Кіріспе

Сигналдарды өңдеуде сызықтық емес (немесе сызықтық емес) сүзгі – шығысы кірісінің сызықтық функциясы емес сүзгі. Яғни, егер сүзгі екі кіріс сигналы r және s үшін R және S сигналдарын шығарса, бірақ кіріс сызықтық комбинация αr + βs болғанда әрқашан αR + βS шығармайтын болса. Ұдайы доменді және дискретті доменді сүзгілер де сызықтық емес болуы мүмкін. Біріншісінің қарапайым мысалы – кез келген уақыт мезетінде шығыс кернеуі R(t) кіріс кернеуінің квадратына r(t) тең болатын электр құрылғысы; немесе кіріс кернеуінің белгілі бір диапазонға [a,b] шектелуі, яғни R(t) = max(a, min(b, r(t))). Екіншісінің маңызды мысалы – жүйтіп өтетін медианалық сүзгі, онда әрбір шығыс үлгісі Ri соңғы үш кіріс үлгісінің – ri, ri-1, ri-2 медианасы болып табылады. Сызықтық сүзгілер сияқты, сызықтық емес сүзгілер де орын ауысқанда инвариантты болуы немесе болмауы мүмкін. Сызықтық емес сүзгілердің көптеген қолданыс аймақтары бар, әсіресе қосымша емес шудың белгілі бір түрлерін жоюда. Мысалы, медианалық сүзгі – үлгілердің шағын ғана пайызына әсер ететін, бірақ ықтимал өте үлкен шамада әсер ететін импульстік шуды жою үшін кеңінен қолданылады. Шындығында, барлық радио қабылдағыштар килогерцтен гигагерцке дейінгі сигналдарды аудио жиілік диапазонына түрлендіру үшін сызықтық емес сүзгілерді пайдаланады; ал барлық цифрлық сигналдарды өңдеу сызықтық емес сүзгілерге (аналог-цифрлық түрлендіргіштерге) тәуелді, олар аналогты сигналдарды екілік сандарға түрлендіреді. Дегенмен, сызықтық емес сүзгілерді пайдалану және жобалау сызықтық сүзгілерге қарағанда әлдеқайда қиын, себебі сигналдарды талдаудың ең қуатты математикалық құралдарын (мысалы, импульстік жауапты және жиілік жауабын) оларға қолдануға болмайды. Сондықтан, мысалы, сызықтық емес процестер нәтижесінде пайда болған шу мен бұрмалауды жою үшін көбінесе сызықтық сүзгілер қолданылады, себебі тиісті сызықтық емес сүзгіні жобалау және құрастыру тым қиын болар еді. Жоғарыда айтылғандардан сызықтық емес сүзгілердің сызықтық сүзгілерге қарағанда өте ерекше мінез-құлқы бар екенін білеміз. Ең маңызды ерекшелік – сызықтық емес сүзгілер үшін сүзгінің шығысы немесе жауабы бұрын сипатталған принциптерге, әсіресе масштабтау және орын ауысқанда инвариантты болу қағидаларына бағынбайды. Сонымен қатар, сызықтық емес сүзгі интуитивті емес түрде өзгеретін нәтижелерді тудыра алады.

Сызықтық жүйе

Сызықтық жүйені бірнеше принциптер анықтайды. Сызықтықтың негізгі анықтамасы – шығыс кіріс мәндерінің сызықтық функциясы болуы керек, яғни, кез келген скалярлық шамалар үшін және . Бұл сызықтық жүйе құрастырудың негізгі қасиеті және суперпозиция принципі деп аталады. Сондықтан, егер бұл теңдеу орындалмаса, жүйе сызықтық емес деп есептеледі. Басқаша айтқанда, жүйе сызықтық болған жағдайда ғана суперпозиция принципін қолдануға болады. Осы маңызды фактінің арқасында сызықтық жүйелерді талдау әдістері кеңінен дамыған.

Кушнер-Стратонович сүзгілеуі

Бұл жерде контекст – бұл сызықтық емес сүзгілеу мәселесінің тұжырымдамасы, стохастикалық процестер теориясының көзімен қарастырылған. Осы контексте, кездейсоқ сигнал да, шулы ішінара байқаулар да үздіксіз уақыт стохастикалық процестермен сипатталады. Бағалауға жататын, байқалмаған кездейсоқ сигнал сызықтық емес Ито стохастикалық дифференциалдық теңдеу арқылы модельделеді, ал байқау функциясы – байқалмаған сигналдың үздіксіз уақытпен сызықтық емес түрленуі, үстіне үздіксіз уақыт байқау шуымен бұзылған байқау. Динамиканың сызықтық емес табиғатын ескере отырып, сызықтық сүзгілерге қолданылатын таныс жиілік домендік ұғымдар қолданылмайды, сондықтан жай-күй кеңістігін бейнелеуге негізделген теория құрастырылады. Белгілі бір уақыттағы сызықтық емес сүзгі туралы толық ақпарат – сол уақытқа дейінгі байқаулар тарихына шартты түрде байланысты, байқалмаған сигналдың ықтималдық заңы. Бұл заң тығыздыққа ие болуы мүмкін, ал осы заңның тығыздығына қатысты шексіз өлшемді теңдеу стохастикалық бөлшектік дифференциалдық теңдеу (СБДТ) нысанында болады. Осы контекстегі оптималды сызықтық емес сүзгілеу мәселесі 1950 жылдардың соңы мен 1960 жылдардың басында Руслан Л. Стратонович пен Гарольд Дж. Кушнер шешкен. Оптималды сүзгі СБДТ – Кушнер-Стратонович теңдеуі деп аталады. 1969 жылы Моше Закай фильтрдің нормаланбаған шартты заңының жеңілдетілген динамикасын ұсынды, ол Закай теңдеуі деп танылады. Мирель Шалеят-Маурел мен Доминик Мишельдің дәлелдеуіне сәйкес, шешім әдетте шексіз өлшемді болады, сондықтан шекті өлшемді жуықтаулар қажет. Бұл кеңейтілген Кальман сүзгісі, Питер С. Мэйбэк сипаттаған болжамды тығыздық сүзгілері немесе Дамиано Бриго, Бернард Ханзон және Франсуа Ле Гланд ұсынған проекциялық сүзгілер сияқты эвристикалық әдістерге негізделуі мүмкін, олардың кейбір кіші топтары болжамды тығыздық сүзгілерімен сәйкес келеді. Бөлшектік сүзгілер – тағы бір мүмкіндік, ол реттік Монте-Карло әдістерімен байланысты.

Энергияны беру сүзгілері

Энергияны беру сүзгілері – энергияны қалыптастырылған жолмен жылжытуға қолданылатын сызықтық емес динамикалық сүзгілер класы. Энергияны жоғары немесе төмен жиіліктік диапазонға жылжытуға, белгілі бір диапазонға таратуға немесе шоғырландыруға болады. Энергияны беру сүзгілерінің көптеген дизайндары мүмкін, және олар сызықтық емес дизайнды қолдану арқылы қол жеткізе алмайтын сүзгі дизайнында қосымша мүмкіндіктер ұсынады.

Минималды сүзгі

Минималды сүзгі, морфологиялық бейне өңдеуде эрозия деп те аталады, бұл бейне өңдеу үшін қолданылатын кеңістіктік домендегі сүзгі. Ол суреттегі әрбір пикселді оның көрші пикселдерінің ең кішкентай мәнімен алмастырады. Көршіліктің мөлшері мен пішіні құрылымдық элементпен анықталады, әдетте шаршы немесе дөңгелек маска болады. Трансформация орталық пикселді жылжымалы терезедегі ең қараңғы пикселмен ауыстырады. Мысалы, егер мәтін ақылсыз басылған болса, минималды сүзгі әріптерді қалыңдатады.

Макс сүзгі

Макс сүзгісі, морфологиялық бейне өңдеуде кеңейту деп те аталады, бейне өңдеу үшін қолданылатын тағы бір кеңістіктік домен сүзгісі. Ол суреттегі әрбір пикселді оның көрші пикселдерінің ең жоғары мәнімен алмастырады, бұл құрылымдық элементпен анықталады. Максималды және минималды сүзгілер өзгермейтін. Минималды сүзгі орталық пикселді жылжымалы терезенің ең қараңғы пикселімен алмастырса, максималды сүзгі оны ең ақ пикселмен алмастырады. Мысалы, егер сізде қалың қарындашпен салынған мәтін болса, сіз оны жұқара аласыз.