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標(biāo)題: 希爾伯特-黃變換 [打印本頁(yè)]

作者: ganyongjin    時(shí)間: 2018-10-9 16:59
標(biāo)題: 希爾伯特-黃變換
希爾伯特-黃變換
https://blog.csdn.net/lvsehaiyang1993/article/details/80875679
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在我們正式開(kāi)始講解Hilbert-Huang Transform之前,不妨先來(lái)了解一下這一偉大算法的兩位發(fā)明人和這一算法的應(yīng)用領(lǐng)域
Section I 人物簡(jiǎn)介
  希爾伯特:公認(rèn)的數(shù)學(xué)界“無(wú)冕之王”,1943年去世于瑞士蘇黎世。除此之外,自不必過(guò)多介紹。
  黃鍔:1937年出生于湖北省;1975年進(jìn)入NASA(美國(guó)國(guó)家宇航局);美國(guó)國(guó)家工程院院士。
Section II Hilbert-Huang的應(yīng)用領(lǐng)域
  醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:探測(cè)心率不齊、登革熱的擴(kuò)散、血壓的變化
  交通領(lǐng)域:探測(cè)公路橋梁安全
  安全領(lǐng)域:辨識(shí)發(fā)言者的身份
  地理領(lǐng)域:地震工程
  航天領(lǐng)域:衛(wèi)星資料分析
  在了解了這一偉大發(fā)明的背景后,下面我們要正式的開(kāi)始入手希爾伯特-黃變換了,我將嘗試以盡可能簡(jiǎn)要的語(yǔ)言向大家介紹這一發(fā)明,并盡可能的避免不必要的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。
Section III Hilbert-Huang的算法詳細(xì)介紹
   如下圖所示,在希爾伯特-黃的運(yùn)算步驟中,原始腦電信號(hào)/其他時(shí)序信號(hào)被作為Huang的算法的輸入,在經(jīng)過(guò)huang的算法處理過(guò)后被當(dāng)做Hilbert的輸入進(jìn)行處理。這便是Hilbert-Huang最簡(jiǎn)單明了的運(yùn)算步驟。在這里為了繼續(xù)往下的講解更加方便,我們先來(lái)介紹兩個(gè)概念。上文中,我們提到了“huang的算法”,在正式的書(shū)面語(yǔ)言中,我們并不這么稱呼它,而是將“huang的算法”稱為EMD(Empirical mode decomposition,經(jīng)驗(yàn)?zāi)J椒纸?。而另外一個(gè)概念I(lǐng)MF在這里直接講解或許會(huì)使大家暈頭轉(zhuǎn)向(或許有人注意到圖中的IMF后面有一個(gè)‘s’,而這里卻沒(méi)有加‘s’,對(duì)英語(yǔ)只有基礎(chǔ)了解的人也應(yīng)猜到IMF不止一個(gè))。

當(dāng)將到這里的時(shí)候,大部分人或許會(huì)萌生出一個(gè)念頭——“難道Huang僅僅是對(duì)Hilbert的錦上添花嗎”。好吧,至少本人當(dāng)初就是這樣想的,畢竟Hilbert比huang更早出名,而且Hilbert是數(shù)學(xué)史上公認(rèn)的“大牛”,哦,不對(duì),是“大王”。用當(dāng)前時(shí)興的話來(lái)說(shuō)就是“huang有可能抱了Hilbert的大腿”。但當(dāng)我真正了解了這一偉大的發(fā)明之后,我才徹徹底底打消了這個(gè)十分愚蠢的念頭。
我個(gè)人并不喜歡吊人胃口,這里把結(jié)論說(shuō)在前面“Huang的算法幾乎是Hilbert使用的前提條件,Hilbert Transform則是Hilbert-Huang算法的精要所在”(注意句中出現(xiàn)了“幾乎”一詞)。下面我就給大家講一下這句話的由來(lái)。比如我們?cè)炝艘豢罱凶觥袄祁^”的手機(jī),“榔頭”手機(jī)對(duì)用戶的使用提出了下列要求:1.晚上不能使用。2.下雨天不能打。3.室內(nèi)不能打。4.室外的偏遠(yuǎn)郊區(qū)也不能打。實(shí)際上,Hilbert正是這樣一款“榔頭”手機(jī),它對(duì)用戶的使用提出了近乎苛刻的要求。Hilbert變換算法要求輸入信號(hào)只能是線性穩(wěn)態(tài)的。請(qǐng)注意這里是兩個(gè)詞“線性”“穩(wěn)態(tài)”。無(wú)論是在自然界還是在人類(lèi)社會(huì)中,絕大部分的信號(hào)要么是“線性非穩(wěn)態(tài)”,要么是“非線性穩(wěn)態(tài)”,要么干脆是“非線性非穩(wěn)態(tài)”。我們關(guān)心的重點(diǎn)——EEG信號(hào)正是這樣一類(lèi)“非線性非穩(wěn)態(tài)”的信號(hào)。這也就導(dǎo)致了絕大部分信號(hào)不能夠愉快的進(jìn)入Hilbert的“碗里”來(lái)。此時(shí),Huang的EMD算法起到了這樣的作用,它能夠?qū)⑺械臅r(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為“線性穩(wěn)態(tài)”,解了Hilbert算法的軟肋。
首先,我們先說(shuō)一說(shuō)Huang的EMD算法。為了講解清晰起見(jiàn),我將對(duì)照下圖予以講解:

上圖中,深藍(lán)色的線條是EEG信號(hào)(截取自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院DEAP數(shù)據(jù)庫(kù) s01 trail1 channel1的前200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))。圖中,紅線上的紅點(diǎn)是該EEG signal的極大值點(diǎn),綠線上的綠點(diǎn)是該signal的極小值點(diǎn)。我們分別為極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)做三次包絡(luò)線做好的包絡(luò)線分別是紅色包絡(luò)線和綠色包絡(luò)線兩條線。為這兩條線做出均值線即為圖中圍繞y=0軸(注意y=0軸的位置,并非是圖中的坐標(biāo)系的x軸,x軸所代表的線是y=-10)震蕩的淺藍(lán)色均值線。之后,我們將原始EEG信號(hào)減去均值線,得到疑似IMF線(圖中未標(biāo)出)(這里終于出現(xiàn)IMF了,可是我還是無(wú)法讓你直觀理解,大家先暫且忍忍,強(qiáng)行記憶一下)。之后,我們對(duì)疑似IMF進(jìn)行判斷(需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件,下面講)。如果滿足條件,則疑似IMF升級(jí)為正式IMF。然后將原始信號(hào)減去正式IMF的結(jié)果賦值給原始信號(hào),說(shuō)白了就是讓這一IMF從原始信號(hào)里“滾蛋”。就好比蒙面歌王的某一期的獲勝者一樣,都贏了,不滾干嘛,難道還要和加時(shí)賽選手(減完后剩下的原始信號(hào),也即新原始信號(hào))在一起嗎?另一個(gè)方面,如果疑似IMF未能通過(guò)檢驗(yàn),則將當(dāng)前IMF作為原始信號(hào),并回到做極值點(diǎn)的包絡(luò)線那一步重新開(kāi)始。現(xiàn)在講一下兩個(gè)重要的條件:
  條件1:均值線(總得有很多數(shù)構(gòu)成吧)的平均值趨近于0(一般和0做差<0.1)
   條件2:原始信號(hào)的極值點(diǎn)個(gè)數(shù)(包括極大值點(diǎn)個(gè)數(shù)+極小值點(diǎn)個(gè)數(shù))和原始信號(hào)同y=0的交點(diǎn)個(gè)數(shù)之差不能大于1(小于等于1)
那么這樣一個(gè)程序什么時(shí)候可以循環(huán)結(jié)束呢,答案是,當(dāng)某一次IMF被發(fā)現(xiàn)是單調(diào)函數(shù)或者是缺少極大/小值點(diǎn)即可讓程序結(jié)束。下圖是程序流程圖。

空口無(wú)憑,我們處理一段真正的腦電試試看(程序會(huì)在之后給出)

圖中共有4*2個(gè)圖,位于(1,1)這個(gè)位置的是腦電的原始信號(hào)。之后從(1,2)->(4,2)均為IMF。其中,除了(1,1)自身,每一副圖都是(1,1)的一個(gè)IMF(現(xiàn)在知道什么是IMF了吧)。通過(guò)觀察不難發(fā)現(xiàn)。一個(gè)典型的IMF分量的上下包絡(luò)線肯定是對(duì)稱的。最后一個(gè)IMF(4,2)被稱為余項(xiàng)用r表示。觀察即可知該IMF分量沒(méi)有極小值點(diǎn)(端點(diǎn)除外),所以程序才會(huì)結(jié)束。通常來(lái)講,別的書(shū)上會(huì)這樣用數(shù)學(xué)公式告訴你:

其中ξ(t)就是原始信號(hào),IMFi就是K個(gè)固有模態(tài)函數(shù)。rK就是原始信號(hào)減完IMF后剩下的余項(xiàng)。
下面是求解EMD算法的Matlab源程序,特此聲明,本程序?yàn)槲冶救嗽诰W(wǎng)上找到的,除了注釋外,其他版權(quán)皆歸屬原作者,由于不清楚原作者是誰(shuí),未能標(biāo)出,如果侵犯權(quán)利,請(qǐng)聯(lián)系我刪除源碼。
%非主函數(shù),被調(diào)用
function n = findpeaks(x)%用于尋找極值點(diǎn),該函數(shù)只會(huì)求極大值
%   Find peaks.
%   n = findpeaks(x)
    n = find(diff(diff(x)>0)<0);%一階導(dǎo)數(shù)大于0二階導(dǎo)數(shù)小于0的點(diǎn)
    u = find(x(n+1)>x(n));
    n(u) = n(u) + 1;
end


%非主函數(shù),被調(diào)用<br>%判斷x是否單調(diào),返回0代表不是單調(diào),返回1代表是單調(diào)
function u = ismonotonic(x)
    u1 = length(findpeaks(x))*length(findpeaks(-x));%如果最大/最小值有一個(gè)為0即可判斷程序滿足退出條件了
    if u1 > 0
        u = 0;
    else
        u = 1;
    end
end 
%非主函數(shù),被調(diào)用。判斷當(dāng)前x是不是真IMF
function u = isimf(x)
    N  = length(x);
    u1 = sum(x(1:N-1).*x(2:N) < 0);%求x與y=0軸交點(diǎn)的個(gè)數(shù)
    u2 = length(findpeaks(x))+length(findpeaks(-x));%求極值點(diǎn)個(gè)數(shù)
    if abs(u1-u2) > 1
        u = 0;
    else
        u = 1;
    end
end

%非主函數(shù),被調(diào)用,作用是獲得x的包絡(luò)線
function s = getspline(x)
    N = length(x);
    p = findpeaks(x);
    s = spline([0 p N+1],[0 x(p) 0],1:N);
end


%主函數(shù)
function imf = emd(x)
% Empiricial Mode Decomposition (Hilbert-Huang Transform)
% imf = emd(x)
% Func : findpeaks
    x = transpose(x(:));
    imf = [];
    while ~ismonotonic(x)
        x1 = x;
        sd = Inf;
        while (sd > 0.1) || ~isimf(x1)
            s1 = getspline(x1);
            s2 = -getspline(-x1);
            x2 = x1-(s1+s2)/2;

            sd = sum((x1-x2).^2)/sum(x1.^2);
            x1 = x2;
        end

        imf(end+1,:) = x1;
        x = x-x1;
    end
    imf(end+1,:) = x;
end

Section IV Hilbert算法的介紹
  在上一章中,我們介紹了EMD算法,在這一部分中,我會(huì)介紹Hilbert算法,這一節(jié)有些許數(shù)學(xué)趣味,對(duì)數(shù)學(xué)趣味不感興趣的直接跳到應(yīng)用部分。

  由最后一步可以知道,當(dāng)頻率大于0時(shí),相位向左移90度;反之,向右移90度。這便是希爾伯特變換。
一般來(lái)講,對(duì)于原始信號(hào)x(t)的希爾伯特變換H[x(t)],通常被寫(xiě)為
z(t)=x(t)+j H[x(t)]
其中,x(t)被稱為復(fù)信號(hào)z(t)的實(shí)部,H[x(t)]被稱為復(fù)信號(hào)z(t)的虛部, z(t)被稱為x(t)的解析信號(hào)

一般情況下,matlab會(huì)將z(t)給出,而不直接給出原始信號(hào)的希爾伯特變換,所以需要使用imag函數(shù)求解z(t)的虛部,這才是真正的希爾伯特變換。








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