python实现图像傅里叶变换

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一. 傅里叶变换简介:

        在数字图像处理中,有两个经典的变换被广泛使用——傅里叶变换和霍夫变换。傅里叶变换是将时间域上的信号转变为频率域上的信号,进而进行图像去噪、图像增强等处理。

        傅里叶变换(Fourier Transform,FT)后,对同一事物的观看角度随之改变,可以从频域里发现一些从时域里不易察觉的特征。某些在时域内不好处理的地方,在频域内可以容易地处理。

        傅里叶定理:“ 任何连续周期信号都可以表示成(或者无限逼近)一系列正弦信号的叠加。”

        一维傅里叶公式如下:

w 表示频率, t 表示时间, 它将频率域的函数表示为时间域函数 f(t)的积分 ↑  

        我们知道,灰度图像是由二维的离散的点构成的。二维离散傅里叶变换(Two-Dimensional Discrete Fourier Transform)常用于图像处理中,对图像进行傅里叶变换后得到其频谱图。频谱图中频率高低表征图像中灰度变化的剧烈程度。图像中边缘和噪声往往是高频信号,而图像背景往往是低频信号。我们在频率域内可以很方便地对图像的高频或低频信息进行操作,完成图像去噪,图像增强,图像边缘提取等操作。

        对二维图像进行傅里叶变换用如下式子进行:

图像长M,高N。F(u,v)表示频域图像,f(x,y)表示时域图像。u的范围为[0,M-1],v的范围为[0,N-1]  ↑

        对二维图像进行傅里叶逆变换式子如下:

图像长M,高N。f(x,y)表示时域图像, F(u,v)表示频域图像。x的范围为[0,M-1],y的范围为[0,N-1]  ↑

二. python实现二维图像的傅里叶变换原理

import cv2

import numpy as np

# DFT

def dft(img):

        H, W, channel = img.shape

        # Prepare DFT coefficient

        G = np.zeros((H, W, channel), dtype=np.complex)

        # prepare processed index corresponding to original image positions

        x = np.tile(np.arange(W), (H, 1))

        y = np.arange(H).repeat(W).reshape(H, -1)

        # dft

        for c in range(channel):

                for v in range(H):

                        for u in range(W):

                                G[v, u, c] = np.sum(img[..., c] * np.exp(-2j * np.pi * (x * u / W + y * v / H))) / np.sqrt(H * W)

    return G

# IDFT

def idft(G):

        # prepare out image

        H, W, channel = G.shape

        out = np.zeros((H, W, channel), dtype=np.float32)

        # prepare processed index corresponding to original image positions

        x = np.tile(np.arange(W), (H, 1))

        y = np.arange(H).repeat(W).reshape(H, -1)

        # idft

        for c in range(channel):

                for v in range(H):

                        for u in range(W):

                                out[v, u, c] = np.abs(np.sum(G[..., c] * np.exp(2j * np.pi * (x * u / W + y * v / H)))) / np.sqrt(W * H)

        # clipping

        out = np.clip(out, 0, 255)

        out = out.astype(np.uint8)

        return out

# Read image

img = cv2.imread("../head.png").astype(np.float32)

# DFT

G = dft(img)

# write poser spectal to image

ps = (np.abs(G) / np.abs(G).max() * 255).astype(np.uint8)

cv2.imwrite("out_ps.jpg", ps)

# IDFT

out = idft(G)

# Save result

cv2.imshow("result", out)

cv2.imwrite("out.jpg", out)

cv2.waitKey(0)

cv2.destroyAllWindows()


三. 实验结果:

原图 ↑
经过傅里叶变换、反变换后的图像 ↑

四. C语言实现图像傅里叶变换:

// 傅里叶变换

void fre_spectrum(short **in_array, short **out_array, long height, long width)

{

    double re, im, temp;

    int move;

    for (int i = 0; i < height; i++){

        for (int j = 0; j < width; j++){

            re = 0;

            im = 0;

            for (int x = 0; x < height; x++){

                for (int y = 0; y < width; y++){

                    temp = (double)i * x / (double)height +

                          (double)j * y / (double)width;

                    move = (x + y) % 2 == 0 ? 1 : -1;

                    re += in_array[x][y] * cos(-2 * pi * temp) * move;

                    im += in_array[x][y] * sin(-2 * pi * temp) * move;

                }

            }


            out_array[i][j] = (short)(sqrt(re*re + im*im) / sqrt(width*height));

            if (out_array[i][j] > 0xff)

                out_array[i][j] = 0xff;

            else if (out_array[i][j] < 0)

                out_array[i][j] = 0;

           }

    }

}

// 傅里叶反变换

void idft(double** re_array, double** im_array, short** out_array, long height, long width)

{

    double real, temp;

    for (int i = 0; i < height; i++){

        for (int j = 0; j < width; j++){

            real = 0;

            for (int x = 0; x < height; x++){

                for (int y = 0; y < width; y++){

                    temp = (double)i * x / (double)height +

                          (double)j * y / (double)width;

                    real += re_array[x][y] * cos(2 * pi * temp) -

                            im_array[x][y] * sin(2 * pi * temp);

                }

            }


            out_array[i][j] = (short)(real / sqrt(width*height));

            if (out_array[i][j] > 0xff)

                out_array[i][j] = 0xff;

            else if (out_array[i][j] < 0)

                out_array[i][j] = 0;

        }

    }

    printf("idft done\n");

}


五. 参考内容:

        https://www.cnblogs.com/wojianxin/p/12529809.html

        https://blog.csdn.net/Ibelievesunshine/article/details/104983489


六. 版权声明:

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