Описание Image Processing Toolbox. Дискретное преобразование Фурье на VB.NET

В радиотехнике часто применяется понятие свертки двух сигналов. Так, например, сигнал на выходе четырехполюсника можно найти с помощью свертки входного сигнала и импульсной характеристики четырехполюсника. Поскольку были рассмотрены дискретные и цифровые сигналы, то определим понятие свертки для дискретных сигналов , или дискретной свертки.

Пусть имеется дискретный сигнал х Д (t) , состоящий из N отсчетов х к , и дискретный сигнал у д (Г), состоящий из N отсчетов у к, тогда дискретной сверткой этих двух сигналов называется сигнал z A (t) , для которого

Дискретные сигналы получили широкое распространение при создании систем с импульсной модуляцией.

Устройство дискретизации в простейшем случае представляет собой стробируемый каскад (ключ), открывающийся на время т и с периодом А (рис. 4.7).

Рис. 4.

Интервал дискретизации А может быть постоянным (равномерная дискретизация) или переменным (адаптивная дискретизация). Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема Котельникова.

Импульсный модулятор - это устройство с двумя входами, на один из которых подается аналоговый сигнал, а на второй поступают короткие синхронизирующие импульсы с периодом повторения А. При этом в момент поступления синхроимпульса происходит измерение мгновенного значения сигнала лс(г). На выходе модулятора возникает последовательность импульсов, каждый из которых имеет площадь, пропорциональную соответствующему отсчетному значению аналогового сигнала (рис. 4.7).

Сигнал Хмпн (t ) на выходе импульсного модулятора называют модулированной импульсной последовательностью (МИП). Математически МИП записывается так

а спектральная плотность МИП выражается через спектральную плотность аналогового сигнала следующим образом:

Модель дискретного сигнала предполагает, что отсчетные значения аналогового сигнала могут быть получены в неограниченном числе точек на оси времени. Практически же обработка всегда ведется на конечном интервале времени.

Рассмотрим особенности спектрального представления дискретного сигнала, заданного на интервале своими отсчетами x 0 ,x x ,...,x N _ x . Полное число отсчетов N - Т / А.

Методика изучения таких дискретных сигналов состоит в том, что полученная выборка отсчетных значений мысленно повторяется бесконечное число раз. В результате сигнал становится периодическим (рис. 4.8).

Сопоставив такому сигналу математическую модель, можно воспользоваться разложением в ряд Фурье и найти соответствующие амплитудные коэффициенты. Совокупность этих коэффициентов образует спектр дискретного периодического сигнала.

Рис. 4.8.

Запишем модель ограниченного периодического сигнала в виде последовательности дельта-импульсов:

Разложим сигнал Хмип (0 в ряд Фурье:

здесь замена переменных? = f / А. Окончательно получаем

Эта формула определяет последовательность коэффициентов, образующих дискретное преобразование Фурье (ДПФ) рассматриваемого сигнала.

ДПФ обладает следующими свойствами:

1. ДПФ есть линейное преобразование, т. е. если z k = а х к + /? у к, то

С"Z П ~ ^ С Х п Р Су п .

2. Число различных коэффициентов Cq,Ci,...,C n _i равно числу N отсчетов за период, при n = N коэффициент C N = С 0 .

3. С 0 является средним значением всех отсчетов С 0 = - ^х к.

N к =о

• 4. Если N- четное число, то С N = -^(-1) к х к.
• 7 ^ ?=о
• 5. Если отсчеты х к - вещественные числа и N - четное число, то C N = C* N , / = 0; Л/7 2 -1.
• -+i - -i
• 6. Если y k =x k+m , m = l;JV-l,TO C, t =C, * e ~ j2rrkm,N .
• 2 tf-l
• 7. Если z k = - > T0 C z к =C X k C y k

iy/ i =0

ДПФ применяется для вычисления спектров функций, заданных таблицами или графиками, обработки экспериментальных данных, нахождения сигнала на выходе дискретного фильтра и т. д.

Если на основе отсчетов x 0 ,x l ,...,x N _ l некоторого сигнала найдены коэффициенты ДПФ C 0 ,Ci,... 9 C n/2 , то по ним можно восстановить аналоговый сигнал с ограниченным спектром x(t). Ряд Фурье такого сигнала имеет вид (при четном N)

где |Q| - модуль коэффициентов ДПФ; =arg - фазовый угол (аргумент)

коэффициентов ДПФ. Частота первой гармоники: f= - / в = - = -/i- нечетном N последнее слагаемое в формуле (4.17) равно:

Для вычисления дискретных отсчетов х к по имеющимся коэффициентам ДПФ существует следующая формула:

Эта формула носит название обратного дискретного преобразования Фурье {ОДПФ).

Это одно из преобразований Фурье, широко применяемых в алгоритмах цифровой обработки сигналов (его модификации применяются в сжатии звука в MP3, сжатии изображений в JPEG и др.), а также в других областях, связанных с анализом частот в дискретном (к примеру, оцифрованном аналоговом) сигнале. Дискретное преобразование Фурье требует в качестве входа дискретную функцию. Такие функции часто создаются путём дискретизации (выборки значений из непрерывных функций). Дискретные преобразования Фурье помогают решать частные дифференциальные уравнения и выполнять такие операции, как свёртки. Дискретные преобразования Фурье также активно используются в статистике, при анализе временных рядов. Преобразования бывают одномерные, двумерные и даже трёхмерные.

Прямое преобразование:

Обратное преобразование:

Обозначения:

§ N - количество значений сигнала, измеренных за период, а также количество компонент разложения;

§ - измеренные значения сигнала (в дискретных временных точках с номерами , которые являются входными данными для прямого преобразования и выходными для обратного;

§ - N комплексных амплитуд синусоидальных сигналов, слагающих исходный сигнал; являются выходными данными для прямого преобразования и входными для обратного; поскольку амплитуды комплексные, то по ним можно вычислить одновременно и амплитуду, и фазу;

§ - обычная (вещественная) амплитуда k-го синусоидального сигнала;

§ arg(X k ) - фаза k-го синусоидального сигнала (аргумент комплексного числа);

§ k - частота k-го сигнала, равная , где T - период времени, в течение которого брались входные данные.

Из последнего видно, что преобразование раскладывает сигнал на синусоидальные составляющие (которые называются гармониками) с частотами от N колебаний за период до одного колебания за период. Поскольку частота дискретизации сама по себе равна N отсчётов за период, то высокочастотные составляющие не могут быть корректно отображены - возникает муаров эффект. Это приводит к тому, что вторая половина из N комплексных амплитуд, фактически, является зеркальным отображением первой и не несёт дополнительной информации.

Рассмотрим некоторый периодический сигнал x (t ) c периодом равным T. Разложим его в ряд Фурье:

Проведем дискретизацию сигнала так, чтобы на периоде было N отсчетов. Дискретный сигнал представим в виде отсчетов: x n = x (t n ), где , тогда эти отсчеты через ряд Фурье запишутся следующим образом:

Используя соотношение: , получаем:

где

Таким образом, мы получили обратное дискретное преобразование Фурье.

Умножим теперь скалярно выражение для x n на и получим:

Здесь использованы: а) выражение для суммы конечного числа членов (экспонент) геометрической прогрессии, и б) выражение символа Кронекера как предела отношения функций Эйлера для комплексных чисел. Отсюда следует, что:

Эта формула описывает прямое дискретное преобразование Фурье .

В литературе принято писать множитель в обратном преобразовании, и поэтому обычно пишут формулы преобразования в следующем виде:

Дискретное преобразование Фурье является линейным преобразованием, которое переводит вектор временных отсчётов в вектор спектральных отсчётов той же длины. Таким образом, преобразование может быть реализовано как умножение квадратной матрицы на вектор:

Преобразования Фурье

Многие сигналы удобно анализировать, раскладывая их на синусоиды (гармоники). Тому есть несколько причин. Например, подобным образом работает человеческое ухо. Оно раскладывает звук на отдельные колебания различных частот. Кроме того, можно показать, что синусоиды являются «собственными функциями» линейных систем (т.к. они проходят через линейные системы, не изменяя формы, а могут изменять лишь фазу и амплитуду). Еще одна причина в том, что теорема Котельникова формулируется в терминах спектра сигнала.

Преобразование Фурье (Fourier transform)– это разложение функций на синусоиды (далее косинусные функции мы тоже называем синусоидами, т.к. они отличаются от «настоящих» синусоид только фазой). Существует несколько видов преобразования Фурье.

1. Непериодический непрерывный сигнал можно разложить в интеграл Фурье.

2. Периодический непрерывный сигнал можно разложить в бесконечный ряд Фурье.

3. Непериодический дискретный сигнал можно разложить в интеграл Фурье.

4. Периодический дискретный сигнал можно разложить в конечный ряд Фурье.

Компьютер способен работать только с ограниченным объемом данных, следовательно, реально он способен вычислять только последний вид преобразования Фурье. Рассмотрим его подробнее.

ДПФ вещественного сигнала

Пусть дискретный сигнал x имеет периодN точек. В этом случае его можно представить в виде конечного ряда (т.е. линейной комбинации) дискретных синусоид:

Эквивалентная запись (каждый косинус раскладываем на синус и косинус, но теперь – без фазы):

Рис. 6 . Базисные функции ряда Фурье для 8-точеченого дискретного сигнала. Слева – косинусы, справа – синусы. Частоты увеличиваются сверху вниз.

Базисные синусоиды имеют кратные частоты. Первый член ряда (k =0) – это константа, называемаяпостоянной составляющей (DC offset ) сигнала. Самая первая синусоида (k =1) имеет такую частоту, что ее период совпадает с периодом самого исходного сигнала. Самая высокочастотная составляющая (k =N /2) имеет такую частоту, что ее период равен двум отсчетам. КоэффициентыA k и

B k называютсяспектром сигнала (spectrum ). Они показывают амплитуды си-

нусоид, из которых состоит сигнал. Шаг по частоте между двумя соседними синусоидами из разложения Фурье называется частотным разрешением спектра.

На рис. 6 показаны синусоиды, по которым происходит разложение дискретного сигнала из 8 точек. Каждая из синусоид состоит из 8 точек, то есть является обычным дискретным сигналом. Непрерывные синусоиды показаны на рисунке для наглядности.

вить исходный сигнал, вычислив сумму ряда Фурье в каждой точке. Разложение сигнала на синусоиды (т.е. получение коэффициентов) называется прямым преобразованием Фурье . Обратный процесс – синтез сигнала по синусоидам – называетсяобратным преобразованием Фурье (inverse Fourier transform ).

Алгоритм обратного преобразования Фурье очевиден (он содержится в формуле ряда Фурье; для проведения синтеза нужно просто подставить в нее коэффициенты). Рассмотрим алгоритм прямого преобразования Фурье, т.е. нахождения коэффициентов A k иB k .

тогональным базисом в пространстве периодических дискретных сигналов с периодом N . Это значит, что для разложения по ней любого элемента пространства (сигнала) нужно посчитать скалярные произведения этого элемента со всеми функциями системы, и полученные коэффициенты нормировать. Тогда для исходного сигнала будет справедлива формула разложения по базису с коэффициентамиA k иB k .

Итак, коэффициенты A k иB k вычисляются как скалярные произведения (в не-

прерывном случае – интегралы от произведения функций, в дискретном случае

– суммы от произведения дискретных сигналов):

Преобразование Фурье

При использовании преобразований Фурье изображение представляется в виде суммы сложных показательных функций переменных амплитуды, частоты и фазы. Преобразование Фурье играет очень важную роль во многих областях обработки изображений, включая улучшение, анализ, восстановление и сжатие.

1. Основные определения преобразования Фурье
2. Дискретное преобразование Фурье, включая быстрое преобразование Фурье
3. Применение Фурье-преобразования (некоторые примеры практического применения преобразования Фурье)

Основные определения преобразования Фурье

Если ƒ(m,n) представляет собой функцию двух дискретных пространственных переменных m и n, тогда двумерное преобразование Фурье функции ƒ(m,n) может быть представлено следующим выражением

Переменные представляют собой угловые частоты. Таким образом, представляет собой функцию ƒ(m,n) в частотной области. является комплекснозначной функцией с соответствующими частотами . Частоты находятся в пределах диапазона , . Отметим, что F (0,0) представляется в виде суммы всех переменных ƒ(m,n) . По этой причине F (0,0) часто называют постоянной составляющей преобразования Фурье.

Обратное двумерное преобразование Фурье представляется выражением

Т.е. это выражение представляет ƒ(m,n) в виде суммы бесконечного числа сложных экспоненциальных функций (синусоид) с различными частотами. Амплитуда и фаза определяют вклад частот в представление .

Визуализация Фурье-преобразования

При иллюстрации Фурье-преобразования допустим, что функция ƒ(m,n) равна 1 и представлена в виде прямоугольника. Для упрощения диаграммы, функция ƒ(m,n) будет представляться непрерывной функцией двух дискретных переменных m и n .

Прямоугольная функция

На рисунке внизу с использованием функции mesh визуализировано значения амплитуд, которые получены при Фурье-преобразовании прямоугольной функции, представленной на предыдущем рисунке. Визуализацию амплитуды еще называют визуализацией преобразований Фурье.

Амплитуда изображения прямоугольной функции

Пик функции находится в центре и отображает значение F (0,0), которое является суммой всех значений ƒ(m,n) . Все остальные составляющие представляют собой распределение энергии по вертикальным и горизонтальным частотам.

Другой путь визуализации Фурье-преобразования заключается в отображении значений в виде изображения.

Логарифмическое представление Фурье-преобразования прямоугольной функции

Рассмотрим примеры преобразования Фурье функций различных простых форм.

Примеры Фурье преобразования функций различных простых форм

Дискретное косинусное преобразование

Дискретные косинусные преобразования представляют изображение в виде суммы синусоид с различной амплитудой и частотой. Функция dct2 в приложении Image Processing Toolbox реализует двумерные дискретные косинусные преобразования изображений. Одна из особенностей дискретного преобразования Фурье состоит в том, что некоторые локальные участки изображения можно охарактеризовать небольшим количеством коэффициентов дискретного преобразования Фурье. Это свойство очень часто используется при разработке методов сжатия изображений. Например, дискретное косинусное преобразование является основой международного стандарта, который используется в алгоритме сжатия изображений с потерями JPEG. Название формата “JPEG” состоит из первых букв названия рабочей группы, которая принимала участие в разработке этого стандарта (Joint Photographic Experts Group).

Двумерное дискретное косинусное преобразование матрицы A с размерами реализуется согласно следующему выражению

Значения B pq называют коэффициентами дискретного косинусного преобразования матрицы A .

(Следует отметить, что индексы матрицы в MATLAB всегда начинаются с 1, а не с 0. Поэтому элементы матрицы, которые представлены в MATLAB как A(1,1) и B(1,1), будут соответствовать элементам A 00 и B 00 из приведенной выше формулы.)

Обратное дискретное косинусное преобразование реализуется согласно выражениям

Выражение обратного дискретного косинусного преобразования может интерпретироваться как представление матрицы A с размерами в виде суммы следующих функций

Эти функции называются основными (базовыми) функциями дискретного косинусного преобразования. Коэффициенты дискретного косинусного преобразования B pq можно рассматривать как весовые при каждой базовой функции. Например, для матрицы с размером элементов существует 64 базовые функции, что продемонстрировано на изображении.

64 базовые функции, которые получены для матрицы с размерами элементов

Горизонтальные частоты увеличиваются слева направо, а вертикальные – сверху вниз.

Матрица дискретных косинусных преобразований

Приложение Image Processing Toolbox предлагает два различных пути реализации дискретных косинусных преобразований. Первый метод реализован в функции dct2. Функция dct2 использует быстрое преобразования Фурье для ускорения вычислений. Второй метод использует матрицу дискретных косинусных преобразований, которая возвращается функцией dctmtx. Матрица преобразований T формируется согласно следующего выражения

Для матрицы A с размерами представляет собой матрицу с размерами , где каждый столбец содержит одномерное дискретное косинусное преобразование A . Двумерное дискретное косинусное преобразование A вычисляется как B=T*A*T’ . Обратное двумерное дискретное косинусное преобразование B вычисляется как T’*B*T.

Дискретные косинусные преобразования и сжатие изображений

В алгоритме сжатия изображений JPEG исходное изображение разделяется на блоки с размерами или элементов. Далее для каждого блока вычисляется двумерное дискретное косинусное преобразование. Коэффициенты дискретных косинусных преобразований квантируются, кодируются и передаются. Получатель JPEG–данных декодирует коэффициенты дискретного косинусного преобразования, вычисляет обратное двумерное дискретное косинусное преобразование в каждом блоке и далее совмещает их вместе в одно изображение.

Рассмотрим пример вычисления двумерных дискретных косинусных преобразований в блоках с размерами элементов исходного изображения. Далее при реконструкции изображения будем учитывать только 10 коэффициентов из каждого блока, остальные приравняем к нулю. При проведении описанных вычислений будет использоваться также матрица преобразований.

I = imread("cameraman.tif"); I = im2double(I); T = dctmtx(8); B = blkproc(I,,"P1*x*P2",T,T"); mask = ; B2 = blkproc(B,,"P1.*x",mask); I2 = blkproc(B2,,"P1*x*P2",T",T); imshow(I); figure, imshow(I2)

На рисунке представлено два изображения – исходное и реконструированное. При реконструкции изображения использовалось только 15 % коэффициентов дискретных косинусных преобразований. Однако, следует отметить, что качество реконструированного изображения является довольно приемлемым. Для просмотра других свойств дискретного косинусного преобразования см. функцию dctdemo.

Преобразования Радона

Функция radon в приложении Image Processing Toolbox вычисляет матрицу проекций изображения вдоль заданных направлений. Проекция двумерной функции f(x,y) равна интегралу вдоль указанной линии. Функция Радона представляет собой вычисление проекций изображения на оси, которые задаются углами в градусах относительно горизонтали против часовой стрелки. На рисунке показана проекция некоторой фигуры под указанным углом

Параллельно-лучевая проекция с углом поворота theta

На рисунке внизу показаны горизонтальные и вертикальные проекции для простой двумерной функции.

Горизонтальная и вертикальная проекции некоторой простой функции

Проекции могут вычисляться вдоль произвольного угла theta. Встроенная в приложение Image Processing Toolbox функция radon вычисляет проекции изображения вдоль определенных направлений. Проекция двумерной функции f(x,y) на ось x’ представляет собой линейный интеграл

Таким образом, оси x’ y’ задаются поворотом на угол против часовой стрелки.

На изображении внизу проиллюстрировано геометрию преобразования Радона.

Геометрия преобразования Радона

Визуализация преобразований Радона

При проведении преобразований Радона необходимо указать исходное изображение и вектор углов theta.

Radon(I,theta);

R представляет собой матрицу, в которой каждый столбец является преобразованием Радона для одного из углов, который содержится в векторе theta. Вектор xp содержит соответствующие координаты вдоль оси x. Центральный пиксель I определяется согласно выражению floor((size(I)+1)/2).

Рассмотрим, как в преобразованиях Радона вычисляются проекции. Рассмотрим проекции под углом 0° и 45°.

I = zeros(100,100); I(25:75, 25:75) = 1; imshow(I)

Radon(I,); figure; plot(xp,R(:,1)); title("R_{0^o} (x\prime)")

Преобразования Радона при 0°

Figure; plot(xp,R(:,2)); title("R_{45^o} (x\prime)")

Преобразования Радона при 45°

Преобразования Радона при большом числе углов часто отображается в виде изображения. В данном примере рассмотрено преобразования Радона для изображения в виде квадрата при диапазоне углов от 0° до 180° с дискретностью 1°.

Theta = 0:180; = radon(I,theta); imagesc(theta,xp,R); title("R_{\theta} (X\prime)"); xlabel("\theta (degrees)"); ylabel("X\prime"); set(gca,"XTick",0:20:180); colormap(hot); colorbar

Преобразования радона с использованием 180 проекций

Использование преобразований Радона при детектировании линий

Преобразования Радона аналогичны другим известным операциям, которые известны как преобразования Хоха. Функцию radon можно применять для детектирования прямых линий. Рассмотрим основные этапы этого процесса.

Наибольший пик в матрице R соответствует =1° и x´= -80. Из центра исходного изображения проводится линия под углом на расстояние x’. Перпендикулярно к этой линии проводится прямая, которая соответствует прямой на исходном изображении. Кроме того, на изображении присутствуют и другие линии, которые представлены в матрице R соответствующими пиками.

Геометрия преобразования Радона при детектировании прямых линий

Многие сигналы удобно анализировать, раскладывая их на синусоиды (гармоники). Тому есть несколько причин. Например, подобным образом работает человеческое ухо. Оно раскладывает звук на отдельные колебания различных частот. Кроме того, можно показать, что синусоиды являются "собственными функциями" линейных систем (т.к. они проходят через линейные системы, не изменяя формы, а могут изменять лишь фазу и амплитуду). Еще одна причина в том, что теорема Котельникова формулируется в терминах спектра сигнала.

Преобразование Фурье (Fourier transform) - это разложение функций на синусоиды (далее косинусные функции мы тоже называем синусоидами, т.к. они отличаются от "настоящих" синусоид только фазой). Существует несколько видов преобразования Фурье.

1. Непериодический непрерывный сигнал можно разложить в интеграл Фурье.

2. Периодический непрерывный сигнал можно разложить в бесконечный ряд Фурье.

3. Непериодический дискретный сигнал можно разложить в интеграл Фурье.

4. Периодический дискретный сигнал можно разложить в конечный ряд Фурье.

Компьютер способен работать только с ограниченным объемом данных, следовательно, реально он способен вычислять только последний вид преобразования Фурье. Рассмотрим его подробнее.

Комплексное ДПФ

До сих пор мы рассматривали ДПФ от действительных сигналов. Обобщим теперь ДПФ на случай комплексных сигналов. Пусть x[n], n=0,…,N-1 - исходный комплексный сигнал, состоящий из N комплексных чисел. Обозначим X[k], k=0,…N-1 - его комплексный спектр, также состоящий из N комплексных чисел. Тогда справедливы следующие формулы прямого и обратного преобразований Фурье:

Если по этим формулам разложить в спектр действительный сигнал, то первые N/2+1 комплексных коэффициентов спектра будут совпадать со спектром "обычного" действительного ДПФ, представленным в "комплексном" виде, а остальные коэффициенты будут их симметричным отражением относительно половины частоты дискретизации. Для косинусных коэффициентов отражение четное, а для синусных - нечетное.

Двумерное ДПФ

Для изображений, представляющих собой двумерный сигнал, спектром является также двумерный сигнал. Базисные функции преобразования Фурье имеют вид:

причем фазы также могут быть различны. На изображении каждая из этих базисных функций представляют собой волну определенной частоты, определенной ориентации и определенной фазы.

Здесь N 1 xN 2 - размер исходного сигнала, он же - размер спектра. k 1 и k 2 - это номера базисных функций (номера коэффициентов двумерного ДПФ, при которых эти функции находятся). Поскольку размер спектра равен размеру исходного сигнала, то k 1 = 0,…,N 1 -1; k 2 = 0,…,N 2 -1.

n 1 и n 2 - переменные-аргументы базисных функций. Поскольку область определения базисных функций совпадает с областью определения сигнала, то n 1 = 0,…,N 1 -1; n 2 = 0,…,N 2 -1.

Двумерное ДПФ (в комплексной форме) определяется следующими формулами (здесь x - исходный сигнал, а X - его спектр):

Непосредственное вычисление двумерного ДПФ по приведенным формулам требует огромных вычислительных затрат. Однако можно доказать, что двумерное ДПФ обладает свойством сепарабельности, т.е. его можно вычислить последовательно по двум измерениям.

Для вычисления двумерного ДПФ достаточно вычислить одномерные комплексные ДПФ всех строк изображения, а затем вычислить в результирующем "изображении" одномерные комплексные ДПФ всех столбцов.

При этом результаты всех одномерных комплексных ДПФ нужно записывать на место исходных данных для этих ДПФ. Например, при вычислении одномерного ДПФ первой строки изображения нужно результат ДПФ записать в первую строку этого изображения (он имеет тот же размер). Для этого нужно каждый "пиксель" хранить в виде комплексного числа.

Таким образом, эффективный алгоритм вычисления ДПФ изображения заключается в вычислении одномерных БПФ сначала от всех строк, а потом - от всех столбцов изображения.