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

Like dokumenter
INF mars 2017 Diskret Fouriertransform del II

Basisbilder - cosinus v Bildene

Eksempel: Ideelt lavpassfilter

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

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

Repetisjon: Standardbasis

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

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Utkast med løsningshint inkludert UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamen Løsningsforslag

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

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

UNIVERSITETET I OSLO

Prøve- EKSAMEN med løsningsforslag

Frevensanalyse av signaler (del 2) og filtrering av bilder

3UDNWLVN DQYHQGHOVH DY ')7

Uke 10: Diskret Fourier Transform, II

Uke 12: FIR-filter design

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

INF2310 Digital bildebehandling

UNIVERSITETET I OSLO

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

Filter-egenskaper INF Fritz Albregtsen

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

Uke 12: FIR-filter design

Filtrering i Frekvensdomenet III

TMA Kræsjkurs i Matlab. Oppgavesett 3 Versjon 1.2

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

STE6146 Signalbehandling .RQWLQXHUOLJH ILOWUH

Oppgave 3c Konvolusjonsteoremet: f Λ g, F G og f g, F Λ G F rste del sier at konvolusjon i det romlige domenet (f Λ g) er det samme som pixelvis multi

UNIVERSITETET I OSLO

Filtrering i Frekvensdomenet II

Repetisjon: LTI-systemer

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

UNIVERSITETET I OSLO

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

STE 6146 Digital signalbehandling. Løsningsforslag til eksamen avholdt

Fourier-Transformasjoner IV

Repetisjon. Jo Inge Buskenes. INF3470/4470, høst Institutt for informatikk, Universitetet i Oslo

Repetisjon. Jo Inge Buskenes. INF3470/4470, høst Institutt for informatikk, Universitetet i Oslo

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO. Dette er et løsningsforslag

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

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

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

Bildetransformer Lars Aurdal

UNIVERSITETET I OSLO

INF Stikkord over pensum til midtveis 2017 Kristine Baluka Hein

pdf

Obligatorisk oppgave 2 INF2310 Våren 2018

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

Fourier-Transformasjoner

FFT. Prosessering i frekvensdomenet. Digital signalprosessering Øyvind Brandtsegg

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

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Lokale operasjoner. Omgivelser/naboskap/vindu. Bruksområder - filtrering. INF 2310 Digital bildebehandling FILTRERING I BILDE-DOMÈNET I

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Generell informasjon om faget er tilgjengelig fra It s learning.

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Obligatorisk oppgave 2

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

TMA Matlab Oppgavesett 2

TMA Kræsjkurs i Matlab. Oppgavesett 2/3

Filtrering. Konvolusjon. Konvolusjon. INF2310 Digital bildebehandling FORELESNING 6 FILTRERING I BILDEDOMENET I

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

UNIVERSITETET I OSLO

INF2310 Digital bildebehandling

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

LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMEN STE 6219 Digital signalbehandling

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

Tidsdomene analyse (kap 3 del 2)

INF2310 Digital bildebehandling

A taxonomy of texture models

Konvolusjon og filtrering og frevensanalyse av signaler

UNIVERSITETET I OSLO

SPEKTALANALYSATORER. Fig. 1 Illustrasjon av sammenhengen tidsfunksjon - frekvensspektrum

UNIVERSITETET I OSLO

Fasit, Eksamen. INF3440/4440 Signalbehandling 9. desember c 0 + c 1z 1 + c 2z 2. G(z) = 1/d 0 + d 1z 1 + d 2z 2

INF2310 Digital bildebehandling

INF2310 Digital bildebehandling

UNIVERSITETET I OSLO

Forelesening INF / Spektre - Fourier analyse

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript:

INF 30 0. april 00 Fouriertransform del II Kjapp repetisjon Bruk av vinduer Konvolusjonsteoremet Filtre og filtrering i frekvensdomenet Eksempel: 3 5 4 5 3 4 3 6 Repetisjon Basis-bilder Sort er 0, hvit er. Ortogonal basis for alle 4x4 gråtonebilder. = * + 3* +.+ 6* Bildene ux vy cos( ) N Alternativ basis ux vy sin( ) N v u Basisbilder - cosinus med frekvensene u = 0,,,N- v = 0,,,N- til u = N- Alle digitale bilder av størrelse NxN kan representeres ved vektet summasjon av disse NxN sinus- og cosinus-bildene (basisbilder/basisvektorer) Ved ikke-kvadratiske bilder: cos(π(ux/m+vy/n)) sin(-π(ux/m+vy/n)) 3.. til v = N- 4

v u Basisbilder - sinus D diskret Fouriertransform (DFT) F( M N x0 y0 e j ( ux / M vy / N ) til u = N- Husk at e jθ = cos(θ) + j sin(θ), slik at vi ender opp sin/cos-basisen i vi er vant med: F( M N x0 y0 ) y cos ( ux/ M vy / N) j sin ( ux / M vy / N).. til v = N- Den inverse transformen: N MN N u0 v0 F( e ( uxv j N 5 6 Litt repetisjon om DFT Fouriertransformen F( er periodisk: F(=F(u+kN,v+kN), k heltall Bildet f(x, implisitt periodisk: f(x,=f(x+kn,y+kn) Amplitudespekteret er gitt ved F( Konjugert symmetri: Hvis f(x, er reell, er F(= * F(-- og altså F( = F(-- Ofte forskyver spekteret med N/ for å få origo (u=v=0) midt i bildet D DFT er separabelt i to D DFT Bruk av vindusfunksjoner Må se på bildet som periodisk Det oppstår diskontinuiteter i kantene av bildet Dette gir kunstige bidrag på aksene i spekteret For å begrense slike høyfrekvente bidrag kan man bruke en vindusfunksjon og vekte dataene før DFT beregnes Vindusfunksjonene modifiserer pikselverdiene slik at de går mot null i enden av sekvensene Lag f w (x,=f(x,w(x, Ta DFT av f w (x, Bildet kan være en liten del av et større bilde, jfr egenskapsuttrekning Shift-teoremet: f(x-x 0,y-y 0 )F( e -j(ux0+vy0)/n 7 8

Vindusfunksjoner window function apodization tapering Eksempel: Hamming-vindu. Matlab: h = hamming(n); w = h*h ; fw = w.* f; Effekten av vinduer Hvis vi bruker vindusfunksjon til å redusere effekten av bildekantene i spekteret gjør vi f w (x,=f(x,w(x, før FFT Dette gjør at bidragene langs aksene i Fourier-spekteret reduseres, men vi påvirker også andre frekvenser i bildet Effekten av en multiplikasjon i bildedomenet er en konvolusjon i frekvensdomenet (konvolusjonsteoremet) Multiplikasjon med en bred klokkefunksjon i bildedomenet er ekvivalent med en konvolusjon av en smal klokkefunksjon i frekvensdomenet Bruk av vindusfunksjon gir en blurring av spekteret 9 0 Eksempel, bruk av vindufunksjon Konvolusjonsteoremet x = h( x, F( H ( DFT DFT Konvolusjon i bildedomenet Multiplikasjon i frekvensdomenet Det motsatte gjelder også: h( x, F( H ( Multiplikasjon i bildedomenet Konvolusjon i frekvensdomenet 3

Konvolusjonsteoremet D Fourier-transformen til et filter h gir oss innblikk i frekvensresponsen til filteret Kan designe filter i både frekvensdomenet og bildedomenet Begge kan implementeres som konvolusjon i bildedomenet, eller som multiplikasjon i frekvensdomenet Sirkelkonvolusjon F og H må ha samme størrelse: Nullutvide Sirkelkonvolusjon (Kopi fra dsprelated.com) 3 4 Eksempel: Middelverdifilteret Design i romlige domenet og filtrering i frekvensdomenet nullutvide (I)DFT Har en filterkjerne og vil implementere filtreringen i frekvensdomenet: * x (I)DFT = =. Beregn DFT av bildet. Beregn DFT av filterkjernen (med evt nullutvidelse) 3. Multipliser de to transformerte leddene 4. Transformer resultatet tilbake til bildedomenet vha. invers DFT (IDFT) (I)DFT Husk at filteret og bildet må ha samme størrelse (nullutvide filterkjernen) 5 6 4

Når er filtrering raskest i frekvensdomenet? f(x, har dimensjon NN, filterkjerne nn Filtrering i bildedomenet krever N n multiplikasjoner og tilsvarende addisjoner Filtrering i frekvensdomenet: FFT av bildet og filterkjernen: * O(N log N) Multiplikasjon i frekvensdomenet: N multiplikasjoner Inverstransform av resultatet : O(N log N) Filtrering i frekvensdomenet raskere når filteret er stort ( n >> log N ) Filterdesign i frekvensdomenet Lavpassfiltre Slipper bare gjennom lave frekvenser (mindre enn en grense D 0 som kalles filterets cut-off frekvens) D 0 oppgis ofte som et tall mellom 0 og ; da menes en cut-off = D 0 N/ Enkelt (også kalt ideelt) lavpassfilter:, D ( v ) D0 H ( 0, D( D0 D( ( u N / ) ( v N / ) (Ordet ideelt kommer fra om H( var enten 0 eller for alle mulige frekvenser u og v, ikke kun 0,,..N-. Dette er et urealiserbart filter, da filterkjernestørrelsen da vil gå mot uendelig) 7 8 Romlig representasjon av ideelt lavpassfilter Eksempler - ideell lavpass IDFT Original D 0 =0. D 0 =0.3 (trunkert sinc-funksjon) Vi får en ringing-effekt i bildet Husk tommelfingerregel om utstrekning i fourier- og bilde-domenet 9 Se på bildene i god nok oppløsning (du skal se stripe/ringing-effekter i de to til høyre). 0 5

Matlab-eksempel: Ideelt lavpassfilter im = double(imread(.. )); H = zeros(m,n); for i=:m for j=:n if sqrt( (i-m/)^ + (j-n/)^ ) < N/*r0 H(i,j) = ; end end end IM = fftshift( fft(im) ); im_filt = ifft( ifftshift( IM.*H ) ); imagesc( real( im_filt) ); Butterworth lavpassfilter Vindusfunksjoner brukes til å redusere ringingeffekten Butterworth lavpassfilter av orden n: H ( D( / D n 0 Her vil D 0 beskrive punktet der H( har falt til halvparten av sin maksimumsverdi Lav filterorden (n liten): H( faller langsomt: Lite ringing Høy filterorden (n stor): H( faller raskt: Mer ringing Andre filtre kan også brukes, f.eks. Gaussisk, Bartlett, Blackman, Hamming, Hanning Eksempler Butterworth-lavpass D 0 =0. 0 n= n=4 n=6 3 4 6

Høypassfiltrering Båndpass og båndstoppfiltere Ideellt høypassfilter: 0, H (, D( D, 0 D( D. 0 Båndpassfilter: Slipper gjennom kun energien i et bestemt frekvensbånd <D low,d high > (eller <D 0 -,D 0 + >) Båndstoppfilter: Fjerner energi i et bestemt frekvensbånd <D low,d high > Butterworth th høypassfilter: (, ) H u v D D u v n 0 / (, ) Butterworth båndstoppfilter: (, ) D( D0 D( H s u v n Butterworth båndpassfilter: H ( H ( p s 5 6 Frekvensrespons til noen vanlige filtre /9 /5 * x /6 4 7 8 7

Prewitt-filteret 0-0 - 0-0 - * x 0-0 - 0 - = = - - - - - 0-0 - 0 - - - - 9 30 Korrelasjonsteoremet * h( x, F( H ( Korrelasjon i bildedomenet Multiplikasjon (med F * () i frekvensdomenet Med F( * menes den kompleks-konjugerte konjugerte til F( Det motsatte gjelder også: * h( x, F( H ( Brukes f.eks. til templatmatching Vindusfunksjoner Oppsummering Konvolusjonsteoremet: Konvolusjon i bildedomenet er ekvivalent med multiplikasjon i frekvensdomenet, og omvendt Filtrering kan gjøres i frekvensdomenet Design av filtre i frekvensdomenet Lavpass, høypass, båndpass, båndstopp Analyse av frekvensresponsen til konvolusjonsfiltre 3 3 8