Mediaanisuodattimet. Tähän asti käsitellyt suodattimet ovat olleet lineaarisia. Niille on tyypillistä, että. niiden ominaisuudet tunnetaan hyvin



Samankaltaiset tiedostot
Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

Suodattimet. Suodatintyypit: Bessel Chebyshev Elliptinen Butterworth. Suodattimet samalla asteluvulla (amplitudivaste)

Algoritmit 1. Luento 12 Ke Timo Männikkö

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Suodatus 2 (ver 1.0) Jyrki Laitinen

Analyysi III. Jari Taskinen. 28. syyskuuta Luku 1

Algoritmit 1. Luento 12 Ti Timo Männikkö

Toinen harjoitustyö. ASCII-grafiikkaa

Tietorakenteet ja algoritmit Johdanto Lauri Malmi / Ari Korhonen

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

Algoritmit 1. Luento 3 Ti Timo Männikkö

Digitaalinen signaalinkäsittely Kuvankäsittely

Tietorakenteet ja algoritmit - syksy

811120P Diskreetit rakenteet

58131 Tietorakenteet (kevät 2009) Harjoitus 9, ratkaisuja (Antti Laaksonen)

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 6. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 6 () Numeeriset menetelmät / 33

Algoritmit 1. Luento 10 Ke Timo Männikkö

Algoritmit 1. Luento 11 Ti Timo Männikkö

811120P Diskreetit rakenteet

IIR-suodattimissa ongelmat korostuvat, koska takaisinkytkennästä seuraa virheiden kertautuminen ja joissakin tapauksissa myös vahvistuminen.

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 7, Kevät 2018

811312A Tietorakenteet ja algoritmit III Lajittelualgoritmeista

Johdatus diskreettiin matematiikkaan Harjoitus 5, Ratkaise rekursioyhtälö

Numeeriset menetelmät

k=0 saanto jokaisen kolmannen asteen polynomin. Tukipisteet on talloin valittu

Algoritmit 2. Luento 13 Ti Timo Männikkö

Algoritmit 1. Demot Timo Männikkö

Nopea kertolasku, Karatsuban algoritmi

ELEC-C7230 Tietoliikenteen siirtomenetelmät

Kaksiluokkainen tapaus, lineaarinen päätöspinta, lineaarisesti erottuvat luokat

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

2. Seuraavassa kuvassa on verkon solmujen topologinen järjestys: x t v q z u s y w r. Kuva 1: Tehtävän 2 solmut järjestettynä topologisesti.

Mitä on konvoluutio? Tutustu kuvankäsittelyyn

Algoritmit 2. Luento 14 Ke Timo Männikkö

SGN Signaalinkäsittelyn perusteet Välikoe Heikki Huttunen

Kuvaus eli funktio f joukolta X joukkoon Y tarkoittaa havainnollisesti vastaavuutta, joka liittää joukon X jokaiseen alkioon joukon Y tietyn alkion.

Algoritmit 1. Luento 2 Ke Timo Männikkö

TIEA341 Funktio-ohjelmointi 1, kevät 2008

Digitaalinen Signaalinkäsittely T0125 Luento

n! k!(n k)! n = Binomikerroin voidaan laskea pelkästään yhteenlaskun avulla käyttäen allaolevia ns. palautuskaavoja.

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

Todista raja-arvon määritelmään perustuen seuraava lause: Jos lukujonolle a n pätee lima n = a ja lima n = b, niin a = b.

Reaalilukuvälit, leikkaus ja unioni (1/2)

Kohdissa 2 ja 3 jos lukujen valintaan on useita vaihtoehtoja, valitaan sellaiset luvut, jotka ovat mahdollisimman lähellä listan alkua.

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

Relaation ominaisuuksia. Ominaisuuksia koskevia lauseita Sulkeumat. Joukossa X määritelty relaatio R on. (ir) irrefleksiivinen, jos x Rx kaikilla x X,

815338A Ohjelmointikielten periaatteet Harjoitus 7 Vastaukset

Hakupuut. tässä luvussa tarkastelemme puita tiedon tallennusrakenteina

Joukossa X määritelty relaatio R on. (ir) irrefleksiivinen, jos x Rx kaikilla x X,

Dynamiikan hallinta Lähde: Zölzer. Digital audio signal processing. Wiley & Sons, Zölzer (ed.) DAFX Digital Audio Effects. Wiley & Sons, 2002.

TOOLS. Tapani Matala-aho MATEMATIIKKA/LUTK/OULUN YLIOPISTO TOOLS 1 / 28

Yhtälöryhmät 1/6 Sisältö ESITIEDOT: yhtälöt

802328A LUKUTEORIAN PERUSTEET Merkintöjä ja Algebrallisia rakenteita

Algoritmit 2. Luento 8 To Timo Männikkö

811120P Diskreetit rakenteet

Pikalajittelu: valitaan ns. pivot-alkio esim. pivot = oikeanpuoleisin

Harjoitus 4 -- Ratkaisut

Järvi 1 Valkjärvi. Järvi 2 Sysijärvi

Algoritmit 1. Luento 10 Ke Timo Männikkö

811312A Tietorakenteet ja algoritmit Kertausta kurssin alkuosasta

Algoritmit 2. Luento 3 Ti Timo Männikkö

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Luku 6. Dynaaminen ohjelmointi. 6.1 Funktion muisti

A ja B pelaavat sarjan pelejä. Sarjan voittaja on se, joka ensin voittaa n peliä.

1 Reaaliset lukujonot

58131 Tietorakenteet ja algoritmit (syksy 2015)

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

useampi ns. avain (tai vertailuavain) esim. opiskelijaa kuvaavassa alkiossa vaikkapa opintopistemäärä tai opiskelijanumero

811120P Diskreetit rakenteet

Tietorakenteet ja algoritmit

Algoritmit 2. Luento 3 Ti Timo Männikkö

Kuvaus eli funktio f joukolta X joukkoon Y tarkoittaa havainnollisesti vastaavuutta, joka liittää joukon X jokaiseen alkioon joukon Y tietyn alkion.

Testit järjestysasteikollisille muuttujille

Tietorakenteet ja algoritmit syksy Laskuharjoitus 1

Korkean resoluution ja suuren kuva-alueen SAR

TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

SGN-1251 Signaalinkäsittelyn sovellukset Välikoe Heikki Huttunen

Kokonaislukuoptimointi

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Dynaamiset regressiomallit

MS-A0401 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

811312A Tietorakenteet ja algoritmit Kertausta kurssin alkuosasta

Jos havaitaan päivän ylin lämpötila, mittaustuloksissa voi esiintyä seuraavantyyppisiä virheitä:

B. 2 E. en tiedä C ovat luonnollisia lukuja?

Tampereen yliopisto Tietokonegrafiikka 2013 Tietojenkäsittelytiede Harjoitus

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

T SKJ - TERMEJÄ

(1) refleksiivinen, (2) symmetrinen ja (3) transitiivinen.

Alipäästösuotimen muuntaminen muiksi perussuotimiksi

3 Ikkunointi. Kuvio 1: Signaalin ikkunointi.

1.4 Funktion jatkuvuus

Matematiikassa ja muuallakin joudutaan usein tekemisiin sellaisten relaatioiden kanssa, joiden lakina on tietyn ominaisuuden samuus.

Diskreetin matematiikan perusteet Laskuharjoitus 2 / vko 9

Transkriptio:

Mediaanisuodattimet Tähän asti käsitellyt suodattimet ovat olleet lineaarisia. Niille on tyypillistä, että niiden ominaisuudet tunnetaan hyvin niiden analysointiin on olemassa vakiintuneita menetelmiä niiden suunnitteluun on kehitetty runsaasti hyviä algoritmeja ja ohjelmistoja niille on olemassa hyviä toteutusrakenteita Lineaariset suodattimet soveltuvat sovelluksiin, joissa hyötysignaali ja häiriöt sijaitsevat eri taajuusalueilla. Mediaanisuodattimet ovat epälineaarisia suodattimia, joilla on seuraavia tärkeitä ominaisuuksia: hyötysignaalissa olevat terävät muutokset säilyvät suodatetussa signaalissa Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 465/467

yksittäiset pulssit (häiriöpiikit) suodattuvat kokonaan Mediaanisuodatin määritellään seuraavasti y(n) = MED[x(n k),x(n k + 1),...,x(n 1),x(n),x(n + 1),...,x(n + k)], MED tarkoittaa parametrina olevan joukon mediaania eli suuruusjärjestyksessä keskimmäistä alkiota. Jos alkioita on parillinen määrä, on mediaani kahden järjestyksessä keskimmäisen alkion keskiarvo. Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 466/467

Mediaanisuodattimien ominaisuudet 1. Jos x( k) x( k + 1)... x(0)... x(k 1) x(k), niin MED[x( k),...,x(0),...,x(k)] = x(0) (sekvenssin pituus on 2k + 1 eli pariton). 2. Jos x( k) x( k + 1)... x(0)... x(k 1), niin MED[x( k),...,x(0),...,x(k 1)] = (x( 1) + x(0))/2 (sekvenssin pituus on 2k eli parillinen). 3. Jos funktio g(x) on monotoninen, niin MED[g(x(1)),..., g(x(2k + 1))] = g(med[x(1),...,x(2k + 1)]). 4. MED[k{x(n)}] = k MED[{x(n)}]. 5. Mediaanioperaatio on epälineaarinen. 6. Mediaani y joukolle {x(1), x(2),..., x(n)} minimoi erotusten itseisarvojen summan N i=1 x(i) y. 7. Mediaanisuodatin, jonka ikkunan leveys on N näytettä, viivästää signaalia (N 1)/2:n näytteen verran (vrt. lineaarivaiheinen FIR-suodatin). Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 467/467

8. Mediaanioperaatio ei pyöristä reunoja signaaleissa, jotka koostuvat paloittain vakioarvoisista alueista, joita erottavat monotoniset muutosalueet, edellyttäen, että vakioarvoalueet ovat pitempiä kuin puolet mediaanin ikkunan pituudesta. 9. Mediaanisuodatin seuraa tarkasti signaaleja, jotka ovat matala-asteisia polynomeja. Kuitenkin, mitä pitempi ikkuna on, sitä enemmän myös matala-asteiset polynomit muuttuvat. 10. Mediaanisuodatin poistaa signaalissa esiintyvät pulssit, jotka ovat lyhyempiä kuin puolet mediaani-ikkunan pituudesta. Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 468/467

Mediaanisuodattimien ominaisuudet (jatkuu) Mediaanisuodatin epälineaarinen ei voi määritellä taajuusvastetta samaan tapaan kuin lineaarisille suodattimille Yleensä mediaanisuodattimia käytettäessä ollaan enemmän kiinnostuneita suodattimen aikatason ominaisuuksista. Mediaanisuodatuksen toteutus ei vaadi kerto- ja yhteenlaskuja, kuten lineaariset suodattimet perustuu lajitteluun ja vertailuun Lajittelu on työlästä, jos mediaani-ikkuna on leveä. Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 469/467

Lineaari-mediaanihybridisuodatin (LMH) Lajittelutyötä helpottamaan on kehitetty muunnelma standardimediaanisuodattimesta (SM), ns. lineaari-mediaanihybridisuodatin (LMH): LMH-suodattimissa mediaani lasketaan pienestä joukosta alisuodattimien ulostuloja MedHybr(X 1,X 2,...,X N ) = MED{F 1 (X 1,X 2,...,X N ),...,F M (X 1,X 2,...,X N )} missä suodattimet F 1 ( ),...,F M ( ) ovat lineaarisia suodattimia Tällöin tarvitaan vain kapea mediaani-ikkuna (3 tai 5 näytettä), vaikka koko LMH-suodattimen ikkuna on leveä. x(n) H 1 (z) H n 1 (z) H n (z) MED[ ] y(n) Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 470/467

Alisuodattimet ovat lineaarisia suodattimia. Näiden ominaisuudet määräävät osittain koko LMH-suodattimen ominaisuudet. LMH-suodattimilla on useita aliluokkia esim. FIR-mediaanihybridisuodattimet (FMH). FMH-suodattimissa alisuodattimet ovat FIR-tyyppisiä. Yksinkertaisimmillaan FIR-alisuodattimet ovat liukuvan keskiarvon suodattimia. esim. H 1 (z) = z M M H 2 (z) = z M [ z M + z M 1 +... + z 1] = 1 M [ 1 + z 1 +... + z M+1] H 3 (z) = z M M [ z 1 + z 2 +... + z M] = 1 M [ z M 1 + z M 2 +... + z 2M] Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 471/467

Painotettu mediaanisuodatin Perusmediaanisuodattimessa kaikki ikkunan arvot ovat samanarvoisia Tämä aiheuttaa mm. kuvansuodatuksessa pienten yksityiskohtien katoamista Pääsyy tähän on ajallisen (tai tila-) järjestyksen hylkääminen Mediaanisuodattimelle saadaan uusia ominaisuuksia painottamalla ikkunan sisällä olevia näytteitä eri tavoin painotetaan esim. nykyhetken arvoa enemmän kuin muita painotettu mediaanisuodatin (weighted median filter) Painotetun mediaanisuodattimen lähdon muodostamiseksi moninkertaistetaan jokainen tulosignaalin arvo a i kertaa Merkitään moninkertaistamisoperaatiota :lla: r x = x,...,x } {{ } r kertaa Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 472/467

Tätä merkintää käyttäen voidaan esittää esim. lukujono {1,1,1,2,3,3} = {3 1,2,2 3} Painotetun mediaanisuodattimen lähtö on silloin WeightMed(X 1,X 2,...,X N ; a) = MED{a 1 X 1,a 2 X 2,...,a N X N } Toinen määritelmä mahdollistaa positiiviset ei-kokonaislukukertoimet: WeightMed(X 1,X 2,...,X N ; a) = argmin β N i=1 a i X i β ts. joukon (X 1,X 2,...,X N ; a) painotettu mediaani on arvo β, joka minimoi funktion N a i X i β i=1 Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 473/467

Rekursiivinen mediaanisuodatin Edellä esitellyt mediaanisuodattimet ovat käyttäneet mediaanin laskentaan vain tulosignaalin arvoja Mediaanisuodatin voidaan myös modifioida rekursiiviseksi RecMed(X 1,X 2,,X N ) = MED{Y 1,Y 2,...Y k,x k+1,...,x N } Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 474/467

Katkaistu keskiarvo -suodatin Katkaistun keskiarvon suodattimen (trimmed mean filter) idea on sama kuin esim. mäkihypyn tuomaripisteissä: jätetään suurin ja pienin huomiotta Yleisesti katkaistu keskiarvo voidaan määritellä seuraaavasti: TrMean(X 1,X 2...,X N ;r,s) = N s 1 N r s X i i=r+1 missä näytteet on järjestetty suuruusjärjestyskeen X 1 < X 2... < X N ja hylätään r pienintä ja s suurinta näytettä (ns. (r, s)-fold trimmed mean) Variaatio tästä on ns. Winsorized mean, jossa r pienintä näytettä korvataan X r+1 :llä ja s suurinta X N s :llä: WinMean = (X 1,X 2...,X N ;r,s) = 1 N ( rx r+1 + ) N s X i + sx N s i=r+1 Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 475/467

Ominaisuudet: Mitä vähemmän arvoja jätetään pois, sitä lähempänä suodatin on liukuvan keskiarvon suodatinta Mitä enemmän arvoja jätetään pois, sitä lähempänä suodatin on mediaanisuodatinta Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 476/467

Mediaanisuodattimien ohjelmallinen toteuttaminen Lajitteluoperaatio on aikaa vievä operaatio verrattuna esim. LTI-järjestelmän toteuttamiseen Lajitteluun on kehitetty useita algoritmeja, mm. kuplalajittelu (O(n 2 )) Quicksort (O(nlog 2 n)) Heapsort AHU (Aho, Hopcroft, Ullman) Algoritmeille löytyy monia erilaisia toteutuksia, erona mm. muuttaako alkuperäisen datan järjestystä, vai vaaditaanko lajittelua varten lisätilaa rekursio (esim. Wirthin ei-rekursiivinen toteutus AHU-algoritmista) Digitaalinen suodatus Julius Luukko 2010 477/467