遥感数字图像第五章幻灯片.ppt

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1、遥感数字图像第五章第1页，共76页，编辑于2022年，星期三 一.图像变换的作用 图像变换的定义是将图像从空域变换到其它域（如频域）的数学变换 图像变换的作用 我们人类视觉所感受到的是在空间域和时间域的信号。但是，往往许多问题在频域中讨论时，有其非常方便分析的一面。1.方便处理 2.便于抽取特性第2页，共76页，编辑于2022年，星期三常用的变换1.傅立叶变换Fourier Transform2.离散余弦变换Discrete Cosine Transform3.沃尔什哈达玛变换Walsh-Hadamard Transform第3页，共76页，编辑于2022年，星期三二.傅立叶变换 傅立叶变换的

2、作用（1）可以得出信号在各个频率点上的强度。（2）可以将卷积运算化为乘积运算。（3）傅氏变换和线性系统理论是进行图像恢复 和重构的重要手段。（4）傅立叶变换能使我们从空间域与频率域两个不同的角度来看待图像的问题，有时在空间域无法解决的问题在频域却是显而易见的。第4页，共76页，编辑于2022年，星期三 傅立叶变换的定义o 傅立叶变换若f(x)为一维连续实函数，则它的傅里叶变换可定义为：傅立叶逆变换定义如下：第5页，共76页，编辑于2022年，星期三 函数f(x)和F(u)被称为傅立叶变换对。即对于任一函数f(x)，其傅立叶变换F(u)是惟一的；反之，对于任一函数F(u)，其傅立叶逆变换f(x)

3、也是惟一的。第6页，共76页，编辑于2022年，星期三傅里叶变换的条件傅里叶变换的条件 傅里叶变换在数学上的定义是严密的，它需要满足如下狄利克莱条件：(1)具有有限个间断点；(2)具有有限个极值点；(3)绝对可积;第7页，共76页，编辑于2022年，星期三F(u)可以表示为如下形式：|F(u)|称为F(u)的模，也称为函数f(x)的傅立叶谱，称为F(u)的相角。第8页，共76页，编辑于2022年，星期三称为函数f(x)的能量谱或功率谱。第9页，共76页，编辑于2022年，星期三高斯函数的定义为：例例1 1 高斯函数的傅立叶变换高斯函数的傅立叶变换 根据傅立叶变换的定义可得：第10页，共76页，

4、编辑于2022年，星期三令x+ju=t，上式可以化为：结论:与即，高斯函数的傅立叶变换依然是高斯函数 为傅立叶变换函数对。第11页，共76页，编辑于2022年，星期三例例2.2.矩形函数矩形函数 矩形函数形式如下矩形函数形式如下:第12页，共76页，编辑于2022年，星期三根据傅立叶变换的定义，其傅立叶变换如下：第13页，共76页，编辑于2022年，星期三可得矩形函数可得矩形函数f(x)f(x)的傅立叶频谱为：的傅立叶频谱为：几何图形如下页图(b)所示 第14页，共76页，编辑于2022年，星期三第15页，共76页，编辑于2022年，星期三第16页，共76页，编辑于2022年，星期三线性系统与

5、傅立叶变换第17页，共76页，编辑于2022年，星期三傅立叶变换在图像滤波中的应用傅立叶变换在图像滤波中的应用 首先，我们来看首先，我们来看FourierFourier变换变换后的图像，中间后的图像，中间部分为低频部分，越靠外边频率越高。部分为低频部分，越靠外边频率越高。因此，我们可以在因此，我们可以在FourierFourier变换图中，选择变换图中，选择所需要的所需要的高频高频或是或是低频低频滤波。滤波。第18页，共76页，编辑于2022年，星期三傅立叶变换在图像压缩中的应用 变换系数刚好表现的是各个频率点上的变换系数刚好表现的是各个频率点上的幅值。在小波变换没有提出时，用来进行压幅值。在

6、小波变换没有提出时，用来进行压缩编码。考虑到高频反映细节、低频反映景缩编码。考虑到高频反映细节、低频反映景物概貌的特性。往往认为可将高频系数置为物概貌的特性。往往认为可将高频系数置为0 0，骗过人眼，骗过人眼。第19页，共76页，编辑于2022年，星期三傅立叶变换在卷积中的应用 直接进行时域中的卷积运算是很复杂的。傅立叶变换将时域的卷积变换为频域的乘积。第20页，共76页，编辑于2022年，星期三三.离散傅立叶变换 离散傅立叶变换的定义 要要在在数数字字图图像像处处理理中中应应用用傅傅立立叶叶变变换换，还还需需要要解解决决两两个个问问题题：一一是是在在数数学学中中进进行行傅傅立立叶叶变变换换的

7、的f f(x x)为为连连续续（模模拟拟）信信号号，而而计计算算机机处处理理的的是是数数字字信信号号（图图像像数数据据）；二二是是数数学学上上采采用用无无穷穷大大概概念念，而而计计算算机机只只能能进进行行有有限限次次计计算算。通通常常，将将受受这这种种限限制制的的傅傅立立叶叶变变换换称称为为离离散散傅傅立立叶叶变变换（换（Discrete Fourier TransformDiscrete Fourier Transform，DFT)DFT)。第21页，共76页，编辑于2022年，星期三o 离散傅立叶变换 离散傅立叶变换的定义离散傅立叶正变换离散傅立叶正变换:第22页，共76页，编辑于2022

8、年，星期三离散傅立叶逆变换离散傅立叶逆变换:第23页，共76页，编辑于2022年，星期三四.傅立叶变换的性质 共轭对称性 加法定理 位移定理 相似性定理 卷积定理 能量保持定理第24页，共76页，编辑于2022年，星期三 共轭对称性第25页，共76页，编辑于2022年，星期三第26页，共76页，编辑于2022年，星期三 加法定理第27页，共76页，编辑于2022年，星期三第28页，共76页，编辑于2022年，星期三 位移定理第29页，共76页，编辑于2022年，星期三 相似性定理 结论：一个“窄”的函数有一个“宽”的频谱第30页，共76页，编辑于2022年，星期三第31页，共76页，编辑于20

9、22年，星期三 旋转不变性旋转不变性 由旋转不变性可知，如果时域中离散函数旋转角度，则在变换域中该离散傅立叶变换函数也将旋转同样的角度。离散傅立叶变换的旋转不变性如图所示。(a)(b)(d)(c)图 离散傅立叶变换的旋转不变性（a）原始图像；（b）原始图像的傅立叶频谱；（c）旋转45后的图像；（d）图像旋转后的傅立叶频谱 第32页，共76页，编辑于2022年，星期三卷积定理第33页，共76页，编辑于2022年，星期三能量保持定理第34页，共76页，编辑于2022年，星期三五.二维傅立叶变换1.二维连续函数傅立叶变换的定义二维傅立叶正变换二维傅立叶正变换:第35页，共76页，编辑于2022年，星

10、期三二维傅立叶逆变换二维傅立叶逆变换:第36页，共76页，编辑于2022年，星期三第37页，共76页，编辑于2022年，星期三第38页，共76页，编辑于2022年，星期三第39页，共76页，编辑于2022年，星期三2.二维离散函数傅立叶变换的定义 根据一维离散傅立叶变换的定义和二维连续傅立叶变换根据一维离散傅立叶变换的定义和二维连续傅立叶变换理论，对于一个具有理论，对于一个具有MNMN个样本值的二位离散序列个样本值的二位离散序列f(xf(x，y)y)，（x=0,1,2,3,x=0,1,2,3,M-1,M-1；y=0,1,2,3,y=0,1,2,3,N-1,N-1）其傅立叶）其傅立叶变换为：变换

11、为：(1)二维离散傅立叶正变换第40页，共76页，编辑于2022年，星期三(2)二维离散傅立叶逆变换若已知频率二维序列F(u，v)（u=0,1,2,3,M-1；v=0,1,2,3,N-1），则二维离散序列F(u，v)的傅立叶逆变换定义为：第41页，共76页，编辑于2022年，星期三 x、y和u、v，分别为空间域采样间隔和频率域采样间隔 两者之间满足如下关系：第42页，共76页，编辑于2022年，星期三 式中序列R(u，v)和I(u，v)分别表示离散序列F(u，v)的实序列和虚序列。二维序列f(x，y)的频谱（傅立叶幅度谱）、相位谱和能量谱（功率谱）分别如下：F(u，v)可以表示为如下形式：第4

12、3页，共76页，编辑于2022年，星期三(1)(1)线性特性线性特性 3.二维离散傅立叶变换的性质(1)(1)比例性质比例性质 =第44页，共76页，编辑于2022年，星期三(3)(3)平移性质平移性质 二维傅立叶变换的移位特性表明，当用 乘以f(x，y)，然后再进行乘积的离散傅里叶变换时，可以使空间频率域u-v平面坐标系的原点从(0，0)平移到(u0，v0)的位置。第45页，共76页，编辑于2022年，星期三(4)(4)可分离性可分离性 第46页，共76页，编辑于2022年，星期三 二维傅立叶变换的可分离特性表明，一个二维傅立叶变换可通过二次一维傅立叶变换来完成，即：第一次先对y进行一维傅立

13、叶变换 在此基础上对x进行一维傅立叶变换第47页，共76页，编辑于2022年，星期三变量分离步骤如图所示 第48页，共76页，编辑于2022年，星期三 若已知频率二维序列F(u，v)，则二维可分离性对傅立叶逆变换同样适应 逆变换的分离性也同样可以分解为两次一维傅立叶变换 第49页，共76页，编辑于2022年，星期三(5)(5)周期性周期性 如果二维离散函数f(x，y)的傅里叶变换为F(u，v)，则傅立叶变换及其逆变换存在如下周期特性：第50页，共76页，编辑于2022年，星期三(6)(6)共轭对称性共轭对称性 第51页，共76页，编辑于2022年，星期三(7)(7)旋转不变性旋转不变性 图像f

14、(x，y)可以表示为f(r，)。同样，空间频率域的F(u，v)采用极坐标可以表示为F(，)。二维离散傅立叶存在如下旋转特性：第52页，共76页，编辑于2022年，星期三(a)原始图像 (b)DFT变换 (c)原始图像旋转45(d)旋转之后DFT变换结果 第53页，共76页，编辑于2022年，星期三(8)(8)微分性质微分性质 第54页，共76页，编辑于2022年，星期三(9)(9)平均值性质平均值性质 平均值定义如下平均值定义如下 平均值性质如下：平均值性质如下：即：即：结论：二维离散函数的平均值等于其傅立叶变换在频率原点处值的1/MN。第55页，共76页，编辑于2022年，星期三二维傅立叶变

15、换二维傅立叶变换(幅值及相位幅值及相位)意义意义 第56页，共76页，编辑于2022年，星期三n n左边一列左边一列:上方为原始图像,下方为本图的相关说明说明;n n中间一列中间一列:上图幅值谱,下图为根据幅值谱的傅立叶逆变换(忽略相位信息,设相位为0);n n右边一列右边一列:上图相位谱,下图为根据相位谱的傅立叶逆变换(忽略幅值信息,设幅值为某一常数);图像的说明图像的说明 第57页，共76页，编辑于2022年，星期三第58页，共76页，编辑于2022年，星期三1.1.问题的提出：傅立叶变换的一个最大的问题是：它的参数都是复数，在数据的描述上相当于实数的两倍。为此，我们希望有一种能够达到相同

16、功能但数据量又不大的变换。在此期望下，产生了DCT变换。六.离散余弦变换第59页，共76页，编辑于2022年，星期三2.2.正变换：正变换：3.3.逆变换：逆变换：其中：其中：第60页，共76页，编辑于2022年，星期三4.DCT变换的应用：余弦变换实际上是傅立叶变换的实数部分。余弦变换主要用于图像的压缩，如目前的国际压缩标准的JPEG格式中就用到了DCT变换。具体的做法与DFT 相似。给高频系数大间隔量化，低频部分小间隔量化。第61页，共76页，编辑于2022年，星期三返回第62页，共76页，编辑于2022年，星期三返回Fourier变换的高通滤波第63页，共76页，编辑于2022年，星期三

17、另一幅图像效果压缩率为：1.7：1压缩率为：2.24：1压缩率为：3.3：1第64页，共76页，编辑于2022年，星期三 返回压缩率为：8.1：1压缩率为：10.77：1压缩率为：16.1：1第65页，共76页，编辑于2022年，星期三返回Fourier变换的低通滤波第66页，共76页，编辑于2022年，星期三七七.哈达玛正变换哈达玛正变换 1.1.一维哈达玛正变换一维哈达玛正变换 设f(x)表示N点的一维离散序列，则一维哈达玛变换如下：u=0,1,2,3,N-1第67页，共76页，编辑于2022年，星期三其中，g(x，u)是一维哈达玛变换的核，定义如下：式中，u=0，1，2，N-1；x=0，

18、1，2，N-1,N是哈达玛变换的阶数，bi(z)是z的二进制数的第i位数值，取值为0或1。第68页，共76页，编辑于2022年，星期三2.2.一维哈达玛逆变换一维哈达玛逆变换 第69页，共76页，编辑于2022年，星期三 h(x，u)是一维哈达玛逆变换的核逆变换核与正变换核相等，即 第70页，共76页，编辑于2022年，星期三哈达玛变换的阶数具有规律性，即按照 规律递升，高阶哈达玛矩阵可以通过低阶哈达玛矩阵的克罗尼科积运算求得，也就是说，哈达玛矩阵具有如下关系：第71页，共76页，编辑于2022年，星期三(1)(2)第72页，共76页，编辑于2022年，星期三(3)第73页，共76页，编辑于2022年，星期三(4)采用上述规律求哈达玛变换矩阵要比直接用哈达玛变换核求矩阵快得多，此结论提供了一种快速哈达玛变换，也可以称为FHT。第74页，共76页，编辑于2022年，星期三 例如，根据哈达玛矩阵的运算规律，可以得出8阶哈达玛矩阵如下：第75页，共76页，编辑于2022年，星期三本章重点本章重点n n傅里叶变换n nDFT变换，性质及应用n n离散余弦变换的应用第76页，共76页，编辑于2022年，星期三