , ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ + , + ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ + , ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ , + ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ , ( ω 1 , ω 2 ) ,产生一个双正交二维四向多细分函数 Φ ( x , y ) 并满足

Φ ( x , y ) = k , l P l , k + , + Φ ( a x k , a y l ) + k , l P l , k + , Φ ( a x k , l a y ) + k , l P l , k , + Φ ( k a x , a y l ) + k , l P l , k , Φ ( k a x , l a y ) .

Φ ˜ ( x , y ) = k , l P ˜ l , k + , + Φ ˜ ( a x k , a y l ) + k , l P ˜ l , k + , Φ ˜ ( a x k , l a y ) + k , l P ˜ l , k , + Φ ˜ ( k a x , a y l ) + k , l P ˜ l , k , Φ ˜ ( k a x , l a y ) .

证明:将上面已经构造的 P + , + ( ω 1 , ω 2 ) , P + , ( ω 1 , ω 2 ) , P , + ( ω 1 , ω 2 ) , P , ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ + , + ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ + , ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ , + ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ , ( ω 1 , ω 2 ) ,代入(15)式化简可得。再令(11)式 P ( ω 1 , ω 2 ) = P ( 0,0 ) ,则化简 P ( 0,0 ) 并求特征值可证得定理。

定理10:如果 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 是双正交二维四向多加细函数, Ψ h , i ( x , y ) Ψ ˜ h , i ( x , y ) 是相应的双正交二维四向多小波函数, P ( ω 1 , ω 2 ) , P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) Q j , s ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ j , s ( ω 1 , ω 2 ) 是面具符号,构造

( Q h , i , + , + ( ω 1 , ω 2 ) = μ 0 h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = 1 a 1 μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q j , s ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , + , ( ω 1 , ω 2 ) = μ a h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = a + 1 2 a 1 μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q j , s ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , , + ( ω 1 , ω 2 ) = μ 2 a h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = 2 a + 1 3 a 1 μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q j , s ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , , ( ω 1 , ω 2 ) = μ 3 a h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ( ω 1 , ω 2 ) + j = 3 a + 1 4 a 1 μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q j , s ( ω 1 , ω 2 ) ;

( Q ˜ h , i , + , + ( ω 1 , ω 2 ) = μ ˜ 0 h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = 1 a 1 μ ˜ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ j , s ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , + , ( ω 1 , ω 2 ) = μ ˜ a h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = a + 1 2 a 1 μ ˜ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ j , s ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , , + ( ω 1 , ω 2 ) = μ ˜ 2 a h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = 2 a + 1 3 a 1 μ ˜ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ j , s ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , , ( ω 1 , ω 2 ) = μ ˜ 3 a h , i ( ω 1 , ω 2 ) P ˜ ( ω 1 , ω 2 ) + j = 3 a + 1 4 a 1 μ ˜ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ j , s ( ω 1 , ω 2 ) .

( h : 0 h a 10 h 4 a 1 ; i , s : 1 i , s 3 ; i , h , s Z + ) 。函数 λ j ( ω 1 , ω 2 ) μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) 2 π a 为周期,且满足

1)

2) ( j = 0 4 a 1 μ j h , k ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ j s , t ( ω 1 , ω 2 ) = δ h , s δ k , t , j = 0 a 1 { μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) + μ 2 a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ 3 a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ 2 a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) + μ a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ 3 a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 , j = 0 a 1 { μ j h , i ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ 3 a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) + μ a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) μ ˜ 2 a + j h , i ( ω 1 , ω 2 ) } = 0 ;

那么就可以得出 Q h , i , + , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , + , ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , , ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ h , i , + , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , + , ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , , ( ω 1 , ω 2 ) 产生一个双正交二维四向多小波函数 Φ ( x , y ) 并满足

Ψ h , i ( x , y ) = k , l Q k , l h , i , + , + Φ ( a x k , a y l ) + k , l Q k , l h , i , + , Φ ( a x k , l a y ) + k , l Q k , l h , i , , + Φ ( k a x , a y l ) + k , l Q k , l h , i , , Φ ( k a x , l a y ) ;

Ψ ˜ h , i ( x , y ) = k , l Q ˜ k , l h , i , + , + Φ ˜ ( a x k , a y l ) + k , l Q ˜ k , l h , i , + , Φ ˜ ( a x k , l a y ) + k , l Q ˜ k , l h , i , , + Φ ˜ ( k a x , a y l ) + k , l Q ˜ k , l h , i , , Φ ˜ ( k a x , l a y ) .

证明:由于 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) Ψ h , i ( x , y ) Ψ ˜ h , i ( x , y ) 的双正交性,可以将已构造的 Q h , i , + , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , + , ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q h , i , , ( ω 1 , ω 2 ) Q ˜ h , i , + , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , + , ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , , + ( ω 1 , ω 2 ) , Q ˜ h , i , , ( ω 1 , ω 2 ) ,代入(16)式和(19)式化简可证得定理。

6. Mallat算法

如果 Φ ( x , y ) Φ ˜ ( x , y ) 是双正交二维四向多加细函数, Ψ h , i ( x , y ) Ψ ˜ h , i ( x , y ) 是相应的双正交二维四向多小波函数,对于能量有限信号 f ( x , y ) L ( R 2 ) 在分辨率 a j 下的近似函数 f j ( x , y ) V j ,则 V j + 1 可分解为 V j + 1 = V j W j = V j h = 1 a 1 { W j h , 1 W j h , 2 W j h , 3 } ,则 f j + 1 ( x , y ) V j + 1 ,记 c j , k 1 , k 2 = [ c j , k 1 , k 2 1 , c j , k 1 , k 2 2 , , c j , k 1 , k 2 r ] T d j , k 1 , k 2 = [ d j , k 1 , k 2 1 , d j , k 1 , k 2 2 , , d j , k 1 , k 2 r ] T

f j + 1 ( x , y ) = k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Φ j + 1, k 1 , k 2 + , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Φ j + 1, k 1 , k 2 + , + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Φ j + 1, k 1 , k 2 , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Φ j + 1, k 1 , k 2 , = k 1 , k 2 c j , k 1 , k 2 + , + Φ j , k 1 , k 2 + , + + k 1 , k 2 c j , k 1 , k 2 + , Φ j , k 1 , k 2 + , + k 1 , k 2 c j , k 1 , k 2 , + Φ j , k 1 , k 2 , + + k 1 , k 2 c j , k 1 , k 2 , Φ j , k 1 , k 2 , + h = 1 a 1 r = 1 3 [ k 1 , k 2 d j , k 1 , k 2 h , i , + , + Ψ j , k 1 , k 2 h , i , + , + + k 1 , k 2 d j , k 1 , k 2 h , i , + , Ψ j , k 1 , k 2 h , i , + , + k 1 , k 2 d j , k 1 , k 2 h , i , , + Ψ j , k 1 , k 2 h , i , , + + k 1 , k 2 d j , k 1 , k 2 h , i , , Ψ j , k 1 , k 2 h , i , , ]

6.1. 分解算法

如果 f ( x , y ) 在分辨率 a j + 1 下的近似函数为 f j + 1 ( x , y ) ,那么它可以进一步分解为 f ( x , y ) a j 下的主要部分(通过低通滤波器得到)和细节部分(通过高通滤波器得到)。即分解算法要实现的目标就是:已知 c j + 1, k 1 , k 2 + , + , c j + 1, k 1 , k 2 + , , c j + 1, k 1 , k 2 , + , c j + 1, k 1 , k 2 , ,求 c j , k 1 , k 2 + , + , c j , k 1 , k 2 + , , c j , k 1 , k 2 , + , c j , k 1 , k 2 , d j , k 1 , k 2 + , + , d j , k 1 , k 2 + , , d j , k 1 , k 2 , + , d j , k 1 , k 2 ,

定理11:若 f j + 1 ( x , y ) = k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Φ j + 1, k 1 , k 2 + , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Φ j + 1, k 1 , k 2 + , + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Φ j + 1, k 1 , k 2 , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Φ j + 1, k 1 , k 2 , 并且由(1)式和(17)式,我们可以得到下列分解公式

c j , n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 + , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 + , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 , ¯ ] ;

c j , n 1 , n 2 + , = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + P k 1 a n 1 , a n 2 k 2 + , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , P k 1 a n 1 , a n 2 k 2 + , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + P k 1 a n 1 , a n 2 k 2 , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , P k 1 a n 1 , a n 2 k 2 , + ¯ ] ;

c j , n 1 , n 2 , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + P a n 1 k 1 , k 2 a n 2 , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , P a n 1 k 1 , k 2 a n 2 , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + P a n 1 k 1 , k 2 a n 2 + , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , P a n 1 k 1 , k 2 a n 2 + , ¯ ] ;

c j , n 1 , n 2 , = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + P a n 1 k 1 , a n 2 k 2 , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , P a n 1 k 1 , a n 2 k 2 , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + P a n 1 k 1 , a n 2 k 2 , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , P a n 1 k 1 , a n 2 k 2 + , + ¯ ] ;

d j , n 1 , n 2 h , i , + , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Q k 1 a n 1 , k 2 a n 2 h , i , + , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Q k 1 a n 1 , k 2 a n 2 h , i , + , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Q k 1 a n 1 , k 2 a n 2 h , i , , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Q k 1 a n 1 , k 2 a n 2 h , i , , ¯ ] ;

d j , n 1 , n 2 h , i , + , = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Q k 1 a n 1 , a n 2 k 2 h , i , + , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Q k 1 a n 1 , a n 2 k 2 h , i , + , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Q k 1 a n 1 , a n 2 k 2 h , i , , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Q k 1 a n 1 , a n 2 k 2 h , i , , + ¯ ] ;

d j , n 1 , n 2 h , i , , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Q a n 1 k 1 , k 2 a n 2 h , i , , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Q a n 1 k 1 , k 2 a n 2 h , i , , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Q a n 1 k 1 , k 2 a n 2 h , i , + , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Q a n 1 k 1 , k 2 a n 2 h , i , + , ¯ ] ;

d j , n 1 , n 2 h , i , , = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Q a n 1 k 1 , a n 2 k 2 h , i , , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Q a n 1 k 1 , a n 2 k 2 h , i , , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Q a n 1 k 1 , a n 2 k 2 h , i , + , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Q a n 1 k 1 , a n 2 k 2 h , i , + , + ¯ ] ;

其中: h = 1 , 2 , , a 1 ; i = 1 , 2 , 3

证明:因为 { Φ ( x k , y l ) , Φ ( x k , l y ) , Φ ( k x , y l ) , Φ ( k x , l y ) : k , l Z } V 0 的标准正交基,所以就有

c j , n 1 , n 2 + , + = f j + 1 , Φ j , n 1 , n 2 + , + = k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + , Φ j , n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , , Φ j , n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Φ j + 1, n 1 , n 2 , + , Φ j , n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Φ j + 1, n 1 , n 2 , , Φ j , n 1 , n 2 + , + ,

则根据(1)式和(20)式可以知道, Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + , Φ j , n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 + , + ¯ 。同理可以证得:

Φ j + 1, n 1 , n 2 + , , Φ j , n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 + , ¯ ; Φ j + 1, n 1 , n 2 , + , Φ j , n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 , + ¯ ; Φ j + 1, n 1 , n 2 , , Φ j , n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 , ¯ ,

故我们就可以得到

c j , n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 + , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 + , ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 , + ¯ + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , P k 1 a n 1 , k 2 a n 2 , ¯ ] ,

其它等式同理可证。

6.2. 重构算法

通过 f ( x , y ) 在分辨率 a j 下的主要部分和细节部分,来重构 f ( x , y ) 在分辨率 a j + 1 下的主要部分,也即重构算法是分解算法的逆过程,那么要实现的目标就是:已知 c j , k 1 , k 2 + , + , c j , k 1 , k 2 + , , c j , k 1 , k 2 , + , c j , k 1 , k 2 , d j , k 1 , k 2 + , + , d j , k 1 , k 2 + , , d j , k 1 , k 2 , + , d j , k 1 , k 2 , c j + 1, k 1 , k 2 + , + , c j + 1, k 1 , k 2 + , , c j + 1, k 1 , k 2 , + , c j + 1, k 1 , k 2 ,

定理12:若 f j + 1 ( x , y ) = k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , + Φ j + 1, k 1 , k 2 + , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 + , Φ j + 1, k 1 , k 2 + , + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , + Φ j + 1, k 1 , k 2 , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Φ j + 1, k 1 , k 2 , 并且由(1)式和(17)式,我们可以得到下列重构公式

c j + 1, n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , + P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 + , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 + , + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , + P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 , + h = 1 a 1 r = 1 3 ( k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , + Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , + , + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , + Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , , ) ] ;

c j + 1, n 1 , n 2 + , = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , + P n 1 a k 1 , a k 2 n 2 + , + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , P n 1 a k 1 , a k 2 n 2 + , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , + P n 1 a k 1 , a k 2 n 2 , + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , P n 1 a k 1 , a k 2 n 2 , + + h = 1 a 1 r = 1 3 ( k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , + Q n 1 a k 1 , a k 2 n 2 h , i , + , + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , Q n 1 a k 1 , a k 2 n 2 h , i , + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , + Q n 1 a k 1 , a k 2 n 2 h , i , , + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , Q n 1 a k 1 , a k 2 n 2 h , i , , + ) ] ;

c j + 1, n 1 , n 2 , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , + P a k 1 n 1 , n 2 a k 2 , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , P a k 1 n 1 , n 2 a k 2 , + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , + P a k 1 n 1 , n 2 a k 2 + , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , P a k 1 n 1 , n 2 a k 2 + , + h = 1 a 1 r = 1 3 ( k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , + Q a k 1 n 1 , n 2 a k 2 h , i , , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , Q a k 1 n 1 , n 2 a k 2 h , i , , + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , + Q a k 1 n 1 , n 2 a k 2 h , i , + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , Q a k 1 n 1 , n 2 a k 2 h , i , + , ) ] ;

c j + 1, n 1 , n 2 , = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , + P a k 1 n 1 , a k 2 n 2 , + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , P a k 1 n 1 , a k 2 n 2 , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , + P a k 1 n 1 , a k 2 n 2 + , + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , P a k 1 n 1 , a k 2 n 2 + , + + h = 1 a 1 r = 1 3 ( k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , + Q a k 1 n 1 , a k 2 n 2 h , i , , + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , Q a k 1 n 1 , a k 2 n 2 h , i , , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , + Q a k 1 n 1 , a k 2 n 2 h , i , + , + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , Q a k 1 n 1 , a k 2 n 2 h , i , + , + ) ] .

证明:由于

c j + 1, n 1 , n 2 + , + = f j + 1 , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + = k 1 , k 2 c j , k 1 , k 2 + , + Φ j , n 1 , n 2 + , + , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 c j , k 1 , k 2 + , Φ j , n 1 , n 2 + , , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 c j , k 1 , k 2 , + Φ j , n 1 , n 2 , + , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 c j + 1, k 1 , k 2 , Φ j , n 1 , n 2 , , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + + h = 1 a 1 r = 1 3 [ k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , + Ψ j , k 1 , k 2 h , i , + , + , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , Ψ j , k 1 , k 2 h , i , + , , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , + Ψ j , k 1 , k 2 h , i , , + , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , Ψ j , k 1 , k 2 h , i , , , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + ] ,

而且 Φ j , n 1 , n 2 + , + , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 + , + ,类似可得

Φ j , n 1 , n 2 + , , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 + , ; Φ j , n 1 , n 2 , + , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 , + ; Φ j , n 1 , n 2 , , Φ j + 1, n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 , .

故我们可以证得

c j + 1, n 1 , n 2 + , + = 1 a 2 [ k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , + P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 + , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 + , P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 + , + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , + P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 , + + k 1 , k 2 c j , n 1 , n 2 , P n 1 a k 1 , n 2 a k 2 , + h = 1 a 1 r = 1 3 ( k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , + Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , + , Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , + , + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , + Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , + , + + k 1 , k 2 d j , n 1 , n 2 h , i , , Q n 1 a k 1 , n 2 a k 2 h , i , , ) ] ;

其它等式同理可证。

文章引用

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