K-L变换的原理

K-L变换被广泛应用在图像压缩领域中,是一个线性变换(W是正交矩阵)

K-L变换的目标:通过KLT去除原数据之间的相关性,即解相关(decorrelatation),设y的协方差矩阵为

假设x的每个列向量均值为0,由线性变换的性质,y的每个列向量均值也为0,则

因为W是正交矩阵,上式可写为

\textbf{w}_{i}W的列向量,则

                                          \begin{align*} \textbf{[W][C]}_{y}&=[\textbf{w}_{1}, \textbf{w}_{2}, \cdots, \textbf{w}_{n}] \begin{bmatrix} \lambda _{1} & & & \\ &\lambda _{2} & & \\ & &\ddots & \\ & & & \lambda _{n} \end{bmatrix}\\ &=[\lambda _{1}\textbf{w}_{1}, \lambda _{2}\textbf{w}_{2}, \cdots, \lambda _{n}\textbf{w}_{n}]\\ &=\textbf{[C]}_{x}[\textbf{w}_{1}, \textbf{w}_{2}, \cdots, \textbf{w}_{n}] \end{align*}

所以\lambda_{i}, \textbf{w}_{i}分别是\textbf{[C]}_{x}的特征值和特征向量,即

这样我们可以通过求\textbf{[C]}_{x}的特征向量得到变换矩阵W

K-L变换与DCT变换

一个的零均值Markov序列的协方差矩阵具有以下形式

其特征向量和特征值为

其中r_{j}是以下超越方程的根

\rho \rightarrow 1时,有

此时为DCT变换

对于自然景物,通常有。这时DCT的基向量可以很好地近似K-L变换的基向量。由于这个原因,在图象压缩算法中常被用来代替K-L变换,如JPEG算法。尽管DCT在降低谱的相关性方面不如K-L变换有效,但是其好处是它的基函数是固定的,而K-L变换的基函数取决于待变换图象的协方差矩阵。

参考文献与站点

[1] Ed. K. R. Rao, P.C. Yip.The Transform and Data Compression Handbook[M].CRC Press LLC:Boca Raton,2001:20-30.
[2] http://media.cs.tsinghua.edu.cn/~ahz/digitalimageprocess/chapter11/chapt11_ahz.htm
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Karhunen%E2%80%93Lo%C3%A8ve_theorem

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