Hadamard-Transformation

digitale Signaltransformation
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Die Hadamard-Transformation, auch bezeichnet als Walsh–Hadamard-Transformation, Hadamard–Rademacher–Walsh-Transformation, Walsh-Transformation und als Walsh–Fourier-Transformation, ist eine diskrete Transformation aus dem Bereich der Fourier-Analysis. Sie ist eine orthogonal-symmetrische, selbstinverse und lineare Transformation und von der Struktur her verwandt mit der diskreten Fourier-Transformation (DFT). Die Hadamard-Transformation bildet einen Satz von reellen oder komplexen Eingangswerten in einen Bildbereich aus überlagerten Walsh-Funktionen, dem Walsh-Spektrum, ab.[1] Die Transformation ist benannt nach den Mathematikern Jacques Hadamard, Joseph L. Walsh und Hans Rademacher.

Die Anwendungen der Hadamard-Transformation liegen im Bereich der digitalen Signalverarbeitung und Datenkompression wie beispielsweise bei JPEG XR und H.264/MPEG-4 AVC.

DefinitionBearbeiten

 
Das Produkt einer binären Eingangsfolge und einer  -Hadamard-Matrix ergibt das Walsh-Spektrum:
(1,0,1,0,0,1,1,0) * H(8) = (4,2,0,−2,0,2,0,2)

Die Hadamard-Transformation   wird aus einer  -Hadamard-Matrix, skaliert mit einem Normalisierungsfaktor, gebildet, welche eine Eingangsfolge   der Länge   mittels einer Matrix-Vektor-Multiplikation in eine Ausgangsfolge   transformiert.

Die Hadamard-Transformation kann verschiedenartig definiert werden, unter anderem rekursiv, wobei von einer  -Hadamard-Transformation   mit der Identität   ausgegangen wird und   für   festgelegt wird zu:

 

mit dem Normalisierungsfaktor  , der mitunter auch weggelassen wird.

Analog wie bei der diskreten Fourier-Transformation (DFT) und der optimierten schnellen Fourier-Transformation (FFT) existiert auch eine schnelle Hadamard-Transformation, welche die Anzahl   der Operationen auf   mit   reduziert.

Zusammenhang zur diskreten FouriertransformationBearbeiten

Wie auch die Hadamard-Transformation lässt sich die diskrete Fourier-Transformation als Produkt einer Transformationsmatrix und eines Eingangsvektors formulieren. Sollen per DFT   Elemente im Zeitbereich in den Spektralbereich transformiert werden, so lautet die DFT-Matrix

 .

Die Hadamard-Matrix ohne Skalierungsfaktor ist dann als Kronecker-Produkt aus einzelnen   DFT-Matrizen konstruierbar:

 .

LiteraturBearbeiten

  • Kathy J. Horadam: Hadamard Matrices and their Applications. Princeton University Press, Princeton NJ u. a. 2007, ISBN 978-0-691-11921-2.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Henry O. Kunz: On the Equivalence Between One-Dimensional Discrete Walsh-Hadamard and Multidimensional Discrete Fourier Transforms. In: IEEE Transactions on Computers. Bd. 28, Nr. 3, 1979, ISSN 0018-9340, S. 267–268, doi:10.1109/TC.1979.1675334.