二维离散傅立叶变换

二维矩阵的快速傅里叶变换（FFT）是一种高效的算法，用于计算离散傅里叶变换（DFT）及其逆变换。

以下是使用Python和NumPy库进行二维矩阵FFT的步骤：
1. 导入必要的库：
```python
import numpy as np
```
2. 创建一个二维矩阵：
```python
matrix = np.array([[1, 2, 3, 4], [5, 6, 7, 8], [9, 10, 11, 12], [13, 14, 15, 16]])
```
3. 执行快速傅里叶变换：
```python
fft_result = np.fft.fft2(matrix)
```
这将返回一个与原始矩阵大小相同的复数矩阵，表示该矩阵的频域表示。

4. 如果需要，可以执行逆快速傅里叶变换以获取原始矩阵的频
域表示：
```python
ifft_result = np.fft.ifft2(fft_result)
```
这将返回一个与原始矩阵大小相同的实数矩阵，表示该矩阵的时域表示。

需要注意的是，在执行FFT之前，您需要确保输入的二维矩阵是复数矩阵或实数矩阵。

另外，您还可以通过设置`fft.fft2`和`fft.ifft2`函数的参数来控制FFT的行为，例如指定输出的大小或截断输入矩阵等。

二维离散傅里叶变换计算过程傅里叶变换是信号处理中非常重要的数学工具，可以将一个时域信号转换为频域表示。

而二维离散傅里叶变换（2D DFT）则是将二维离散信号转换为二维频域表示。

本文将介绍二维离散傅里叶变换的计算过程。

1. 二维离散傅里叶变换的定义二维离散傅里叶变换是将一个二维离散信号（图像）转换为二维频域表示的数学变换。

假设有一个大小为M×N的二维离散信号f(x, y)，其中x和y分别表示信号的行和列，那么二维离散傅里叶变换的定义可以表示为：F(u, v) = ΣΣf(x, y) * exp(-j2π(ux/M + vy/N))其中F(u, v)表示变换后的频域信号，u和v分别表示频域的行和列，j表示虚数单位，M和N分别表示信号的行数和列数。

2. 二维离散傅里叶变换的计算过程二维离散傅里叶变换的计算过程可以分为两个步骤：首先进行行变换，然后进行列变换。

2.1 行变换对于给定的二维离散信号f(x, y)，我们首先对每一行进行变换。

对于第i行，我们可以将其看作一个一维离散信号，然后对其进行一维离散傅里叶变换。

假设第i行的变换结果为F(i, v)，其中v 表示频域的列，那么F(i, v)的计算公式为：F(i, v) = Σf(i, y) * exp(-j2πvy/N)其中y表示该行的列索引。

2.2 列变换在完成行变换后，我们继续对每一列进行变换。

对于每一列，我们可以将其看作一个一维离散信号，然后对其进行一维离散傅里叶变换。

假设第j列的变换结果为F(u, j)，其中u表示频域的行，那么F(u, j)的计算公式为：F(u, j) = ΣF(i, j) * exp(-j2πiu/M)其中i表示该列的行索引。

3. 二维离散傅里叶变换的计算复杂度二维离散傅里叶变换的计算复杂度较高，为O(MN(M+N))。

其中M和N分别表示信号的行数和列数。

由于计算复杂度较高，通常会采用快速傅里叶变换（FFT）算法来加速计算过程。

二维离散傅里叶变换介绍：二维离散傅里叶变换是数字信号处理中的一种重要算法，它可以将一个二维的离散信号转换为频域表示。

频域表示可以帮助我们更好地理解信号的性质和特征，也为信号处理提供了更多的可能性。

下面将详细介绍二维离散傅里叶变换的原理和应用。

原理：二维离散傅里叶变换的数学表达式为：$$F(u, v) = \sum_{x=0}^{M-1}\sum_{y=0}^{N-1}f(x, y)e^{-i2\pi(\frac{ux}{M}+\frac{vy}{N})}$$其中，$f(x, y)$是一个$M\times N$的二维离散信号，$F(u, v)$是对应的频域表示，$u$和$v$是频域空间的坐标。

通过这个变换，我们可以得到频域上每个点的振幅和相位信息。

应用：1. 图像处理。

二维离散傅里叶变换在图像处理中具有广泛应用。

通过对图像进行二维离散傅里叶变换，可以将图像分解为不同频率的信号分量，并且可以通过修改分量的振幅和相位信息实现图像的滤波、增强、压缩等操作。

2. 语音处理。

二维离散傅里叶变换在语音处理中也有应用。

通过对语音信号进行二维离散傅里叶变换，可以将语音信号分解为不同频率的分量，从而实现语音识别、降噪、压缩等操作。

3. 信号处理。

二维离散傅里叶变换在信号处理中也有应用。

通过对信号进行二维离散傅里叶变换，可以得到信号的频域表示，进而实现信号滤波、增强、压缩等应用。

总结：二维离散傅里叶变换是数字信号处理中的一种重要算法，它可以将二维离散信号转换为频域表示，为信号处理提供更多的可能性。

它在图像处理、语音处理、信号处理等领域都有广泛的应用。

掌握二维离散傅里叶变换可以为我们开拓更多的信号处理思路，提高信号处理的效率和精度。

二维离散傅里叶、余弦、小波变换专业班级：10 信息安全学生姓名：***学生学号：_ ************** _指导教师：***完成时间：2022年4月28日数字图像处理实验三：二维离散傅里叶、余弦、小波变换一、实验目的1. 了解图像正变换和逆变换的原理。

2. 了解图像变换系数的特点。

3. 掌握常用图像变换的实现过程。

4. 掌握图像的频谱分析方法。

5. 了解图像变换在图像数据压缩等方面的应用。

二、实验主要仪器设备1. 微型计算机：Intel Pentium 及更高。

2. MATLAB 软件。

三、实验原理二维离散傅里叶变换、余弦变换、小波变换的正逆变换公式，MATLAB 中的上述变换的实现函数以及讨论正交变换的应用。

1. 二维离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform ，DFT ）对于二维傅立叶变换，其离散形式如式（1）所示；逆变换公式如式（2）所示：∑∑-=-=+-=101)//(2),(1),(M x N y N vy M ux j e y x f MN v u F π （1） ∑∑-=-=+=1010)//(2),(),(M u N v N vy M ux j e v u F y x f π （2）频谱公式如式（3）所示：),(),(|),(|),(),(|),(|),(22),(v u I v u R v u F v u jI v u R e v u F v u F v u j +=+==ϕ （3） 由可傅立叶变换的分离性可知，一个二维傅立叶变换可分解为两步进行， 其中每一步都是一个一维傅立叶变换。

先对f(x, y)按列进行傅立叶变换得到F(x, v)，再对F(x, v)按行进行傅立叶变换，便可得到f(x, y)的傅立叶变换结果。

显然对f(x, y)先按行进行离散傅立叶变换， 再按列进行离散傅立叶变换也是可行的，这里不再一一赘述。

此外，在实际工程应用中分析幅度谱较多，习惯上也常把幅度谱称为频谱。

【数字图像处理】傅⾥叶变换在图像处理中的应⽤1.理解⼆维傅⾥叶变换的定义1.1⼆维傅⾥叶变换1.2⼆维离散傅⾥叶变换1.3⽤FFT计算⼆维离散傅⾥叶变换1.3图像傅⾥叶变换的物理意义2.⼆维傅⾥叶变换有哪些性质？2.1⼆维离散傅⾥叶变换的性质2.2⼆维离散傅⾥叶变换图像性质3.任给⼀幅图像，对其进⾏⼆维傅⾥叶变换和逆变换4.附录 94.1matlab代码4.2参考⽂献⽬录1.理解⼆维傅⾥叶变换的定义1.1⼆维傅⾥叶变换⼆维Fourier变换:逆变换：1.2⼆维离散傅⾥叶变换⼀个图像尺⼨为M×N的函数的离散傅⾥叶变换由以下等式给出：其中和。

其中变量u和v⽤于确定它们的频率，频域系统是由所张成的坐标系，其中和⽤做（频率）变量。

空间域是由f(x,y)所张成的坐标系。

可以得到频谱系统在频谱图四⾓处沿和⽅向的频谱分量均为0。

离散傅⾥叶逆变换由下式给出：令R和I分别表⽰F的实部和需部，则傅⾥叶频谱，相位⾓，功率谱（幅度）定义如下：1.3⽤FFT计算⼆维离散傅⾥叶变换⼆维离散傅⾥叶变换的定义为：⼆维离散傅⾥叶变换可通过两次⼀维离散傅⾥叶变换来实现:1）作⼀维N点DFT（对每个m做⼀次，共M次）2）作M点的DFT（对每个k做⼀次，共N次）这两次离散傅⾥叶变换都可以⽤快速算法求得,若M和N都是2的幂,则可使⽤基⼆FFT算法,所需要乘法次数为⽽直接计算⼆维离散傅⾥叶变换所需的乘法次数为（M+N）MN，当M和N⽐较⼤时⽤⽤FFT运算，可节约很多运算量。

1.3图像傅⾥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。

傅⾥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，则其傅⾥叶变换就表⽰f的频谱。

从纯粹的数学意义上看，傅⾥叶变换是将⼀个函数转换为⼀系列周期函数来处理的。

二维fft原理
二维FFT（快速傅里叶变换）是一种数学算法，可用于将二维空
间中的离散数据序列转换为频域表示。

它基于傅里叶变换的性质，通
过将二维数据分别在水平和垂直方向上进行一维FFT来实现。

在二维FFT中，数据被表示为一个矩阵，矩阵的每个元素代表了
二维空间中的一个数据点。

首先，在水平方向上对每一行应用一维FFT，并得到一组频域系数。

然后，在垂直方向上对每一列应用一维FFT，并再次得到一组频域系数。

这样，通过将这两组频域系数相乘，可以得
到原始数据的二维频域表示。

二维FFT的主要优点是在数据量大且计算复杂度高的情况下，能
够有效地加速频域分析。

它广泛应用于图像处理、信号处理和通信等
领域中，例如图像滤波、图像增强、图像压缩和频谱分析等。

在实际应用中，需要注意对输入数据进行预处理，使其满足FFT
的要求。

常见的预处理包括对数据进行零填充、数据长度取2的幂次
方等操作，以确保算法的正确性和性能。

综上所述，二维FFT是一种基于傅里叶变换原理的算法，通过对
二维空间中的数据应用一维FFT来实现频域分析。

它在图像和信号处
理领域中有广泛应用，能够加速频域分析并提供更好的分析结果。

实验一图像的二维离散傅立叶变换一、实验目的掌握图像的二维离散傅立叶变换以及性质二、实验要求1) 建立输入图像,在6464的黑色图像矩阵的中心建立1616的白色矩形图像点阵,形成图像文件。

对输入图像进行二维傅立叶变换,将原始图像及变换图像(三维、中心化)都显示于屏幕上。

2) 调整输入图像中白色矩形的位置,再进行变换,将原始图像及变换图像(三维、中心化)都显示于屏幕上,比较变换结果。

3) 调整输入图像中白色矩形的尺寸(4040,44),再进行变换,将原始图像及变换图像(三维、中心化)都显示于屏幕上,比较变换结果。

三、 实验仪器设备及软件HP D538、MATLAB四、 实验原理在二维情况下,定义 f(x,y)的傅立叶变换Ｆ(u,v) :2()2()(,)(,)(,)(,)j ux vy j ux vy F u v f x y e dxdy f x y F u v e dudv ππ∞∞-+-∞-∞∞∞+-∞-∞==⎰⎰⎰⎰它表明了空间频率成分与二维图像信号之间的相互关系对于我们要处理的实际二维图像,其傅氏变换一般就是在频率域上有界的,亦即有用成分总就是落在一定的频率域范围之内上述的频率域性质的依据在于:一就是图像中景物的复杂性具有一定的限度,其中大部分内容就是变化不大的区域完全像“雪花”点似的图像没有任何实际意义。

二就是人眼对空间复杂性(频率)的分辨率以及显示器的分辨能力都就是具有一定限度。

若实变量函数f(x)就是绝对可积的,即:且F(u)就是可积的,则傅立叶变换对一定存在。

(){}()()[](){}()()[]du ux j u F x f u F dx ux j x f u F ππ2exp 2exp ⎰⎰∞∞-∞∞-==-==1-F xf F如果f(x)考虑为实函数,它的傅立叶变换通常就是复数形式,即:()()()u jI u R u F +=也可表为:()()()u j e u F u F φ=若二变量函数f(x,y) 就是绝对可积的,即:且F(u,v)就是可积的,则傅立叶变换对一定存在。

二维dft变换编程1.引言1.1 概述概述部分的内容引言部分将介绍二维DFT变换的基本概念和其在图像处理中的重要性。

随着数字图像处理的广泛应用，对图像进行频谱分析已经变得不可或缺。

二维快速傅里叶变换（DFT）是一种常用的技术，用于将图像从空域转换到频域，并可用于各种图像处理任务，例如滤波、图像增强和图像压缩等。

在数字图像中，图像的像素被组织成一个二维矩阵，其中每个元素代表图像的亮度或颜色信息。

通过对这个二维矩阵进行二维DFT变换，我们可以将图像的信息从空间域转换到频率域。

频率域表示了图像中各种频率成分的存在和强度，因此可以通过分析频域图像来获取有关原始图像的信息。

二维DFT变换的应用广泛。

在图像滤波方面，通过在频率域对图像进行滤波，可以实现各种滤波效果，例如去除噪声、增强轮廓和边缘检测等。

此外，二维DFT变换还可以用于图像增强，通过调整频域图像的幅度谱和相位谱，可以改善图像的质量和视觉效果。

另外，二维DFT变换在图像压缩和数据压缩领域也有重要作用，通过把图像信息从空域转换到频域并利用频域的特性，可以实现对图像的高效压缩和储存。

本文将详细介绍二维DFT变换的原理和应用。

首先，我们将解释二维DFT变换的基本原理，包括其数学定义和计算方法。

然后，我们将探讨二维DFT变换在图像处理中的应用，包括滤波、增强和压缩等方面。

最后，我们将对本文进行总结，并展望未来关于二维DFT变换的研究方向。

本文旨在为读者提供关于二维DFT变换的全面概述，并希望能够帮助读者理解和应用二维DFT变换在图像处理中的重要性和实际意义。

通过掌握二维DFT变换的原理和应用，读者将能够更好地使用和开发基于频域的图像处理算法，从而提高图像处理的效果和质量。

1.2 文章结构文章结构部分应该包括以下内容：文章结构部分旨在介绍本文的组织结构和主要内容。

本文将按照以下顺序来进行叙述。

首先，引言部分将概述本文的目标和重要性，并简要介绍文章的结构。

接着，正文部分将详细讨论二维DFT变换的原理和应用。

傅里叶变换的性质这里主要介绍二维离散傅里叶变换（DFT ，discrete FT ）中的几个常用性质（可分离线、周期性和共轭对称性、平移性、旋转性质、卷积与相关定理）：可分离性二维离散傅立叶变换DFT 可分离性的基本思想是二维DFT 可分离为两次一维DFT 。

因此可以用通过计算两次一维的FFT 来得到二维快速傅立叶变换FFT 算法 。

根据快速傅里叶变换的计算要求，需要图像的行列数均满足2的n 次，如果不满足，在计算FFT 之前先要对图像补零以满足2的n 次。

一个M 行N 列的二维图像f(x,y)，先按行对列变量y 做一次长度为N 的一维离散傅里叶变换，再将计算结果按列向对变量x 做一次长度为M 傅里叶变换就可以得到该图像的傅里叶变换结果，如下式所示：()()()()∑∑-=-=-⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=10102exp 2exp ,1,M x N y M ux j N vy j y x f MN v u F ππ 将上式分解开来就是如下两部分，首先得到F(x,v)再由F(x,v)得到F(u,v)：∑-=-=-=101...10]/2exp[),(1),(N y N v N vy j y x f N v x F ，，，π∑-=-=-=101,...,1,0,]/2exp[),(1),(N x M v u M ux j v x F M v u F πu=0,1,2,…M-1；v=0,1,2,...N-1计算过程如下图所示：每一行有N 个点，对每一行的一维N 点序列进行离散傅里叶变换得到F(x,u)，再对得到F(x,u)按列向对每一列做M 点的离散傅里叶变换，就可以得到二维图像f(x,y)的离散傅里叶变换F(u,v)同样，做傅里叶逆变换时，先对列向做一维傅里叶逆变换，再对行做一维逆傅里叶变换，如下式所示：()()()()∑∑-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=10102exp 2exp ,,M u N v M ux j N vy j v u F y x f ππ x=0,1,2,…M-1；y=0,1,2,...N-1周期性和共轭对称性由傅里叶变换的基本性质可以知道，离散信号的频谱具有周期性。

傅里叶变换及其在数字图像处理中的应用王家硕 学号：1252015一、 Fourier 变换1. 一维连续傅里叶变换设 f (x)为x 的实变函数，如果f (x)满足下面的狄里赫莱条件： （1）具有有限个间隔点。

（2）具有有限个极点。

（3）绝对可积。

则 f (x )的傅里叶变换（Fourier Transformation ，FT ）定义为: Fourier 正变换：dt e t f t f f F t j ⎰+∞∞--==ωω)()]([)(；Fourier 逆变换：ωωπωd e f t F f t f t j ⎰∞+∞---==)(21)]([)(1，式中：1-=j ，ω 为频域变量。

f (x )与F (w )构成傅里叶变换对，可以证明傅里叶变换对总是存在的。

由于f (x )为实函数，则它的傅里叶变换F (w )通常是复函数，于是F (w )可写成F (w ) = R (w ) + j I (w ) (1)式中：R (w )和I (w )分别是F (w )的实部和虚部。

公式1可表示为指数形式：式中：F (w ) 为f (x )的傅里叶幅度谱，f (w )为f (x )的相位谱。

2. 二维连续傅里叶变换如果二维函数f (x , y )是连续可积的，即∞<⎰⎰+∞∞-dxdy y x f |),(，且F (u , v )是可积的，则二维连续傅里叶变换对可表示为：dt e y x f v u F t j ⎰⎰+∞∞--+∞∞-=ω),(),(dt e v u F y x F t j ⎰⎰∞+∞-∞+∞-=ω),(),(对于图像 f (x, y)，F(u, v)是它的频谱。

变量u 是对应于x 轴的空间频率，变量v 是对应于y 轴的空间频率，与在一维的情况类似，可定义二维傅里叶变换的幅度谱和相位谱为：3.一维离散傅里叶变换对一个连续函数f (x)等间隔采样可得到一个离散序列。

设共采样N个，则这个离散序列可表示为{ f (0), f (1), f (2), , f (N -1)}。