A complete factorization of paraunitary matrices with pairwise mirror-image symmetry in the frequency domain

The problem of designing orthonormal (paraunitary) filter banks has been addressed in the past. Several structures have been reported for implementing such systems. One of the structures reported imposes a pairwise mirror-image symmetry constraint on the frequency responses of the analysis (and synthesis) filters around π/2. This structure requires fewer multipliers, and the design time is correspondingly less than most other structures. The filters designed also have much better attenuation. In this correspondence, we characterize the polyphase matrix of the above filters in terms of a matrix equation. We then prove that the structure reported in a paper by Nguyen and Vaidyanathan, with minor modifications, is complete. This means that every polyphase matrix whose filters satisfy the mirror-image property can be factorized in terms of the proposed structure

Linear phase paraunitary filter banks: theory, factorizations and designs

M channel maximally decimated filter banks have been used in the past to decompose signals into subbands. The theory of perfect-reconstruction filter banks has also been studied extensively. Nonparaunitary systems with linear phase filters have also been designed. In this paper, we study paraunitary systems in which each individual filter in the analysis synthesis banks has linear phase. Specific instances of this problem have been addressed by other authors, and linear phase paraunitary systems have been shown to exist. This property is often desirable for several applications, particularly in image processing. We begin by answering several theoretical questions pertaining to linear phase paraunitary systems. Next, we develop a minimal factorizdion for a large class of such systems. This factorization will be proved to be complete for even M. Further, we structurally impose the additional condition that the filters satisfy pairwise mirror-image symmetry in the frequency domain. This significantly reduces the number of parameters to be optimized in the design process. We then demonstrate the use of these filter banks in the generation of M-band orthonormal wavelets. Several design examples are also given to validate the theory

Maximally decimated perfect-reconstruction FIR filter banks with pairwise mirror-image analysis (and synthesis) frequency responses

Structures are presented for the perfect-reconstruction quadrature mirror filter bank that are based on lossless building blocks. These structures ensure that the frequency responses of the analysis (and synthesis) filters have pairwise symmetry with respect to π/2 and require fewer parameters than recently reported structures (also based on lossless building blocks). The design time for the proposed structures is correspondingly much less than for the earlier methods, which did not incorporate such symmetry

Improved technique for design of perfect reconstruction FIR QMF banks with lossless polyphase matrices

A technique is developed for the design of analysis filters in an M-channel maximally decimated, perfect reconstruction, finite-impulse-response quadrature mirror filter (FIR QMF) bank that has a lossless polyphase-component matrix E(z). The aim is to optimize the parameters characterizing E(z) until the sum of the stopband energies of the analysis filters is minimized. There are four novel elements in the procedure reported here. The first is a technique for efficient initialization of one of the M analysis filters, as a spectral factor of an Mth band filter. The factorization itself is done in an efficient manner using the eigenfilters approach, without the need for root-finding techniques. The second element is the initialization of the internal parameters which characterize E(z), based on the above spectral factor. The third element is a modified characterization, mostly free from rotation angles, of the FIR E(z). The fourth is the incorporation of symmetry among the analysis filters, so as to minimize the number of unknown parameters being optimized. The resulting design procedure always gives better filter responses than earlier ones (for a given filter length) and converges much faste

Multirate digital filters, filter banks, polyphase networks, and applications: a tutorial

Multirate digital filters and filter banks find application in communications, speech processing, image compression, antenna systems, analog voice privacy systems, and in the digital audio industry. During the last several years there has been substantial progress in multirate system research. This includes design of decimation and interpolation filters, analysis/synthesis filter banks (also called quadrature mirror filters, or QMFJ, and the development of new sampling theorems. First, the basic concepts and building blocks in multirate digital signal processing (DSPJ, including the digital polyphase representation, are reviewed. Next, recent progress as reported by several authors in this area is discussed. Several applications are described, including the following: subband coding of waveforms, voice privacy systems, integral and fractional sampling rate conversion (such as in digital audio), digital crossover networks, and multirate coding of narrow-band filter coefficients. The M-band QMF bank is discussed in considerable detail, including an analysis of various errors and imperfections. Recent techniques for perfect signal reconstruction in such systems are reviewed. The connection between QMF banks and other related topics, such as block digital filtering and periodically time-varying systems, based on a pseudo-circulant matrix framework, is covered. Unconventional applications of the polyphase concept are discussed

Wavelets and Subband Coding

First published in 1995, Wavelets and Subband Coding offered a unified view of the exciting field of wavelets and their discrete-time cousins, filter banks, or subband coding. The book developed the theory in both continuous and discrete time, and presented important applications. During the past decade, it filled a useful need in explaining a new view of signal processing based on flexible time-frequency analysis and its applications. Since 2007, the authors now retain the copyright and allow open access to the book

Multidimensional Wavelets and Computer Vision

This report deals with the construction and the mathematical analysis of multidimensional nonseparable wavelets and their efficient application in computer vision. In the first part, the fundamental principles and ideas of multidimensional wavelet filter design such as the question for the existence of good scaling matrices and sensible design criteria are presented and extended in various directions. Afterwards, the analytical properties of these wavelets are investigated in some detail. It will turn out that they are especially well-suited to represent (discretized) data as well as large classes of operators in a sparse form - a property that directly yields efficient numerical algorithms. The final part of this work is dedicated to the application of the developed methods to the typical computer vision problems of nonlinear image regularization and the computation of optical flow in image sequences. It is demonstrated how the wavelet framework leads to stable and reliable results for these problems of generally ill-posed nature. Furthermore, all the algorithms are of order O(n) leading to fast processing

Efficient complementary sequences-based architectures and their application to ranging measurements

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en 2015En las últimas décadas, los sistemas de medición de distancias se han beneficiado de los avances en el área de las comunicaciones inalámbricas. En los sistemas basados en CDMA (Code-Division Multiple-Access), las propiedades de correlación de las secuencias empleadas juegan un papel fundamental en el desarrollo de dispositivos de medición de altas prestaciones. Debido a las sumas ideales de correlaciones aperiódicas, los conjuntos de secuencias complementarias, CSS (Complementary Sets of Sequences), son ampliamente utilizados en sistemas CDMA. En ellos, es deseable el uso de arquitecturas eficientes que permitan generar y correlar CSS del mayor número de secuencias y longitudes posibles. Por el término eficiente se hace referencia a aquellas arquitecturas que requieren menos operaciones por muestra de entrada que con una arquitectura directa. Esta tesis contribuye al desarrollo de arquitecturas eficientes de generación/correlación de CSS y derivadas, como son las secuencias LS (Loosely Synchronized) y GPC (Generalized Pairwise Complementary), que permitan aumentar el número de longitudes y/o de secuencias disponibles. Las contribuciones de la tesis pueden dividirse en dos bloques: En primer lugar, las arquitecturas eficientes de generación/correlación para CSS binarios, derivadas en trabajos previos, son generalizadas al alfabeto multinivel (secuencias con valores reales) mediante el uso de matrices de Hadamard multinivel. Este planteamiento tiene dos ventajas: por un lado el aumento del número de longitudes que pueden generarse/correlarse y la eliminación de las limitaciones de las arquitecturas previas en el número de secuencias en el conjunto. Por otro lado, bajo ciertas condiciones, los parámetros de las arquitecturas generalizadas pueden ajustarse para generar/correlar eficientemente CSS binarios de mayor número de longitudes que con las arquitecturas eficientes previas. En segundo lugar, las arquitecturas propuestas son usadas para el desarrollo de nuevos algoritmos de generación/correlación de secuencias derivadas de CSS que reducen el número de operaciones por muestra de entrada. Finalmente, se presenta la aplicación de las secuencias estudiadas en un nuevo sistema de posicionamiento local basado en Ultra-Wideband y en un sistema de posicionamiento local basado en ultrasonidos

A generalized, parametric PR-QMF/wavelet transform design approach for multiresolution signal decomposition

This dissertation aims to emphasize the interrelations and the linkages of the theories of discrete-time filter banks and wavelet transforms. It is shown that the Binomial-QMF banks are identical to the interscale coefficients or filters of the compactly supported orthonormal wavelet transform bases proposed by Daubechies. A generalized, parametric, smooth 2-band PR-QMF design approach based on Bernstein polynomial approximation is developed. It is found that the most regular compact support orthonormal wavelet filters, coiflet filters are only the special cases of the proposed filter bank design technique. A new objective performance measure called Non-aliasing Energy Ratio(NER) is developed. Its merits are proven with the comparative performance studies of the well known orthonormal signal decomposition techniques. This dissertation also addresses the optimal 2-band PR-QMF design problem. The variables of practical significance in image processing and coding are included in the optimization problem. The upper performance bounds of 2-band PR-QMF and their corresponding filter coefficients are derived. It is objectively shown that there are superior filter bank solutions available over the standard block transform, DCT. It is expected that the theoretical contributions of this dissertation will find its applications particularly in Visual Signal Processing and Coding

On the automatic detection of otolith features for fish species identification and their age estimation

This thesis deals with the automatic detection of features in signals, either extracted from photographs or captured by means of electronic sensors, and its possible application in the detection of morphological structures in fish otoliths so as to identify species and estimate their age at death. From a more biological perspective, otoliths, which are calcified structures located in the auditory system of all teleostean fish, constitute one of the main elements employed in the study and management of marine ecology. In this sense, the application of Fourier descriptors to otolith images, combined with component analysis, is habitually a first and a key step towards characterizing their morphology and identifying fish species. However, some of the main limitations arise from the poor interpretation that can be obtained with this representation and the use that is made of the coefficients, as generally they are selected manually for classification purposes, both in quantity and representativity. The automatic detection of irregularities in signals, and their interpretation, was first addressed in the so-called Best-Basis paradigm. In this sense, Saito's Local discriminant Bases algorithm (LDB) uses the Discrete Wavelet Packet Transform (DWPT) as the main descriptive tool for positioning the irregularities in the time-frequency space, and an energy-based discriminant measure to guide the automatic search of relevant features in this domain. Current density-based proposals have tried to overcome the limitations of the energy-based functions with relatively little success. However, other measure strategies more consistent with the true classification capability, and which can provide generalization while reducing the dimensionality of features, are yet to be developed. The proposal of this work focuses on a new framework for one-dimensional signals. An important conclusion extracted therein is that such generalization involves a mesure system of bounded values representing the density where no class overlaps. This determines severely the selection of features and the vector size that is needed for proper class identification, which must be implemented not only based on global discriminant values but also on the complementary information regarding the provision of samples in the domain. The new tools have been used in the biological study of different hake species, yielding good classification results. However, a major contribution lies on the further interpretation of features the tool performs, including the structure of irregularities, time-frequency position, extension support and degree of importance, which is highlighted automatically on the same images or signals. As for aging applications, a new demodulation strategy for compensating the nonlinear growth effect on the intensity profile has been developed. Although the method is, in principle, able to adapt automatically to the specific growth of individual specimens, preliminary results with LDB-based techniques suggest to study the effect of lighting conditions on the otoliths in order to design more reliable techniques for reducing image contrast variation. In the meantime, a new theoretic framework for otolith-based fish age estimation has been presented. This theory suggests that if the true fish growth curve is known, the regular periodicity of age structures in the demodulated profile is related to the radial length the original intensity profile is extracted from. Therefore, if this periodicity can be measured, it is possible to infer the exact fish age omitting feature extractors and classifiers. This could have important implications in the use of computational resources anc current aging approaches.El eje principal de esta tesis trata sobre la detección automática de singularidades en señales, tanto si se extraen de imágenes fotográ cas como si se capturan de sensores electrónicos, así como su posible aplicación en la detección de estructuras morfológicas en otolitos de peces para identi car especies, y realizar una estimación de la edad en el momento de su muerte. Desde una vertiente más biológica, los otolitos, que son estructuras calcáreas alojadas en el sistema auditivo de todos los peces teleósteos, constituyen uno de los elementos principales en el estudio y la gestión de la ecología marina. En este sentido, el uso combinado de descriptores de Fourier y el análisis de componentes es el primer paso y la clave para caracterizar su morfología e identi car especies marinas. Sin embargo, una de las limitaciones principales de este sistema de representación subyace en la interpretación limitada que se puede obtener de las irregularidades, así como el uso que se hace de los coe cientes en tareas de clasi cación que, por lo general, acostumbra a seleccionarse manualmente tanto por lo que respecta a la cantidad y a su importancia. La detección automática de irregularidades en señales, y su interpretación, se abordó por primera bajo el marco del Best-Basis paradigm. En este sentido, el algoritmo Local Discriminant Bases (LDB) de N. Saito utiliza la Transformada Wavelet Discreta (DWT) para describir el posicionamiento de características en el espacio tiempo-frecuencia, y una medida discriminante basada en la energía para guiar la búsqueda automática de características en dicho dominio. Propuestas recientes basadas en funciones de densidad han tratado de superar las limitaciones que presentaban las medidas de energía con un éxito relativo. No obstante, todavía están por desarrollar nuevas estrategias más consistentes con la capacidad real de clasi cación y que ofrezcan mayor generalización al reducir la dimensión de los datos de entrada. La propuesta de este trabajo se centra en un nuevo marco para señales unidimensionales. Una conclusión principal que se extrae es que dicha generalización pasa por un marco de medidas de valores acotados que re ejen la densidad donde las clases no se solapan. Esto condiciona severamente el proceso de selección de características y el tamaño del vector necesario para identi car las clases correctamente, que se ha de establecer no sólo en base a valores discriminantes globales sino también en la información complementaria sobre la disposición de las muestras en el dominio. Las nuevas herramientas han sido utilizadas en el estudio biológico de diferentes especies de merluza, donde se han conseguido buenos resultados de identi cación. No obstante, la contribución principal subyace en la interpretación que dicha herramienta hace de las características seleccionadas, y que incluye la estructura de las irregularidades, su posición temporal-frecuencial, extensión en el eje y grado de relevancia, el cual, se resalta automáticamente sobre la misma imagen o señal. Por lo que respecta a la determinación de la edad, se ha planteado una nueva estrategia de demodulación para compensar el efecto del crecimiento no lineal en los per les de intensidad. Inicialmente, aunque el método implementa un proceso de optimización capaz de adaptarse al crecimiento individual de cada pez automáticamente, resultados preliminares obtenidos con técnicas basadas en el LDB sugieren estudiar el efecto de las condiciones lumínicas sobre los otolitos con el n de diseñar algoritmos que reduzcan la variación del contraste de la imagen más ablemente. Mientras tanto, se ha planteado una nueva teoría para estimar la edad de los peces en base a otolitos. Esta teoría sugiere que si la curva de crecimiento real del pez se conoce, el período regular de los anillos en el per l demodulado está relacionado con la longitud total del radio donde se extrae el per l original. Por tanto, si dicha periodicidad es medible, es posible determinar la edad exacta sin necesidad de utilizar extractores de características o clasi cadores, lo cual tendría implicaciones importantes en el uso de recursos computacionales y en las técnicas actuales de estimación de la edad.L'eix principal d'aquesta tesi tracta sobre la detecció automàtica d'irregularitats en senyals, tant si s'extreuen de les imatges fotogrà ques com si es capturen de sensors electrònics, així com la seva possible aplicació en la detecció d'estructures morfològiques en otòlits de peixos per identi car espècies, i realitzar una estimació de l'edat en el moment de la seva mort. Des de la vesant més biològica, els otòlits, que son estructures calcàries que es troben en el sistema auditiu de tots els peixos teleostis, constitueixen un dels elements principals en l'estudi i la gestió de l'ecologia marina. En aquest sentit, l'ús combinat de descriptors de Fourier i l'anàlisi de components es el primer pas i la clau per caracteritzar la seva morfologia i identi car espècies marines. No obstant, una de les limitacions principals d'aquest sistema de representació consisteix en la interpretació limitada de les irregularitats que pot desenvolupar, així com l'ús que es realitza dels coe cients en tasques de classi cació, els quals, acostumen a ser seleccionats manualment tant pel que respecta a la quantitat com la seva importància. La detecció automàtica d'irregularitats en senyals, així com la seva interpretació, es va tractar per primera vegada sota el marc del Best-Basis paradigm. En aquest sentit, l'algorisme Local Discriminant Bases (LDB) de N. Saito es basa en la Transformada Wavelet Discreta (DWT) per descriure el posicionament de característiques dintre de l'espai temporal-freqüencial, i en una mesura discriminant basada en l'energia per guiar la cerca automàtica de característiques dintre d'aquest domini. Propostes més recents basades en funcions de densitat han tractat de superar les limitacions de les mesures d'energia amb un èxit relatiu. No obstant, encara s'han de desenvolupar noves estratègies que siguin més consistents amb la capacitat real de classi cació i ofereixin més generalització al reduir la dimensió de les dades d'entrada. La proposta d'aquest treball es centra en un nou marc per senyals unidimensionals. Una de las conclusions principals que s'extreu es que aquesta generalització passa per establir un marc de mesures acotades on els valors re ecteixin la densitat on cap classe es solapa. Això condiciona bastant el procés de selecció de característiques i la mida del vector necessari per identi car les classes correctament, que s'han d'establir no només en base a valors discriminants globals si no també en informació complementària sobre la disposició de les mostres en el domini. Les noves eines s'han utilitzat en diferents estudis d'espècies de lluç, on s'han obtingut bons resultats d'identi cació. No obstant, l'aportació principal consisteix en la interpretació que l'eina extreu de les característiques seleccionades, i que inclou l'estructura de les irregularitats, la seva posició temporal-freqüencial, extensió en l'eix i grau de rellevància, el qual, es ressalta automàticament sobre les mateixa imatge o senyal. En quan a l'àmbit de determinació de l'edat, s'ha plantejat una nova estratègia de demodulació de senyals per compensar l'efecte del creixement no lineal en els per ls d'intensitat. Tot i que inicialment aquesta tècnica desenvolupa un procés d'optimització capaç d'adaptar-se automàticament al creixement individual de cada peix, els resultats amb el LDB suggereixen estudiar l'efecte de les condicions lumíniques sobre els otòlits amb la nalitat de dissenyar algorismes que redueixin la variació del contrast de les imatges més ablement. Mentrestant s'ha plantejat una nova teoria per realitzar estimacions d'edat en peixos en base als otòlits. Aquesta teoria suggereix que si la corba de creixement és coneguda, el període regular dels anells en el per l d'intensitat demodulat està relacionat amb la longitud total de radi d'on s'agafa el per l original. Per tant, si la periodicitat es pot mesurar, es possible conèixer l'edat exacta del peix sense usar extractors de característiques o classi cadors, la qual cosa tindria implicacions importants en l'ús de recursos computacionals i en les tècniques actuals d'estimació de l'edat.Postprint (published version