Gabor 变换

1． 引言

Gabor变换是D.Gabor 1946年提出的。由于经典Fourier变换只能反映信号的整体特性（时域，频域）。另外，要求信号满足平稳条件。

?

? 由式??f(?)??f(x)e?i?xdx可知，要用Fourier变换研究时域信号频谱特性，必须要获得时域中的全部信息； ??另外，信号在某时刻的一个小的邻域内发生变化，那么信号的整个频谱都要受到影响，而频谱的变化从根本上来说

无法标定发生变化的时间位置和发生变化的剧烈程度。也就是说，Fourier变换对信号的齐性不敏感。不能给出在各个局部时间范围内部频谱上的谱信息描述。然而在实际应用中齐性正是我们所关心的信号局部范围内的特性。如，音乐，语言信号等。即：局部化时间分析，图形边缘检，地震勘探反射波的位置等信息极重要。

为此，D.Gabor1946年在他的论文中提出了一种新的变换方法—Gabor变换。

2． 定义

2.1具体窗函数――Gaussaion的 Gabor变换定义式

设函数f为具体的高斯函数，且

?f?L2(R)，则Gabor变换定义为 ?Gf(a;b,?)??f(t)ga(t?b)e?i?tdt ??

t2

其中，ga(t)?exp(?)，是高斯函数，称为窗函数。其中a>0,b>0. 4a2a1

。其中，参数b用于平行移动窗口，以便于覆盖整个时域。 ga(t?b)是一个时间局部化的“窗函数”

对参数b积分，则有

??

???(?),??R Gf(a,b,?)db?f

1

2???信号的重构表达式为 f(t)???????Gf(a;b,?)ga(t?b)ei?td?db

Gabor取g(t)为一个高斯函数有两个原因：一是高斯函数的Fourier变换仍为高斯函数，这使得Fourier逆变换也是用窗函数局部化，同时体现了频域的局部化；二是Gabor变换是最优的窗口Fourier变换。其意义在于Gabor变换出现之后，才有了真正意义上的时间－频率分析。即Gabor变换可以达到时频局部化的目的：它能够在整体上提供信号的全部信息而又能提供在任一局部时间内信号变化剧烈程度的信息。简言之，可以同时提供时域和频域局部化的信息。

2.2窗口的宽高关系

经理论推导可以得出：高斯窗函数条件下的窗口宽度与高度，且积为一固定值。

??11?aa?2?g?b?a,b?a????,??,a??2 ??2?Gb,w2?Hb,w??2?ga????aaaa???????

矩形时间――频率窗：宽为2a，高a。

由此，可以看出Gabor变换的局限性： 时间频率的宽度对所有频率是固定不变的。实际要求是：窗口的大小应随频率而变化，频率高窗口应愈小，这才符合实际问题中的高频信号的分辨率应比低频信号的分辨率要低。

３．离散Gabor变换的一般求法

3.1首先选取核函数

可根据实际需要选取适当的核函数。如，如高斯窗函数；

1

?2??g(t)??e2?t??????T?2 ??T??

则其对偶函数?(t)为

1?32

???1??2?2??t?

?(t)?K0????T??

?2T????e?e??(n?)2

n?1???1n/2?1/T

3.2离散Gabor变换的表达式

G?*?jn?t?

mn?????(t)g(t?mT)edt?????(t)g*mn(t)dt

???

(t)?mn?(t?mT)ejn?t?mn(t)

m????n??G???m????n??Gmn????

其中，

gmn(t)?g(t?mT)ejn?t

?(t)是g(t)的对偶函数，二者之间有如下双正交关系。

??

???(t)g*(t?mT)e?jn?tdt??m?n

4.Gabor变换的解析理论

Gabor变换的解析理论就是由g(t)求对偶函数?(t)的方法。

定义g(t)的Zak变换为

?

Zak[g(t)]?g?(t,?)?t?k)e?j2?k?

k?g(???

可以证明对偶函数可由下式求出：

?(t)??1d?

0g*(t,?)

有了对偶函数可以使计算更为简洁方便。

5.适用条件

① 临界采样Gabor展开要求条件：TΩ=2π；

② 过采样展开要求条件：TΩ≤2π；

当TΩ＞2π时，欠采样Gabor展开，已证明会导致数值上的不稳定。

6.应用

6.1暂态信号检测

如果对信号波形有一定的先验知识且可以据此选取合适的基函数，可以用Gabor变换对信号作精确的检测统计计量。

6.2图象分析与压缩

二维Gabor变换可以应用到图象分析与压缩中。

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