4. Преобразование Фурье

Прямое преобразование Фурье непрерывной функции одной переменной определяется равенством:

.

По заданному преобразованию Фурье можно получить исходную функцию при помощи обратного преобразования Фурье:

.

Для функции двух переменных прямое преобразование Фурье :

,

Обратное:

.

Преобразование Фурье дискретной функции одной переменной , , - дискретное преобразование Фурье (ДПФ) - определяется равенством:

.

Исходная функция восстанавливается при помощи обратного ДПФ:

.

Понятие частотной области прямо следует из формулы Эйлера: :

тогда

.

Таким образом, каждый элемент преобразования Фурье состоит из суммы по всем значениям функции . Значения функции , в свою очередь, умножаются на синусы и косинусы разных частот. Область значений переменной , на которой принимает свои значения функция , называется частотной областью, поскольку значения переменной определяют частоты слагаемых, составляющих преобразование. (Значения переменной также влияют на частоты, но поскольку по этой переменной производится суммирование, это влияние одинаково для всех значений переменной ). Каждый из элементов функции называется частотной компонентой преобразования.

Модулем или спектром Фурье-преобразования называется величина:

,

Фазой или фазовым спектром:

,

Энергетическим спектром называется:

.

Дискретное прямое и обратное преобразование Фурье допускает обобщение на двумерный случай. Прямое ДПФ функции (ЦИ) размерами :

.

Обратное ДПФ:

.

Переменные называются частотными переменными, переменные - пространственными переменными или переменными изображения.

Фурье-спектр, фаза, энергетический спектр определяются аналогично одномерному случаю:

,

,

.

Значение

определяет среднее значение функции .

5. Основы фильтрации в частотной области

Каждый элемент фурье-образа содержит все отсчеты функции . Поэтому обычно, за исключением тривиальных случаев, невозможно установить прямое соответствие между характерными деталями изображения и его фурье-образа. Однако некоторые общие утверждения относительно взаимосвязи частотных составляющих фурье-образа и пространственных характеристик изображения могут быть сделаны. Частоты в фурье-преобразовании связаны с вариацией яркости на изображении. Наиболее медленно меняющаяся (постоянная) частотная составляющая (u=v=0) совпадает со средней яркостью изображения. Низкие частоты, отвечающие точкам вблизи начала координат фурье-преобразования, соответствуют медленно меняющимся компонентам изображения. На изображении комнаты, например, они могут соответствовать плавным изменениям яркости стен и пола. По мере удаления от начала координат, более высокие частоты начинают соответствовать все более и более быстрым изменениям яркости, которые суть границы объектов (контуры) и другие детали изображения, характеризуемые резкими изменениями яркости, такие как шум.

Один из часто используемых способов обработки изображения, которая выполняется с различными целями, является частотная фильтрация.

Процедура фильтрации в частотной области состоит из следующих шагов (рис.1.7):

1. Исходное изображение умножается на , чтобы его преобразование Фурье оказалось центрированным.

2. Вычисляется прямое ДПФ изображения, полученного после шага 1.

3. Функция умножается на функцию фильтра .

4. Вычисляется обратное ДПФ от результата шага 3.

5. Выделяется вещественная часть результата шага 4.

6. Результат шага 5 умножается на .

Пусть обозначает входное изображение после шага 1, - его фурье-образ. Тогда фурье-образ выходного изображения определяется выражением:

.

Умножение функций двух переменных и осуществляется поэлементно, т.е. первый элемент функции умножается на первый элемент функции , второй элемент функции умножается на второй элемент функции и т.д. В общем случае компоненты фильтра являются комплексными величинами. На практике чаще всего используются с действительными компонентами. В этом случае и действительная и мнимая части функции умножаются на одну и ту же действительную функцию фильтра . Такие фильтры называются фильтрами нулевого фазового сдвига, поскольку не меняют фазу фурье-преобразования.

Фильтрованное изображение получается вычислением обратного преобразования Фурье от фурье-образа :

Фильтрованное изображение = F^-1 .

Искомое изображение получается выделением действительной части из последнего результата и умножения на , чтобы скомпенсировать эффект от умножения входного изображения на ту же величину. Обратное фурье-преобразование в общем случае является комплексным. Однако в случае вещественного входного изображения и вещественной функции фильтра мнимые части всех значений обратного фурье-преобразования должны равняться 0. Но на практике значения обратного фурье-преобразования, как правило, содержат паразитную мнимую составляющую, что связано с ошибками округлений при вычислениях. Этой составляющей необходимо пренебречь.

Рис.1.7. Основные этапы фильтрации в частотной области