Кіріспе
Савицки-Голай сүзгісі – деректерді тегістеу мақсатында, яғни сигналдың бағытын бұрмаламай, деректердің дәлдігін арттыру үшін сандық дерек нүктелерінің жиынтығына қолданылатын сандық сүзгі. Бұл конволюция деп аталатын процесте сызықтық ең кіші квадраттар әдісімен төмен дәрежелі полиномды, бір-біріне жақын дерек нүктелерінің кіші жиынтықтарына сәйкестендіру арқылы жүзеге асырылады. Дерек нүктелері бірдей аралықта орналасқан жағдайда, ең кіші квадраттар теңдеулеріне аналитикалық шешім табуға болады, ол "конволюция коэффициенттерінің" бір жиынтығы түрінде болады. Бұл жиынтықты барлық деректердің кіші жиынтықтарына қолдану арқылы әр кіші жиынтықтың орталық нүктесінде тегістелген сигналдың (немесе тегістелген сигналдың туындыларының) шамасын алуға болады. Қалыптасқан математикалық процедураларға негізделген бұл әдіс 1964 жылы Абрахам Савицки және Марсель Дж. Е. Голай еңбектері арқылы танымал болды, олар түрлі полиномдар мен кіші жиынтықтар үшін конволюция коэффициенттерінің кестелерін жариялады. Кестедегі кейбір қателер түзетілді. Әдіс 2 және 3 өлшемді деректерді өңдеуге де бейімделді. Савицки мен Голайдың мақаласы Analytical Chemistry журналындағы ең көп сілтемеленген мақалалардың бірі болып табылады және журналдың "10 маңызды мақаласының" қатарына кіреді, онда "компьютермен басқарылатын талдау құралдарының пайда болуы осы мақаламен байланысты деуге болады" делінген.
A Savitzky–Golay filter is a digital filter that can be applied to a set of digital data points for the purpose of smoothing the data, that is, to increase the precision of the data without distorting the signal tendency. This is achieved, in a process known as convolution, by fitting successive sub sets of adjacent data points with a low degree polynomial by the method of linear least squares. When the data points are equally spaced, an analytical solution to the least squares equations can be found, in the form of a single set of "convolution coefficients" that can be applied to all data sub sets, to give estimates of the smoothed signal, (or derivatives of the smoothed signal) at the central point of each sub set. The method, based on established mathematical procedures, was popularized by Abraham Savitzky and Marcel J. E. Golay, who published tables of convolution coefficients for various polynomials and sub set sizes in 1964. Some errors in the tables have been corrected. The method has been extended for the treatment of 2 and 3 dimensional data. Savitzky and Golay's paper is one of the most widely cited papers in the journal Analytical Chemistry and is classed by that journal as one of its "10 seminal papers" saying "it can be argued that the dawn of the computer controlled analytical instrument can be traced to this article".
Жылжымалы орташа
"Қозғалысты орташа сүзгісі" – Савицки-Голай сүзгісінің қарапайым мысалы болып табылады. Ол уақыт сериясы деректерімен кеңінен қолданылады, қысқа мерзімді ауытқуларды тегістеуге және ұзақ мерзімді трендтерді немесе циклдарды анықтауға мүмкіндік береді. Деректер жиынтығының әрбір бөлігі жоғары дәрежелі полиномдарға қарағанда түзу көлденең сызыққа сәйкес келеді. Салмақталмаған қозғалысты орташа сүзгісі – ең қарапайым конволюциялық сүзгі. Қозғалысты орташа жиі қаржы деректерін, мысалы, акция бағаларын, кірістерді немесе сауда көлемін жедел техникалық талдау үшін пайдаланылады. Ол экономикада да қолданылады, жалпы ішкі өнімді, жұмыспен қамтуды немесе басқа макроэкономикалық уақыт қатарларын зерттеуге болады. Барлық коэффициенттері бірдей болғандықтан, мәнімен тең, ол Савицки-Голай конволюциялық коэффициенттерінің кейбір кестелеріне енгізілмеген.
Ортогональды көптіктерді қолдану
m дерек нүктесін қосалқы айнымалы z арқылы қарапайым полиномға сәйкес келтірудің орнына, ортогональды полиномдарды қолдануға болады. Мұндағы P0, …, Pk – 0, …, k дәрежелі өзара ортогональды полиномдар жиынтығы. Ортогональды полиномдарға қатысты өрнектерді алу және b және a коэффициенттері арасындағы байланысты Гест еңбектерінде толыққанды түсіндірілген. Бұл сондай-ақ, бірдей полином арқылы алғашқы (m + 1) / 2 нүктелерге және соңғы нүктелерге де сәйкес келуге тең.
Көп өлшемді ыдырау коэффициенттері
Екі өлшемді конволюция коэффициенттерінің идеясы, ядролық түйіндердің көп өлшемді таралуын бір қатарға орналастыру арқылы жоғары кеңістіктік өлшемдерге де тікелей кеңейтілуі мүмкін. Никитас пен Папа Луизидің бұрынғы тұжырымына сәйкес, GNU MPFR пайдаланылатын болғандықтан, әр итерацияда қозғалмалы нүктелі сандардың дәлдігі біртіндеп артады. Егер екі тікелей итерациядан алынған C мәндері, белгілі бір арақашықтыққа дейін бірдей маңызды цифрларды көрсетсе, конвергенцияға қол жеткізілді деп есептеледі. Егер арақашықтық жеткілікті үлкен болса, есептеу өте жоғары дәлдіктегі C нәтижесін береді. PCCC, GNU Multiple Precision Arithmetic Library-ді пайдаланып рационалды сандарды есептейді және рационалды сан форматында толық дәл C-ні қамтамасыз етеді. Соңында, бұл рационалды сандар белгілі бір маңызды цифрлар санына дейін қозғалмалы нүктелі сандарға түрлендіріледі. ACCC қолданылып, симметриялық ядролар және симметриялық және асимметриялық полиномдар үшін, бірлік аралықтағы ядролық түйіндерде есептелген C мәндерінің дерекқоры 1, 2, 3 және 4 өлшемді кеңістіктерде қолжетімді. Чандра Шехар сондай-ақ, бірлік аралықтағы ядролық түйіндерде есептелген C-ні пайдалану және әртүрлі реттегі біркелкі емес аралықтағы ядролық түйіндерде сүзу және жартылай туындыларды орындауды сипаттайтын математикалық база ұсынды. Тегістеу үшін конволюция коэффициенттерінің квадраттарының қосындысы орталық коэффициенттің мәніне тең.
The sum of squared convolution coefficients for smoothing is equal to the value of the central coefficient.
Көпжолдық сүзгілер
Бұрмалауды азайтудың және шуды жоюды жақсартудың бір жолы – ені кіші сүзгіні қолдану және онымен бірнеше рет конволюция жасау. Бір сүзгіні екі рет қолдану, бастапқы сүзгіні өзімен-өзі конволюциялау арқылы алынған сүзгіні бір рет қолдануға тең. Мысалы, (1/3, 1/3, 1/3) коэффициенттері бар сүзгіні 2 рет қолдану, (1/9, 2/9, 3/9, 2/9, 1/9) коэффициенттері бар сүзгіні 1 рет қолданумен бірдей. Көп рет қолданудың кемшілігі – нүктелік функциядан жасалған өткізулер үшін сүзгінің эквиваленттік ені артады, сондықтан көп рет қолдану шеттік эффектілерге көбірек бейім. Дегенмен, көп рет қолдану үлкен пайда әкелді. Мысалы, сигнал-шу қатынасы 5-ке тең деректерге 40-80 рет қолдану пайдалы нәтижелер берді. Жоғарыда келтірілген шуды азайту формулалары қолданылмайды, себебі есептелген деректер нүктелері арасындағы корреляция әр рет қолданумен артады.
(1/9, 2/9, 3/9, 2/9, 1/9). The disadvantage of multipassing is that the equivalent filter width for passes of an –point function is so multipassing is subject to greater end effects. Nevertheless, multipassing has been used to great advantage. For instance, some 40–80 passes on data with a signal to noise ratio of only 5 gave useful results. The noise reduction formulae given above do not apply because correlation between calculated data points increases with each pass.
Қиылысу сүзгілерінің жиілік сипаттамалары
Фурье кодоменіндегі конволюция көбейтуге айналады. Конволюциялық сүзгінің дискретті Фурье түрленуі – нақты мәнді функция болып табылады, оны θ 0-дан 180 градусқа дейін өтеді деп көрсетуге болады, содан кейін функция қайталана бастайды. 9 нүктелік квадраттық/кубтық тегістеу функциясының графигі типік. Өте кішкентай бұрыштарда график дерлік түзу сызыққа ұқсайды, яғни деректердің төмен жиілікті компоненттері тегістеу операциясынан іс жүзінде өзгере алмайды. Бұрыш артқан сайын мәні төмендейді, сондықтан жоғары жиілікті компоненттер күшін жоғалтады. Бұл конволюциялық сүзгінің төмен өткізгіш сүзгі ретінде сипатталуын көрсетеді: алынып тасталатын шу негізінен жоғары жиілікті шу, ал төмен жиілікті шу сүзгі арқылы өтеді. Фурье түрленуінің үлкен бұрыштардағы толқындары көрсеткендей, кейбір жоғары жиілікті шу компоненттері басқаларына қарағанда көбірек әлсірейді. Бұл тегістелген деректерде шағын тербелістерге және фазалық инверсияға алып келуі мүмкін, яғни деректердегі жоғары жиілікті тербелістер Савицки-Голай сүзгілеу арқылы инверсияланады.
θ runs from 0 to 180 degrees, after which the function merely repeats itself. The plot for a 9 point quadratic/cubic smoothing function is typical. At very low angle, the plot is almost flat, meaning that low frequency components of the data will be virtually unchanged by the smoothing operation. As the angle increases the value decreases so that higher frequency components are more and more attenuated. This shows that the convolution filter can be described as a low pass filter: the noise that is removed is primarily high frequency noise and low frequency noise passes through the filter. Some high frequency noise components are attenuated more than others, as shown by undulations in the Fourier transform at large angles. This can give rise to small oscillations in the smoothed data and phase reversal, i. e., high frequency oscillations in the data get inverted by Savitzky–Golay filtering.
Басқа сүзгілер мен баламалармен салыстыру
Басқа тегістеу сүзгілерімен, мысалы, Гаусс немесе көп қадамды жылжымалы орташа сүзгілерімен салыстырғанда, Савицки-Голай сүзгілері жиілік доменінде бастапқыда тегіс жауап пен өткір кесуге ие, әсіресе полиномдық сәйкестіктің жоғары дәрежелерінде (жиілік сипаттамаларын қараңыз). Сигналдың жолақтығы шектеулі деректер үшін бұл Savitzky-Golay сүзгісінің көптеген басқа сүзгілерге қарағанда жақсы сигнал-шу қатынасын қамтамасыз ете алатынын білдіреді; мысалы, спектрлердің ең биік нүктелері ұқсас шуды жойту мүмкіндігі бар басқа сүзгілерге қарағанда жақсы сақталады. Савицки-Голай сүзгілерінің кемшіліктері – кейбір жоғары жиіліктерді салыстырмалы түрде нашар жою (нашар тоқтау жолағын жою) және бірінші және соңғы нүктелер үшін полиномдық сәйкестіктерді қолданғанда артефакттардың пайда болуы. Савицки-Голай сүзгілерінің артықшылықтарын бөлісіп, кем дегенде кейбір кемшіліктерін азайтатын баламалы тегістеу әдістері – дұрыс таңдалған салмақтары бар Савицки-Голай сүзгілері, Уиттакер-Хендерсон тегістеуі (тегістеу сплайндарына жақын әдіс) және терезеленген синк функциясымен ығысу.