基于Matlab的數(shù)字圖像離散傅里葉變換及應(yīng)用

趙宇杰 石海麗 趙彥敏 高楠 蘭州城市學院電子與信息工程學院

1 緒論

圖像是人們獲取信息的主要形式之一，要對圖像進行有效和快速的處理和分析，可采用空間變換、傅里葉變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，能夠減少計算量、提高效率。本文闡述了數(shù)字圖像的離散傅里葉變換的基本原理，并用Matlab來實現(xiàn)數(shù)字圖像的頻域正變換、低通或高通濾波和頻域逆變換。

2 數(shù)字圖像的離散傅里葉變換及應(yīng)用

2.1 原理

利用離散傅里葉變換（DFT），對數(shù)字圖像的信號實現(xiàn)從空間域到頻率域的變換，使數(shù)字信號處理中常用的頻域處理技術(shù)能夠直接應(yīng)用于數(shù)字圖像的處理，能夠大大拓展圖像處理的思想和方法。假設(shè)表示一幅經(jīng)過均勻采樣并進行灰度量化后的M行N列的二維數(shù)字圖像的離散函數(shù)（即灰度分布函數(shù)），其DFT定義為

其反變換為

2.2 應(yīng)用實例

以提高圖像清晰度、改善圖像視覺效果為目的的圖像增強技術(shù)，能夠使圖像轉(zhuǎn)化成一種更適合人工觀察或機器分析的形式[2]。圖像增強技術(shù)有兩類方法：空間域法和頻率域法?？臻g域法是在空間域中對數(shù)字圖像的像素灰度值直接進行運算處理；而頻率域法是在數(shù)字圖像先進行某種變換域，再對變換值進行運算。本文中采用頻率域法，先對圖像進行DFT，再對圖像頻譜進行濾波，然后將濾波后的變換值反變換到空間域，最終得到被增強的圖像。

巴特沃思低通濾波器的低通效果比較理想[3]。下面是采用巴特沃思低通濾波器進行圖像增強的實例，依次使用Matlab的imread、rgb2gray、double、fft2、ifft2等進行圖像數(shù)據(jù)讀取并將其轉(zhuǎn)換成灰度圖像、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、FFT正變換、濾波和反變換得到圖1所示的結(jié)果。若原圖像的灰度為突變狀態(tài)，則經(jīng)過FFT正變換后在頻域中得到高頻分量；若灰度的變化比較平緩，經(jīng)過FFT正變換后在頻域中得到低頻分量[4]。原圖像中的老人臉上布滿皺紋，增強后的圖像中皺紋不再明顯。從一幅尖銳的原始圖像產(chǎn)生平滑、柔和的外觀，這就是圖像平滑的過程，但此時圖像的邊緣清晰度可能會降低，圖像變模糊的實質(zhì)是高頻分量被衰減。

圖1 采用低通濾波的變換效果

上面的實例通過衰減DFT的高頻成分使圖像變模糊。對低通濾波進行“反操作”（即高通濾波）的過程，能夠使圖像銳化化，突出圖像的邊緣信息，是原其圖像輪廓特征得到，這種處理與圖像平滑正好相反。由于高通濾波可以增強圖像的邊緣和輪廓，可視為一種特殊的圖像增強操作[5]。下面為采用巴特沃思高通濾波器進行圖像增強的實例，處理效果如圖2所示。圖像中的汽車、樹木和房屋經(jīng)過處理濾去了低頻分量后只顯示原圖像的邊緣信息，突出了整體輪廓。

圖2 采用高通濾波的變換效果

從上述圖示效果來看，DFT的物理意義是將圖像的灰度分布函數(shù)變換為頻率分布函數(shù)，而反變換是將圖像的頻率分布函數(shù)變換為灰度分布函數(shù)，低通濾波和高通濾波在正變換和反變換之間作用于圖像灰度值，實質(zhì)上是作用于圖像的頻率。

3 結(jié)論

通過分析上述兩次圖像處理的效果，可以看出數(shù)字圖像的灰度反映了圖像頻率，灰度突變對應(yīng)于高頻分量，而灰度變化緩慢對應(yīng)于低頻分量。低通濾波能夠削弱圖像的高頻分量，平滑了圖像信號，同時有可能使區(qū)域邊界變模糊；而高通濾波通過增強高頻成分來減少模糊，會使模糊的邊緣部分得到增強。這就是用DFT進行圖像平滑和邊緣提取的依據(jù)。

[1]趙小川，何灝，繆遠誠.MATLAB數(shù)字圖像處理實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013：42-75.

[2]徐獻靈，林弈水.Matlab在圖像處理中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計算機，2008，283：66-69.

[3]郝強，趙何明，張毅.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)與應(yīng)用[J].河北農(nóng)機，2014，（11）：44-46.

[4]王斌.MATLAB實現(xiàn)數(shù)字圖像增強處理[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2005，23（1）：31-34.

[5]于殿泓.圖像檢測與處理技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學出版社，2006：110-123.