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研究生课程数字图像处理和分析DigitalImageProcessingandAnalysis杜红E_mail:duhmail@126.com第三章傅里叶变换傅里叶变换为什么要在频率域研究图像增强可以利用频率成分和图像外表之间的对应关系。一些在空间域表述困难的增强任务,在频率域中变得非常普通滤波在频率域更为直观,它可以解释空间域滤波的某些性质可以在频率域指定滤波器,做反变换,然后在空间域使用结果滤波器作为空间域滤波器的指导一旦通过频率域试验选择了空间滤波,通常实施都在空间域进行傅里叶变换定义一维连续傅里叶变换及反变换单变量连续函数f(x)的傅里叶变换F(u)定义为给定F(u),通过傅里叶反变换可以得到f(x)f(x)ej2uxdxF(u)1其中,jF(u)ej2uxduf(x)傅里叶变换定义傅里叶变换定义从欧拉公式ecosjsinfxcos(2ux)/Mjsin(2ux)/Mfxcos2ux/Mjsin2ux/M一维离散傅里叶变换及反变换jM1x01MF(u)fxej(2ux)/MM1x0M1x01M1M傅里叶变换FuRuIu22uarctan傅里叶变换的极坐标表示FuFueju幅度或频率谱为12R(u)和I(u)分别是F(u)的实部和虚部相角或相位谱为IuRu傅里叶变换PuFuRuIu傅里叶变换的极坐标表示功率谱为f(x)的离散表示F(u)的离散表示222fxfx0xxx0,1,2,...,M1FuFuuu0,1,2,...,M1傅里叶变换傅里叶变换定义Fu,vRu,vIu,v22u,varctan二维DFT的极坐标表示Fu,vFu,veju,v幅度或频率谱为12R(u,v)和I(u,v)分别是F(u,v)的实部和虚部相角或相位谱为Iu,vRu,v傅里叶变换Pu,vFu,vRu,vIu,vfx,y1二维DFT的极坐标表示功率谱为用(-1)x+y乘以f(x,y),将F(u,v)原点变换到频率坐标下的(M/2,N/2),它是M×N区域的中心u=0,1,2,…,M-1,v=0,1,2,…,N-1222FuM/2,vN/2F(u,v)的原点变换xy傅里叶变换fx,yF(0,0)表示这说明:假设f(x,y)是一幅图像,在原点的傅里叶变换等于图像的平均灰度级M1N1x0y01MNF0,0傅里叶变换如果f(x,y)是实函数,它的傅里叶变换是对称的,即Fu,vFu,v傅里叶变换的频率谱是对称的Fu,vFu,v傅里叶变换傅里叶变换傅里叶变换二维傅里叶变换的性质1.2.3.4.5.6.7.8.9.平移性质分配律尺度变换(缩放)旋转性周期性和共轭对称性平均值可分性卷积相关性傅里叶变换1.傅里叶变换对的平移性质(1)(2)公式(1)表明将f(x,y)与一个指数项相乘就相当于把其变换后的频域中心移动到新的位置公式(2)表明将F(u,v)与一个指数项相乘就相当于把其变换后的空域中心移动到新的位置公式(2)表明对f(x,y)的平移不影响其傅里叶变换的幅值fx,yej2u0x/Mv0y/NFuu0,vv0fxx0,yy0Fu,vej2ux0/Mvy0/N以表示函数和其傅里叶变换的对应性傅里叶变换1fx,y11.傅里叶变换对的平移性质(续)当u0=M/2且v0=N/2,带入(1)和(2),得到exyej(xy)j2u0x/Mv0y/NFuM/2,vN/2xyuv傅里叶变换2.分配律根据傅里叶变换的定义,可以得到f1x,yf2x,yf1x,yf2x,yf1x,yf2x,yf1x,yf2x,y上述公式表明:傅里叶变换对加法满足分配律,但对乘法则不满足傅里叶变换3.尺度变换(缩放)给定2个标量a和b,可以证明对傅里叶变换下列2个公式成立afx,yaFu,vFu/a,v/b1abfax,by傅里叶变换4.旋转性引入极坐标xrcos,yrsin,ucos,vsin将f(x,y)和F(u,v)转换为fr,和F,。将它们带入傅里叶变换对得到fr,0F,0f(x,y)旋转角度0,F(u,v)也将转过相同的角度F(u,v)旋转角度0,f(x,y)也将转过相同的角度傅里叶变换5.周期性和共轭对称性尽管F(u,v)对无穷多个u和v的值重复出现,但只需根据在任一个周期里的N个值就可以从F(u,v)得到f(x,y)只需一个周期里的变换就可将F(u,v)在频域里完全确定同样的结论对f(x,y)在空域也成立Fu,vFuM,vFu,vNFuM,vNfx,yfxM,yfx,yNfxM,yN上述公式表明傅里叶变换Fu,vFu,v5.周期性和共轭对称性如果f(x,y)是实函数,则它的傅里叶变换具有共轭对称性Fu,vFu,v其中,F*(u,v)为F(u,v)的复共轭。复习:当两个复数实部相等,虚部互为相反数时,这两个复数叫做互为共轭复数.傅里叶变换对于一维变换F(u),周期性是指F(u)的周期长度为M,对称性是指频谱关于原点对称周期性和共轭对称性举例半周期的傅里叶频谱一幅二维图像的傅里叶频谱全周期的傅里叶频谱中心化的傅里叶频谱fx,yej2vy/Nx0y01M1j2ux/M1N1Fx,vx0e6.F(x,v)是沿着f(x,y)的一行所进行的傅里叶变换。当x=0,1,…,M-1,沿着f(x,y)的所有行计算傅里叶变换。分离性Fu,veMN1M1j2ux/MM傅里叶变换6.分离性——二维傅里叶变换的全过程先通过沿输入图像的每一行计算一维变换再沿中间结果的每一列计算一维变换可以改变上述顺序,即先列后行上述相似的过程也可以计算二维傅里叶反变换傅里叶变换fx,yfx,yfx,y7.平均值由二维傅里叶变换的定义而M1N1x0y01MNFu,vfx,yej2ux/Mvy/NM1N1x0y01MN所以F0,0M1N1x0y01MN傅里叶变换fx,yF0,07.平均值所以上式说明:如果f(x,y)是一幅图像,在原点的傅里叶变换即等于图像的平均灰度级傅里叶变换fm,nhxm,yn8.卷积理论大小为M×N的两个函数f(x,y)和h(x,y)的离散卷积1M1N1MNm0n0fx,yhx,y卷积定理fx,yhx,yFu,vHu,vfx,yhx,yFu,vHu,v傅里叶变换fm,nhxm,ynfx,yhx,yFu,vHu,v9.相关性理论大小为M×N的两个函数f(x,y)和h(x,y)的相关f*表示f的复共轭。对于实函数,f*=f相关定理1M1N1*MNm0n0性定义为fx,yhx,yfx,yhx,yF*u,vHu,v*傅里叶变换fx,yfx,yFu,vRu,vIu,vfx,yFu,vFu,v自相关理论2222注:复数和它的复共轭的乘积是复数模的平方傅里叶变换卷积和相关性理论总结卷积是空间域过滤和频率域过滤之间的纽带相关的重要应用在于匹配:确定是否有感兴趣的物体区域f(x,y)是原始图像h(x,y)作为感兴趣的物体或区域(模板)如果匹配,两个函数的相关值会在h找到f中相应点的位置上达到最大傅里叶变换相关性匹配举例图像f(x,y)模板h(x,y)延拓图像f(x,y)相关函数图像延拓图像h(x,y)通过相关图像最大值的水平灰度剖面图傅里叶变换傅里叶变换傅里叶变换及其反变换傅里叶变换的性质快速傅里叶变换(FFT)只考虑一维的情况,根据傅里叶变换的分离性可知,二维傅里叶变换可由连续2次一维傅里叶变换得到快速傅里叶变换(FFT)为什么需要快速傅里叶变换?快速傅里叶变换(FFT)则只需要Mlog2M次运算FFT算法与原始变换算法的计算量之比是log2M/M,如M=1024≈103,则原始变换算法需要106次计算,而FFT需要104次计算,FFT与原始变换算法之比是1:1001M1Mx0Fufxej2ux/Mu0,1,2,...,M1对u的M个值中的每一个都需进行M次复数乘法(将f(x)与ej2ux/M相乘)和M-1次加法,即复数乘法和加法的次数都正比于M2FFT算法基本思想FFT算法基于一个叫做逐次加倍的方法。通过推导将原始傅里叶转换成两个递推公式M1x01MFu快速傅里叶变换(FFT)12FevenuFodduW2ukFu12FevenuFodduW2ukFuKfxej2ux/Mu0,1,2,...,M1FFT算法基本思想其中:M=2KFeven(u)、Fodd(u)是K个点的傅里叶值u0,1,2,...,M1快速傅里叶变换(FFT)12FevenuFodduW2ukFu12FevenuFodduW2ukFuKFFT公式推导FFT算法基于一个叫做逐次加倍的方法。为方便起见用下式表达离散傅立叶变换公式这里是一个常数1M1Mx0Fufxej2ux/M快速傅里叶变换(FFT)M1x0fxWMux1MWMej2/M快速傅里叶变换(FFT)假设M的形式是M2nn为正整数。因此,M可以表示为M2K将M=2K带入上式2K1x0fxW2uxK12KFu11K1u2x1K1u2x12K212KKWWxfuF2KWxf快速傅里叶变换(FFT)推导:因为所以带入上式有WMej2/M11K1ux1K1uxu2Kx0Kx0W22Kuxej2(2ux)/2Kej2(ux)/KWKuxx0x0快速傅里叶变换(FFT)定义两个符号f2xWKux1K1KFevenuf2x1WKux1K1KFodduu0,1,2,...,K1FevenuFodduW2K快速傅里叶变换(FFT)得到FFT的第一个公式该公式说明F(u)可以通过奇部和偶部之和来计算u12FuWKuej2WKu1WW2uKej1W2uK1快速傅里叶变换(FFT)推导:WKu2uK2Kej2uK/2Kej2u/2KejWKuKej2(uK)/Kej2u/Kej2W2uK1f2xW2Kx0f2x1W2Kf2xWKf2x1WKuKxW2KuKf2xWKx0f2x1WKuxW2uK快速傅里叶变换(FFT)K1x0K1x0uKx1K112KfxW2KuKx12K12Kx0FuK1K1uK2x1K11K1uK2x2Kx011K1
本文标题:图像傅里叶变换
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