傅立叶变换的意义和卷积(ZZ)

原創

2020-02-22 18:16

（一）傅立叶变换的物理意义

傅立叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法。但是该算法到底有何意义呢？

要知道傅立叶变换算法的意义，首先要了解傅立叶原理的意义。傅立叶原理表明：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。

和傅立叶变换算法对应的是反傅立叶变换算法。该反变换从本质上说也是一种累加处理，这样就可以将单独改变的正弦波信号转换成一个信号。

因此，可以说，傅立叶变换将原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频域信号（信号的频谱），可以利用一些工具对这些频域信号进行处理、加工。最后还可以利用傅立叶反变换将这些频域信号转换成时域信号。

从现代数学的眼光来看，傅里叶变换是一种特殊的积分变换。它能将满足一定条件的某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分。在不同的研究领域，傅里叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅里叶变换和离散傅里叶变换。

傅立叶变换属于调和分析的内容。"分析"二字，可以解释为深入的研究。从字面上来看，"分析"二字，实际就是"条分缕析"而已。它通过对函数的"条分缕析"来达到对复杂函数的深入理解和研究。从哲学上看，"分析主义"和"还原主义"，就是要通过对事物内部适当的分析达到增进对其本质理解的目的。比如近代原子论试图把世界上所有物质的本源分析为原子，而原子不过数百种而已，相对物质世界的无限丰富，这种分析和分类无疑为认识事物的各种性质提供了很好的手段。

在数学领域，也是这样，尽管最初傅立叶分析是作为热过程的解析分析的工具，但是其思想方法仍然具有典型的还原论和分析主义的特征。"任意"的函数通过一定的分解，都能够表示为正弦函数的线性组合的形式，而正弦函数在物理上是被充分研究而相对简单的函数类，这一想法跟化学上的原子论想法何其相似！奇妙的是,现代数学发现傅立叶变换具有非常好的性质,使得它如此的好用和有用,让人不得不感叹造物的神奇:

1. 傅立叶变换是线性算子,若赋予适当的范数,它还是酉算子;

2. 傅立叶变换的逆变换容易求出,而且形式与正变换非常类似;

3. 正弦基函数是微分运算的本征函数,从而使得线性微分方程的求解可以转化为常系数的代数方程的求解.在线性时不变的物理系统内,频率是个不变的性质,从而系统对于复杂激励的响应可以通过组合其对不同频率正弦信号的响应来获取;

4. 著名的卷积定理指出:傅立叶变换可以化复杂的卷积运算为简单的乘积运算,从而提供了计算卷积的一种简单手段;

5. 离散形式的傅立叶变换可以利用数字计算机快速的算出(其算法称为快速傅立叶变换算法(FFT))。

正是由于上述的良好性质,傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率、统计、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。

在图象处理上的应用
傅立叶变换是图像处理中最常用的变换。它是进行图像处理和分析的有力工具。

傅立叶变换的数学定义
传统的傅立叶变换是一种纯频域分析，它可将一般函数f(x)表示为一簇标准函数的加权求和，而权函数亦即f的傅立叶变换。设f是R上的实值或复值函数，则f为一能量有限的模拟信号，具体定义如下：

2、图像傅立叶变换的物理意义

图像的频率是表征图像中灰度变化剧烈程度的指标，是灰度在平面空间上的梯度。如：大面积的沙漠在图像中是一片灰度变化缓慢的区域，对应的频率值很低；而对于地表属性变换剧烈的边缘区域在图像中是一片灰度变化剧烈的区域，对应的频率值较高。傅立叶变换在实际中有非常明显的物理意义，设f是一个能量有限的模拟信号，则其傅立叶变换就表示f的谱。从纯粹的数学意义上看，傅立叶变换是将一个函数转换为一系列周期函数来处理的。从物理效果看，傅立叶变换是将图像从空间域转换到频率域，其逆变换是将图像从频率域转换到空间域。换句话说，傅立叶变换的物理意义是将图像的灰度分布函数变换为图像的频率分布函数，傅立叶逆变换是将图像的频率分布函数变换为灰度分布函数。

（二）卷积的意义
这个还是剑桥的课件写得好，顺便贴了~

Convolution

Several important optical effects can be described in terms of convolutions.

Let us examine the concepts using 1D continuous functions.

The convolution of two functions f (x ) and g (x ), written f (x )*g (x ), is defined by the integral

For example, let us take two top hat functions of the type described earlier. Let be the top hat function shown in Fig.11 ,

and let be as shown in Fig.13 , defined by

Fig.13 Another top hat:

is the reflection of this function in the vertical axis,
is the latter shifted to the right by a distance x .
Thus for a given value of x , integrated over all is the area of overlap of these two top hats, as has unit height.
An example is shown for x in the range in Fig.14 .

Fig.14 Convolving two top hats

If we now consider x moving from to , we can see that

for or , there is no overlap;
as x goes from -1 to 0 the area of overlap steadily increases from 0 to 1/2;
as x increases from 0 to 1, the overlap area remains at 1/2;
and finally as x increases from 1 to 2, the overlap area steadily decreases again from 1/2 to 0.
Thus the convolution of f (x ) and g (x ), f (x )*g (x ), in this case has the form shown in Fig.15 ,