频域图像增强
背景
傅立叶变换的提出
- 傅立叶: 1768 出生
- 1822 年 “热分析理论“, 1878 翻译出英文,提出傅立叶级数
- 傅立叶级数: 周期函数表示为不同频率的正弦和/余弦和
- 傅立叶变换: 非周期函数表示为正弦和/或余弦乘以加权函数的积分
- 逆变换可以重建原函数
应用: 信号处理等 (FFT 的出现)
傅立叶级数
周期函数
函数分解: 函数系数有重要意义,分解和合并的过程可逆
信号
- 在时域是一个周期且连续的函数
- 在频域是一个非周期离散的函数
傅立叶变换
傅立叶变换和频率域
傅立叶变换
- 连续
- 离散
- 相关概念
- 变换表达
- 频谱(幅度)
- 相位角
- 功率谱
- 变换表达
- 窗函数傅立叶变换—辛克函数
- 二维: x → (x, y), u → (u, v) 即可
频率域
由傅立叶变换和频率变量 (u, v) 定义的空间
基本性质
- u = 0, v = 0,对应平均灰度
- 低频对应变化慢的
- 高频对应变化快的
傅立叶谱和相位角
是频谱最大的分量 傅立叶变换共轭对称
频谱关于原点偶对称
相位角关于原点奇对称
傅立叶变换的性质
变换对
平移性质
旋转性质
- 令
- 令
尺度定理
周期性
其中
- 应用: 把 f 挪到中心位置
处 - 二维傅立叶变换及反变化在 u 方向和 v 方向都是无限周期的
- 应用: 把 f 挪到中心位置
相位谱
- 相位构成的矩阵
- 各个正弦分量关于原点的位移的度量
- 决定了图像中可辨别物体定位信息
卷积定理
卷积
- 连续
- 离散
- 有限
卷积定理
2D
相关定理
- 互相关:
- 自相关:
可分离性
快速傅立叶变换 (FFT)
离散余弦变换
其中
沃尔什变换
OpenCV 函数
python
I = cv2.imread('lena.png')
gray = cv2.cvtColor(I, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
J = np.fft.fft2(gray)
K = np.fft.ifft2(J)
np.fft.fft.shift(J) # 挪到中间低通滤波器 (LPF)
- 理想低通滤波器 ILPF
截断频率 到原点的距离 - 问题
- 模糊
- 振铃: 在 2D 图像上表现为一系列同心圆环;半径反比于截断频率
- 巴特沃斯低通滤波器 BLPF
- 减少振铃,高频率间的过渡比较光滑
- 阶为 n 的 BLPF
- 转移函数
时 
- 转移函数
- 振铃: 阶数越高越明显
- 高斯低通滤波器
- 其他低通滤波器
- 梯形
- 指数
- 梯形
- 应用: 消除伪轮廓, 字符识别前的增强处理, 人脸皱纹处理, 卫星图像伪影线消除
高通滤波器
- 理想高通滤波器 IHPF
- 巴特沃斯高通滤波器 BHPF
- 高斯高通滤波器 GHPF
- 高频强调滤波器
输出图的傅立叶变换 - 高频提升滤波器
- 原始图减去低通图得到的高通滤波器的效果
- A = 1, 高通滤波器
- A > 1, 原始图的一部分与高通图像加,恢复了高通滤波丢失的低频分量
选择性滤波
- 带阻 & 带通
| 理想 | |
| 巴特沃斯 | |
| 高斯 |
- 陷波滤波器
同态滤波
成像模型
取对数
两边傅立叶变换
用
处理 : 反变换到空域
取指数
低频对应照度,高频对应反射
特点: 对高频和低频成分有不同的影响
应用: 压缩图像的动态范围的同时增加对比度
频域技术与空域技术
- 空间滤波器的工作原理可借助频域进行分析
- 空域中的平滑滤波器在频域里对应低通滤波器
- 频域越宽,空域越窄,平滑作用越弱
- 空域中的锐化滤波器在频域里对应高通滤波器
- 空域有正负值,模板中心系数较大