INF mars 2017 Fourier I -- En litt annen vinkling på stoffet i kapittel 4

Like dokumenter
sin(2 ui/n) starter på 0 og repeteres u ganger per N samples. cos(2 ui/n) starter på 1 og repeteres u ganger per N samples

Introduksjon. «Diskret» sinus/cosinus i 1D. Funksjonen sin(θ) INF april 2010 Fourier -- En annen vinkling på stoffet i kapittel 4

( x+ π 2) Bakgrunn: Sinus og cosinus. Bakgrunn: Samplet sinus i 1D. Bakgrunn: Samplet sinus i 2D. Bakgrunn: Sinus i 2D. sin( x)=cos.

Basisbilder - cosinus. Alternativ basis. Repetisjon Basis-bilder. INF april 2010 Fouriertransform del II. cos( )

Introduksjon/motivasjon I. FOURIER-TRANSFORM I Ole Marius Hoel Rindal, foiler av Andreas Kleppe. Introduksjon/motivasjon II. Bakgrunn: Frekvens

INF mars 2017 Diskret Fouriertransform del II

Basisbilder - cosinus v Bildene

INF2310 Digital bildebehandling FORELESNING 9 FOURIER-TRANFORM I. Andreas Kleppe

Eksempel: Ideelt lavpassfilter

Repetisjon: Standardbasis

INF2310 Digital bildebehandling FORELESNING 9 FOURIER-TRANFORM II. Andreas Kleppe

Dagens mål. Det matematiske fundamentet til den diskrete Fourier-transformen Supplement til forelesning 8 INF Digital bildebehandling

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Bildetransformer Lars Aurdal

Utkast med løsningshint inkludert UNIVERSITETET I OSLO

Fourier-Transformasjoner IV

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

TMA Matlab Oppgavesett 2

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

Filter-egenskaper INF Fritz Albregtsen

UNIVERSITETET I OSLO

Repetisjon: Eksempel. Repetisjon: Aliasing. Oversikt, 26.februar Gitt. Alle signaler. Ettersom. vil alle kontinuerlig-tid signaler.

3UDNWLVN DQYHQGHOVH DY ')7

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Bruk av tidsvindu. Diskret Fourier-transform. Repetisjon: Fourier-transformene. Forelesning 6. mai 2004

UNIVERSITETET I OSLO. Dette er et løsningsforslag

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 19. august 2010

UNIVERSITETET I OSLO

TMA Kræsjkurs i Matlab. Oppgavesett 3 Versjon 1.2

Filtrering i bildedomenet. Middelverdifilter (lavpass) Lavpassfiltre. INF2310 Digital bildebehandling FORELESNING 15 REPETISJON

Eksamen Løsningsforslag

FYS2130 Svingninger og bølger, Obligatorisk oppgave C. Nicolai Kristen Solheim

f(t) F( ) f(t) F( ) f(t) F( )

Uke 10: Diskret Fourier Transform, II

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

INF2310 Digital bildebehandling

Dagens temaer. Endelig lengde data. Tema. Time 11: Diskret Fourier Transform, del 2. Spektral glatting pga endelig lengde data.

0.1 Morlet wavelets i FYS2130-notasjon (v )

Sampling av bilder. Romlig oppløsning, eksempler. INF Ukens temaer. Hovedsakelig fra kap. 2.4 i DIP

STE 6146 Digital signalbehandling. Løsningsforslag til eksamen avholdt

Transformanalyse. Jan Egil Kirkebø. Universitetet i Oslo 17./23. september 2019

INF Kap og i DIP

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Forelesening INF / Spektre - Fourier analyse

Repetisjon: LTI-systemer

Dagens temaer. Tema. Time 6: Analyse i frekvensdomenet. z-transformasjonen. Fra forrige gang. Frekvensrespons funksjonen

Forelesning, 23.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2006

Viktige Fourier-transform par. Konvolusjons-teoremet. 2-D Diskret Fourier-Transform (DFT) INF 2310 Digital bildebehandling

UNIVERSITETET I OSLO

SEGMENTERING IN 106, V-2001 BILDE-SEGMENTERING DEL I 26/ Fritz Albregtsen SEGMENTERING SEGMENTERING

Forelesning, 17.februar INF2400 Sampling II. Øyvind Ryan. Februar 2005

Noen presiseringer mhp Diskret Fourier Transform. Relevant for oblig 1.

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning.

SPEKTALANALYSATORER. Fig. 1 Illustrasjon av sammenhengen tidsfunksjon - frekvensspektrum

Fourier-Transformasjoner

UNIVERSITETET I OSLO

MAT-INF 2360: Obligatorisk oppgave 1

5.8 Iterative estimater på egenverdier

Forkunnskapskrav. Hva handler kurset om. Kontaktinformasjon. Kurset er beregnet på en student som kan

Fourier-Transformasjoner

INF2310 Digital bildebehandling

Idag. Hvis bildet f(x,y) er reelt og symmetrisk, vil Fourier transformen bestå av reelle koeffisienter korresponderende til cosinus leddene.

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 18. august 2011

4_Komplekse_tall.odt tg. Kap.4 Komplekse tall

0.1 Kort introduksjon til komplekse tall

Eksempel 1. Frekvensene i DFT. Forelesning 13. mai På samme måte har vi at. I et eksempel fra forrige uke brukte vi sekvensen

Midtveiseksamen Løsningsforslag

TMA Kræsjkurs i Matlab. Oppgavesett 2/3

STE 6219 Digital signalbehandling Løsningsforslag

Komplekse tall og komplekse funksjoner

INF januar 2017 Ukens temaer (Kap med drypp fra kap. 4. i DIP)

Uke 9: Diskret Fourier Transform, I

z = a + jb Mål Komplekse tall: Sum og produkt Komplekse tall

Repetisjon: Spektrum for en sum av sinusoider

INF 2310 Digital bildebehandling

INF Stikkord over pensum til midtveis 2017 Kristine Baluka Hein

Filtrering i bildedomenet. 2D-konvolusjons-eksempel. 2D-konvolusjons-eksempel. INF2310 Digital bildebehandling

Konvolusjon og filtrering og frevensanalyse av signaler

UNIVERSITETET I OSLO

Temaer i dag. Geometriske operasjoner. Anvendelser. INF 2310 Digital bildebehandling

Introduksjon til lyd. Det ytre øret. Fra lydbølger til nerveimpulser. INF Digital representasjon : Introduksjon til lyd.

TTT4110 Informasjons- og signalteori Løsningsforslag eksamen 9. august 2004

UNIVERSITETET I OSLO

Lyd. Litt praktisk informasjon. Litt fysikk. Lyd som en funksjon av tid. Husk øretelefoner på øvelsestimene denne uken og en stund framover.

FFT. Prosessering i frekvensdomenet. Digital signalprosessering Øyvind Brandtsegg

Transkript:

INF 2310 22. mars 2017 Fourier I -- En litt annen vinkling på stoffet i kapittel 4 I dag: Sinus-funksjoner i 1D og 2D 2D diskret Fouriertransform (DFT) Mandag 27. mars: Supplementsforelesning holdt av Kristine. Litt mer om det matematiske fundamentet. Neste uke: Konvolusjonsteoremet Filtre og filtrering i frekvensdomenet Vindusfunksjoner 1 / 39

Introduksjon I/II Et gråtonebilde Typisk representasjon: Matrise av gråtoneintensiteter Fourier: En vektet sum av sinuser og cosinuser med ulik frekvens og orientering Et slik skifte av representasjon kalles ofte et «basisskifte» 2 / 39

Introduksjon II/II Hvorfor skifte basis? Analyse av bilder Fjerne/dempe periodisk støy Kompresjon Analyse og design av lineære filtre (konvolusjonsteoremet) Egenskapsuttrekning (feks. Tekstur) Rask implementasjon av (større) konvolusjonsfiltre Fjerning av periodisk støy, fig. 4.64 i DIP. Ut-bildet er resultatet av en konvolusjon, men det er vanskelig å designe filteret i bildedomenet. 3 / 39

Funksjonen sin(θ) sin(θ) svinger mellom 1 og -1 når θ varierer mellom 0 og 2, og den svinger på samme måte når θ varierer mellom 2 og 4 osv. (periodisk) 4 / 39

«Diskret» sinus/cosinus i 1D y(i) = A sin(2πui/n + φ) N : antall sampler u : antall hele perioder φ : horisontal forskyvning (fase) A : Amplitude I dette eksemplet er A=2, u=7, N=512 og =0 5 / 39

Hva er forskjellen på sin(θ) og cos(θ)? sin(2 ui/n) starter på 0 og repeteres u ganger per N samples cos(2 ui/n) starter på 1 og repeteres u ganger per N samples Bare startpunktet, dvs. faseforskyvningen,, er forskjellig 6 / 39

Hva får vi om vi legger sammen sin og cos? A1sin(θ) + A2cos(θ) = A sin(θ + Φ), der og Φ=atan2(A2,A1) Vi ender altså opp med en sin-funksjon med samme frekvens, men endret amplitude og fase Vi kan også gå andre veien og si at enhver sinus-funksjon med gitt frekvens kan dannes ved å legge sammen en vektet sinog en vektet cos-funksjon med denne samme frekvensen A2 A Φ A1 Alternativ koding /representasjon av informasjonen (A, Φ, θ) er altså (A1, A2,θ) 7 / 39

Introduksjon til sinus-funksjoner i 2D Vertikal og horisontal komponent 8 / 39

Sinusfunksjoner i bilder (2D) A amplitude u vertikal frekvens v horisontal frekvens - faseforskyvning A=50, u=0, v=10 A=20, u=10, v=0 I eksemplene vises 0 som grått, -127 som sort, og 127 som hvitt A=50, u=10, v=10 A=100, u=10, v=5 A=100, u=5, v=15 Merk: u og v er antall repetisjoner i bildet vertikalt og horisontalt 9 / 39

Eksempler: Sum av 2D sinfunksjoner + = + = Sum av to bilder med lik frekvens (og lik retning) gir nytt bilde med samme frekvens (og retning), jfr s. 7. 10 / 39

«Basis-bilder» Sort er 0, hvit er 1. Ortogonal basis for alle 4x4 gråtonebilder. Eksempel: 1 3 2 1 5 4 5 3 4 1 1 2 2 3 2 6 = 1* + 3* +.+ 6* 11 / 39

Alternativ basis Bildene med frekvensene u = 0,1,,N-1 v = 0,1,,N-1 Alle digitale gråtonebilder av størrelse NxN kan representeres ved en vektet summasjon av disse NxN sinus- og cosinus-bildene (basisbilder/basisvektorer) Denne basisen er også ortogonal, sett bort i fra duplikat-komponentene grunnet symmetriene og antisymmetriene til cos og sin (noe vi kommer til om litt) Ved ikke-kvadratiske bilder: cos(2π(ux/m+vy/n)) sin(-2π(ux/m+vy/n)) 12 / 39

Basisbilder - cosinus v u til v = N-1.. til u = N-1 I illustrasjonen indikerer sort -1 og hvitt 1 13 / 39

Basisbilder - sinus v u til v = N-1.. til u = N-1 I illustrasjonen indikerer sort -1 og hvitt 1 14 / 39

Hvordan finne bidraget fra et gitt basisbilde? Vanlig basis med bare 0-ere og ett piksel lik 1. sum ( sum ( x ) x ) 255 (bakre del av bilen) Bidraget finnes altså ved indreproduktet mellom bildet og basisbildet 15 / 39

Symmetri i basisbildene cosinus v= 0 u= 0 1 2 3 4. N-5 N-4 N-3 N-2 N-1 sinus v= 0 u= 0 1 2 3 4. N-5 N-4 N-3 N-2 (antisymmetri i sinus-bildene) 16 / 39 N-1

Eksempel (symmetri) Logaritmen til absoluttverdien til cosinus-bidragene Logaritmen til absoluttverdien til sinus-bidragene Første linjen i sinus-bidragene 17 / 39

Finne fase og amplitude La R inneholde cosinus-bidragene og I inneholde sinus-bidragene. Fasen til sinfunksjonen med frekvens u,v: Φ Amplituden til sinfunksjonen med frekvens u,v: Husk fra s. 7: (A, Φ, θ) <=> (A1, A2,θ) 18 / 39

Eksempel: Amplitude og fase (Log av) amplituden eller spekteret Forteller noe om hvilke frekvenser bildet inneholder (u,v) - fasen Visuelt ser fasebildet ut som støy, men fasen inneholder viktig informasjon 19 / 39

Resultat som komplekst tall Letter håndtering ved å representere resultatet som et komplekst tall: cosinus-bidragene i realdelen og sinusbidragene i imaginærdelen La F beskrive bildet i den nye basisen F(u,v) = R(u,v) + ji(u,v), j 1 Amplitude og fase kommer da ut som modulus og argument (lengde og vinkel i komplekse planet) 20 / 39

2D diskret Fouriertransform (DFT) Husk at ejθ = cos(θ) + j sin(θ), slik at vi ender opp sin/cos-basisen vi er vant med: Den inverse transformen: 21 / 39

Egenskaper ved 2D DFT F(u,v) er periodisk: F(u,v) = F(u+N,v) = F(u,v+N) = F(u+N,v+N) Skal inverstranformen holde, må vi anta at bildet er periodisk: f(x,y) = f(x+n,y) = f(x,y+n) = f(x+n,y+n) Konjugert symmetri: Hvis f(x,y) er reell, er F(u,v) = conj( F(-u,-v) ) Altså er F(u,v) = F(-u,-v) Om ikke annet er oppgitt, antar vi at N=M for enklere notasjon 22 / 39

Egenskaper ved 2D DFT, forts F(0,0) er proporsjonal med middelverdien i bildet Shift-teoremet: f(x-x0,y-y0) F(u,v) e-j2 (ux0+vy0)/n 2D DFT er separabelt i to 1D DFT Absolutt nødvendig (sammen med FFT) for å beregningsmessig kunne transformere bilder av en viss størrelse 23 / 39

Framvisning av amplitudespekteret Siden F(u,v) er periodisk med periode N, er det vanlig å forskyve spekteret slik at origo (u=v=0) ligger midt i bildet Bytte kvadranter eller pre-multiplisere f(x,y) med (-1)x+y f(x,y) f(x,y): bildedomenet 2011.03.08 F(u,v) F(u,v): frekvensdomenet F(u,v) kalles spekteret til f(x,y) (amplitudespekteret) ( Powerspekteret : F(u,v) 2) 24 / 39

Forts. framvisning av spektere Skalering av verdier: Ofte stor dynamikk i F(u,v) (kan ha høye verdier) Vanlig å benytte logaritmisk skala g(u,v)=c* log( F(u,v) ), der C velges slik at man får gråtoner i mellom for eksempel 0 og 255 (8 bit) 25 / 39

Eksempler <- spekter Her: hvitt=0 26 / 39

Eksempel skrå frekvens 27 / 39

Eksempel - diskontinuitet Ved å repetere bildet, ser vi tydelig kanter: 28 / 39

Eksempel diskontinuitet II 29 / 39

Eksempel - vanlige objektformer 30 / 39

Eksempel vanlig bilde 31 / 39

Eksempel - retningsdominant 32 / 39

Eksempel - smal båndbredde Lav oppløsning, lite detaljer Så å si all «energien» er i dette smale området/båndet (både vertikalt og horisontalt) 33 / 39

Noen observasjoner Vanligvis størst bidrag/mest energi i spekteret for lave verdier av u,v Bidrag langs u- og v-aksen fordi bildet er implisitt periodisk og vi har diskontinuiteter langs kantene Linjestrukturer i gitt retning i bildedomenet har linjestruktur normalt på retningen i Fourierdomenet 34 / 39

.. og noen observasjoner til Skarp kant: Tilsvarer sum av mange sinusfunksjoner Mange Fourier-koeffisienter er 0 Bredt bånd i Fourier-domenet Bilde Blurret kant: Fourierspekter Tilsvarer færre sinusoider Smalere bånd i Fourier-domenet Tommelfingerregler: Smal struktur i bildedomenet : Bred struktur i Fourierdomenet Bred struktur i bildedomenet: Smal struktur i Fourier-domenet Linjestruktur i retning i bildedomenet: Linjestruktur i retning ±90 (normalt på) i Fourier-domenet 35 / 39

Intuisjonsbygging rundt smal struktur i bildedomenet -> bred struktur i Fourier-domenet, og omvendt Høyt utslag/indreprodukt på alle tre frekvensene Høyt utslag/indreprodukt kun på laveste frekvens 36 / 39

Implementasjon av DFT Beregning av F(u,v) for én u,v: O(N2) Beregning for hele bildet: N N F(u,v): O(N4) Finnes en algoritme for rask beregning, 2D FFT (Fast Fouriertransform) Benytter at Fourier-transformen er separabel i to 1D transformer Bruker bilder (eller delbilder) med størrelse 2k (k er heltall) Har orden O(N2 log2 N) 37 / 39

Fourier-transform i Matlab/Octave F = fft2(f); % Gjør en 2D DFT-transform f = ifft2(f); %.. og den inverse transformen F_r = real(f); % Realdelen, altså cosinus-basis-bidragene F_i = imag(f); % Imaginærdelen, altså sinus-basis-bidragene F_s = abs(f); % Fourier-spekteret F_p = angle(f); % Fasen F_r(u+1,v+1); % Gir cosinus-bidragene for frekvens u,v F_r(1,1); % Gir DC-komponenten fftshift og ifftshift: Flytter kvadranter slik at nullfrekvensen er i midten av bildet, samt omvendt imagesc( fftshift(log(f_s)), [0 max(log(f_s(:))] ); % Her: Viser alle verdier <1 som sort 38 / 39

Oppsummering Sinus-funksjoner frekvens/periode, amplitude og fase dekomponere Asin(θ+Φ) i sin- og cos-komponent 1D og 2D Diskret Fourier-transform bildet beskrevet med cos/sin-basisbilder kompleks representasjon cos- og sin-ledd som reell- og imaginær-komponent implisitt periodisitet utslag i diskontinuitet -> ekstra frekvenser fremvisning av spekteret F(u,v) tommelfingerregler 39 / 39