傅里叶变换与数字图像处理

傅里叶变换在图像去噪中的应用优化探讨图像去噪是数字图像处理领域中的一个重要问题，目的是通过消除图像中的噪声，恢复图像的清晰度和细节。

傅里叶变换作为一种有效的信号处理工具，在图像去噪中被广泛应用。

本文将探讨傅里叶变换在图像去噪中的应用优化方法。

一、傅里叶变换的基本原理傅里叶变换是将一个时域函数转化为其频域表示的一种数学变换方法。

在图像处理中，傅里叶变换可以将图像分解为一系列频率成分。

其基本公式如下：F(u, v) = ∬f(x, y)e^(-i2π(ux+vy))dxdy其中F(u, v)表示频域中的图像，f(x, y)表示时域中的图像。

傅里叶变换将图像从空间域转换到频域，使得频域中不同频率成分的信息可以更清晰地被提取和处理。

二、傅里叶变换在图像去噪中的应用图像去噪是通过去除图像中的噪声来提高图像质量的过程。

传统的图像去噪方法包括均值滤波、中值滤波等。

然而，这些方法往往会模糊图像细节，因此需要一种更加有效的方法来保持图像的清晰度。

傅里叶变换在图像去噪中的应用主要体现在频域滤波上。

通过将图像从空间域转换到频域，可以很容易地对图像进行频域滤波操作。

常见的频域滤波方法包括低通滤波和高通滤波。

低通滤波可以滤除图像中高频成分，从而去除图像中的噪声；高通滤波可以强调图像中的高频成分，使得图像的细节更加清晰。

三、傅里叶变换在图像去噪中的优化方法尽管傅里叶变换在图像去噪中具有广泛应用，但是它也存在一些问题，例如频谱泄漏、边缘模糊等。

为了优化傅里叶变换在图像去噪中的效果，研究人员提出了一些改进方法。

1. 加窗函数加窗函数可以有效缓解频谱泄漏问题。

常见的窗函数包括汉宁窗、汉明窗等。

通过在时域中对图像进行窗函数处理，可以减小傅里叶变换中的泄漏现象，从而提高去噪效果。

2. 频域滤波器设计传统的频域滤波器设计方法主要包括理想滤波器和巴特沃斯滤波器。

然而，这些方法会引入一些额外的问题，如振铃和削波等。

为了解决这些问题，研究人员提出了更加复杂的滤波器设计方法，如维纳滤波器和自适应滤波器。

opencv 傅里叶变换傅里叶变换是数字图像处理中的一种基本技术，而OpenCV（源计算机视觉库）是一个提供用于处理数字图像的强大工具。

本文将介绍如何使用OpenCV中的傅里叶变换来进行数字图像处理。

首先，我们需要了解傅里叶变换的概念。

傅里叶变换是一种数学上的变换，其作用是将一幅图像转换成其频谱图形，从而更好地显示图像的频率信息。

简而言之，它可以把图像中的信号转换成一组特定的频率，以便更加清晰的了解图像的细节结构。

然后，让我们来看看OpenCV如何使用傅里叶变换来进行数字图像处理。

OpenCV提供了一系列的傅里叶变换功能，其中包括离散傅里叶变换（DFT）快速傅里叶变换（FFT）。

DFT是一种基于多项式系数的定点变换，而FFT则旨在提高计算速度，FFT的实现基于快速半周变换、低位优先算法和高精度数字格雷码等技术。

使用OpenCV中的DFT和FFT来处理数字图像步骤如下：（1）将图像转换成灰度图，如果是彩色图像可以使用OpenCV的cv::cvtColor函数。

（2）将图像扩展到N*N大小，这里N必须是2的幂次，例如256*256。

（3）计算DFT或者FFT，这可以使用OpenCV中的cv::dft()cv::dft()。

（4）进行傅里叶变换，这可以使用OpenCV中的cv::idft()来进行变换。

最后，我们可以使用OpenCV中的cv::split()和cv::merge()函数将DFT和FFT变换得到的频率图像分离和合并，从而得出最终结果。

总之，OpenCV中的傅里叶变换是一种强大的数字图像处理技术，它可以帮助我们更好地理解数字图像的频率信息，并可以在数字图像处理中发挥重要作用。

傅里叶变换在图像处理中的应用摘要傅里叶变换是一种重要的信号分析工具，在平稳信号的分析方面具有十分重要的地位，线性系统中，常利用傅里叶变换进行分析和处理。

本文对傅里叶变换和数字图像处理的相关概念进行了介绍，并主要针对傅里叶变换在数字图像处理中的应用进行分析和研究，对图像处理领域的学习很有帮助。

关键词傅里叶变换；信号分析；平稳信号；数字图像处理前言随着信号处理领域的不断发展，越来越多信号分析工具得到了相关学者的研究。

傅里叶变换于19世纪就已经被研究人员提出，在之后的研究和应用中，傅里叶变换也一直是重要的信号处理工具[1-2]。

信息时代的到来使数字图像处理技术也开始飞速进步，它与信号处理等技术息息相关，因此傅里叶变换在图像处理中也得到了重要的应用[3]。

传统的处理方式往往适合在时域对图像进行处理分析，而与傅里叶变换相结合便使图像处理技术得以在频域进行，傅里叶变换常用于线性系统中的处理，因此，可以很好地和图像处理领域相联系，有效提高数字图像处理的效率和精度[4]。

1 傅里叶变换的概述最早在1807年，法国工程师傅里叶首先提出了有关傅里叶级数这一理论，首次提到可以將一个周期性的信号展开成多个复正弦信号相加的形式，这一理论引起了学者们的注意。

十几年之后，傅里叶正式提出了傅里叶变换的概念。

通过傅里叶变换，我们可以将一个信号由时域转换到频域进行信号处理和分析，并且通过傅里叶变换的提出才加深了人们对于频率这个概念的理解。

因此，在傅里叶变换被提出之后，在信号分析领域提出了从频域进行分析这个新思路，使人们对信号的特性进行了一些新的方面的研究。

很多对信号的处理问题以往通过时域分析很难真的得到充分的解释，傅里叶变换这个思路使很多问题变得显而易见。

对于傅里叶变换之后的研究中，出现了关于傅里叶变换的快速算法，使得傅里叶变换更加具有实际应用价值，也对处理离散的数字信号起了重要的作用。

2 基于傅里叶变换的图像处理在对图像进行处理的过程中，图像中包含许多线性变化的元素，而其中的频率便是十分重要的物理量，而这种包含频率信息的元素正适合应用傅里叶变换进行处理，因此，傅里叶变换在图像处理领域得到了广泛的应用。

图像处理与傅里叶变换1背景傅里叶变换是一个非常复杂的理论，我们在图像处理中集中关注于其傅里叶离散变换离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform) 。

1.1离散傅立叶变换图象是由灰度（RGB ）组成的二维离散数据矩阵，则对它进行傅立叶变换是离散的傅立叶变换。

对图像数据f(x,y)（x=0,1,… ,Ｍ-1； y=0,1,… ,N-1）。

则其离散傅立叶变换定义可表示为：式中，u=0,1,…, M-1;v= 0,1,…, N-1 其逆变换为式中，x=0,1,…, M-1;y= 0,1,…, N-1在图象处理中，一般总是选择方形数据，即Ｍ＝Ｎ影像f(x,y)的振幅谱或傅立叶频谱： 相位谱：能量谱（功率谱） )1(2exp ),(1),(101∑∑-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=M x N y N vy M uxi y x f MNv u F π)2(2exp ),(1),(101∑∑-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛+=M u N v N vy M uxi v u F MNy x f π),(),(),(22v u I v u R v u F +=[]),(/),(),(v u R v u I arctg v u =ϕ),(),(),(),(222v u I v u R v u F v u E +==1.2快速傅里叶变化可分离性的优点是二维的傅立叶变换或逆变换由两个连续的一维傅立叶变换变换来实现，对于一个影像f(x,y)，可以先沿着其每一列求一维傅立叶变换，再对其每一行再求一维变换正变化逆变换由于二维的傅立叶变换具有可分离性，故只讨论一维快速傅立叶变换。

正变换 逆变换由于计算机进行运算的时间主要取决于所用的乘法的次数。

按照上式进行一维离散由空间域向频率域傅立叶变换时，对于N 个F∑∑∑∑-=-=-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=110101)(2exp ),(1)(2exp ),(1)(2exp ),(1),(N v N u N u N v N vy i v u F NN ux i v u F N N vy ux i v u F NNy x f πππ∑-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=12exp )(1)(N x N ux i x f Nu F π∑∑∑∑-=-=-=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=11101)(2exp ),(1)(2exp ),(1)(2exp ),(1),(N y N x N x N y N vy i y x f NN ux i y x f NN vy ux i y x f NNv u F πππ∑-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=12exp )(1)(N u N ux i u F Nx f π（u)值，中的每一个都要进行N 次运算，运算时间与N 2成正比。

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)}。

实验报告五姓名：胡文松学号：6103413007 班级：生医131实验日期：2016.5.16 实验成绩：实验题目：图像的傅里叶变换一．实验目的（1）熟练掌握图像的快速傅里叶变换及其逆变换。

（2）熟练掌握图像的radon变换及其逆变换。

二．实验原理傅里叶变换是线性系统分析的一个有力工具，它能够定量地分析诸如数字化系统、采样点、电子放大器、卷积滤波器、噪音和显示点等的作用。

傅里叶变换是将时间域的函数f（t）表示为频率域的函数F(ω)的积分。

一般可称函数f （t）为原函数，而称函数F(ω)为傅里叶变换的像函数，原函数和像函数构成一个傅里叶变换对（transform pair）。

图像傅里叶变换，谱对图像的平移是不敏感的，但它随旋转图像以相同的角度旋转。

图像平移后，他们的频谱不变，但旋转后，其频谱也以以相同的角度旋转。

三．实验内容及结果（1）任意选择一副图像，对图像进行旋转，显示原始图像和旋转后的图像，分别对其进行傅里叶变换，分析原图的傅里叶频谱与旋转后的傅里叶频谱的对应关系。

（2）选择一副图像boy.jpg，使用radon函数和iradon函数构建一个简单图像的投影并重建图像。

源程序和结果：I=phantom(256);figure;subplot(2,2,1);imshow(I);title('原始图像')J=fft2(I);F=abs(J);J1=fftshift(F);subplot(2,2,2);imshow(J1,[5 50]);title('原始图像的傅里叶频谱')K=imrotate(I,315,'bilinear','crop');subplot(2,2,3);imshow(K);title('原始图像进行旋转')K1=fft2(K);M=abs(K1);J2=fftshift(M);subplot(2,2,4);imshow(J2,[5 50]);title('旋转后图像的傅里叶频谱')theta=0:1:179;[R1,xp]=radon(I,theta);figure;subplot(2,2,1);imagesc(theta,xp,R1);xlabel('\theta');ylabel('x\prime' );title('18度');I1=iradon(R1,1);subplot(2,2,2);imshow(I1);title('18度');2.用MATLAB中的iradon函数对获得的投影数据进行滤波反投影重建，获得Shepp-Logan 模型的重建图像I1=iradon(R1,10);I2=iradon(R2,5);I3=iradon(R3,2);I4=iradon(R4,1);figure;subplot(2,2,1);imshow(I1);title('18 angles');subplot(2,2,2);imshow(I2);title('36 angles');subplot(2,2,3);imshow(I3);title('90 angles');subplot(2,2,4);imshow(I4);title('180 angles');四．结果分析从实验结果可知（1）图像旋转后，相应的傅里叶频谱也跟着做相应的旋转，且旋转角度是一样的，时域中信号被压缩，到频域中被拉伸。

傅里叶变换在实际生活的应用
1.通信：在数字通信中，傅里叶变换可用于信号编解码、信道等效、
信道均衡和自适应滤波器。

2.图像处理：在数字图像处理中，傅里叶变换可用于图像压缩、滤波、增强和模式识别。

3.音频处理：在音频处理中，傅里叶变换可用于音频信号的频域分析、声音合成和去噪。

4.信号处理：傅里叶变换可用于信号处理中的滤波、谱分析和频域变
换等应用中。

5.医疗图像处理：在医学图像处理中，傅里叶变换可用于医学图像的
过滤、重建和分析。

6.地震勘探：在地震勘探中，傅里叶变换可用于地震波形的分析和处理。

7.反向问题求解：在物理学和工程学中，傅里叶变换可用于反向问题
求解，例如在热传导和扩散方程中。

8.光学：在光学中，傅里叶变换可用于理解光波如何在镜头和透镜中
聚焦和散射。

9.量子力学：在量子力学中，傅里叶变换可用于分析波函数和分离变量。

10.数值分析：在数值分析中，傅里叶变换可用于求解偏微分方程、
求解积分方程等问题。

Matlab数字图像处理实验指导实验目的：通过实验，深入理解和掌握图像处理的基本技术，提高动手实践能力。

实验环境：Matlab变成实验一图像的几何变换实验内容：设计一个程序，能够实现图像的各种几何变换。

实验要求：读入图像，打开图像，实现图像的平移变换、比例缩放、转置变换、镜像变换、旋转变换等操作。

实验原理：图像几何变换又称为图像空间变换，它将一幅图像中的坐标位置映射到另一幅图像中的新坐标位置。

学习几何变换的关键就是要确定这种空间映射关系，以及映射过程中的变化参数。

几何变换不改变图像的像素值，只是在图像平面上进行像素的重新安排。

一个几何变换需要两部分运算：首先是空间变换所需的运算，如平移、镜像和旋转等，需要用它来表示输出图像与输入图像之间的（像素）映射关系；此外，还需要使用灰度插值算法，因为按照这种变换关系进行计算，输出图像的像素可能被映射到输入图像的非整数坐标上。

设原图像f(x0,y0)经过几何变换产生的目标图像为g(x1,y1),则该空间变换（映射）关系可表示为：x1=s(x0,y0)y1=t(x0,y0)其中，s(x0,y0)和t(x0,y0)为由f(x0,y0)到g(x1,y1)的坐标换变换函数。

一、图像平移图像平移就是将图像中所有的点按照指定的平移量水平或者垂直移动。

二、图像镜像镜像变换又分为水平镜像和垂直镜像。

水平镜像即将图像左半部分和右半部分以图像竖直中轴线为中心轴进行对换；而竖直镜像则是将图像上半部分和下半部分以图像水平中轴线为中心轴进行对换。

三、图像转置图像转置是将图像像素的x坐标和y坐标呼唤。

图像的大小会随之改变——高度和宽度将呼唤。

四、图像的缩放图像缩放是指将图像大小按照指定的比率放大或者缩小。

图像缩放函数imresize();调用格式如下：B=imresize(A,Scale,method);参数A为要进行缩放的原始图像。

Scale为统一的缩放比例。

如果希望在x和y方向上以不同比例进行缩放，可用如下调用形式。