傅里叶变换的理解和应用

2024-09-06 11:20:27 浏览数 (2)

一、物以类聚

如果你是上帝,你将如何管理人类以及世间万物。

当我蒸包子的时候,我会将100克面粉,10克酵母500克水,混合起来,再将猪肉和蔬菜以及各种调料按一定比例混合起来。等我将一个个包子包好后放入蒸屉,这个时候,即使我再心急尝一口我的作品,我也只能等待时间在蒸屉中将他们慢慢聚合。

如果我们把各种材料以及比例,看成频域里发生的事情,那么各种材料和时间作用形成最终的一个个包子,就是食欲,哦不,是时域里发生的事情。

或许上帝也是个和时间做朋友的人

吧。

时空中,我们把钟摆拉长:

如果我们改变时钟的大小、速度、以及表针开始的位置,那么它们将呈现出不同的正弦波形。

上帝掌管着各种原料以及比例的秘方,手握潘多拉之盒,将各种正弦波撒向世间,它们逐渐在时空形成自己的轨迹,和规律。

也许我们终其一生的奔波,在上帝看来只是一个静止的频率值。

“上帝有一堆标准的正弦函数,他任意地挑其中的一些出来,能组成宇宙万物。这些正弦函数从最开始就没有变过,我们看到的变化都是组合的变化。”

——傅里叶

二、傅里叶变换­

傅里叶变换,就是将一个普通规律(满足一定条件的函数)转换成诸多正弦波的叠加。

根据欧拉公式

指向t时刻,逆时针画圆所到达的点

其中转速为:

此圆周运动又可延展为的正弦曲线

正弦曲线频率为:

而上图圆中t时刻逆时针旋转所到达的点,此刻正是正弦函数向前移动的偏移点。

余弦分量相同。余弦分量相同。

余弦分量相同。函数f(x)在t时刻可被分离为正(余)弦分量

的叠加。

此时,各个正(余)弦分量满足:

      频率:

振幅:

偏移:

给定频率,把所有上式的振幅(随t变化)以及位移(随t变化)考虑进来进行叠加,就构成了函数 f(x) 在特定频率上的总分量

约定,将钟摆的轨迹改为顺时针(逆时针相反的方向)转动,上式转换为

其离散形式:

简言之,傅里叶变换就像一个过滤器,提取每一时刻f(t)对某一特定频率的正(余)弦波的贡献量,把所有时刻该频率下的过滤值进行叠加,就得到整个函数在频谱中某频率值下的贡献量。

基于傅里叶变换,可推导出傅里叶逆变换,将函数从频域空间还原为时域空间函数:

其离散形式:

如果我们把频域空间的频率以及贡献值看成是原材料及其比例,那么时域空间的原函数,就是各种材料按不同比例产生的最终成品。而傅里叶变换,正是将一个成品的成分和用量分离出来。

只不过这次,原材料不是面粉和猪肉,而是各种正(余)弦波。

三、图像的傅里叶变换

图像实际上存储为2维矩阵。将离散傅里叶变换从一维扩展到二维,可将一幅图像映射到频域空间。

傅里叶逆变换可将频谱图像再次转换为时域图像:

原图像中的噪声,边缘等梯度较高的高频部分,将聚集在频谱图像中相对“灰暗”的区域。可以去掉频谱图像的高频部分,再经过傅里叶逆变换转换为时域图像,从而达到抑制噪声的目的。

并且通常人对图像的高频部分不那么敏感,通过去掉高频部分,可以对图像进行压缩而不损害视觉效果。

四、卷积定理

卷积结合傅里叶变换,相互作用,构成了卷积定理

卷积定理指出,函数卷积的傅里叶变换是函数傅里叶变换的乘积。

即一个域中的卷积对应于另一个域中的乘积,例如时域中的卷积对应于频域中的乘积。

这样就方便我们对图像进行卷积处理。比如,我们想通过卷积核

过滤而使图像模糊。

设:模糊图像=原图像*模糊算子

这样我们通过傅里叶变换在图像模糊和还原之间来回切换。

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