UA OPTI512R 傅立叶光学导论15 2-D Fourier变换与Hankel变换
UA OPTI512R 傅立叶光学导论15 2-D Fourier变换与Hankel变换
- 2-D Fourier变换的定义
- 2-D Fourier变换的性质
- 极坐标系中的2-D Fourier变换
- Hankel变换
2-D Fourier变换的定义
定义 2-D Fourier变换
F
(
ξ
,
η
)
=
F
[
f
(
x
,
y
)
]
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
,
y
)
e
−
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
x
d
y
F(\xi,\eta)=\mathcal{F}[f(x,y)]=\int_{-\infty}^{+\infty} f(x,y)e^{-j 2 \pi (\xi x+\eta y)}dxdy
F(ξ,η)=F[f(x,y)]=∫−∞+∞f(x,y)e−j2π(ξx+ηy)dxdy
2-D Fourier逆变换
f
(
x
,
y
)
=
F
−
1
[
F
(
ξ
,
η
)
]
=
∫
−
∞
+
∞
F
(
ξ
,
η
)
e
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
ξ
d
η
f(x,y)=\mathcal{F}^{-1}[F(\xi,\eta)]=\int_{-\infty}^{+\infty} F(\xi , \eta)e^{j 2 \pi (\xi x+\eta y)}d\xi d \eta
f(x,y)=F−1[F(ξ,η)]=∫−∞+∞F(ξ,η)ej2π(ξx+ηy)dξdη
这个定义要推广到
N
N
N维也是很容易的,
F
(
ξ
⃗
)
=
F
[
f
(
x
⃗
)
]
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
⃗
)
e
−
j
2
π
ξ
⃗
⋅
x
⃗
d
x
⃗
f
(
x
⃗
)
=
F
−
1
[
F
(
ξ
⃗
)
]
=
∫
−
∞
+
∞
F
(
ξ
⃗
)
e
j
2
π
ξ
⃗
⋅
x
⃗
d
ξ
⃗
F(\vec \xi)=\mathcal{F}[f(\vec x)]=\int_{-\infty}^{+\infty} f(\vec x)e^{-j 2 \pi \vec \xi \cdot \vec x}d\vec x \\ f(\vec x)=\mathcal{F}^{-1}[F(\vec \xi)]=\int_{-\infty}^{+\infty} F(\vec \xi)e^{j 2 \pi \vec \xi \cdot \vec x}d\vec \xi
F(ξ)=F[f(x)]=∫−∞+∞f(x)e−j2πξ⋅xdxf(x)=F−1[F(ξ)]=∫−∞+∞F(ξ)ej2πξ⋅xdξ
例1 可分函数(separable function):
f
(
x
,
y
)
=
g
(
x
)
h
(
y
)
f(x,y)=g(x)h(y)
f(x,y)=g(x)h(y)
它的Fourier变换为
F
(
ξ
,
η
)
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
,
y
)
e
−
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
x
d
y
=
∫
−
∞
+
∞
g
(
x
)
h
(
y
)
e
−
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
x
d
y
=
(
∫
−
∞
+
∞
g
(
x
)
e
−
j
2
π
ξ
x
d
x
)
(
∫
−
∞
+
∞
h
(
y
)
e
−
j
2
π
η
y
d
y
)
=
F
[
g
(
x
)
]
F
[
h
(
y
)
]
\begin{aligned} F(\xi,\eta) & =\int_{-\infty}^{+\infty} f(x,y)e^{-j 2 \pi (\xi x+\eta y)}dxdy \\ & = \int_{-\infty}^{+\infty} g(x)h(y)e^{-j 2 \pi (\xi x+\eta y)}dxdy \\ & = \left( \int_{-\infty}^{+\infty} g(x)e^{-j 2 \pi \xi x}dx \right) \left( \int_{-\infty}^{+\infty} h(y)e^{-j 2 \pi \eta y}dy \right) \\ & = \mathcal{F}[g(x)]\mathcal{F}[h(y)]\end{aligned}
F(ξ,η)=∫−∞+∞f(x,y)e−j2π(ξx+ηy)dxdy=∫−∞+∞g(x)h(y)e−j2π(ξx+ηy)dxdy=(∫−∞+∞g(x)e−j2πξxdx)(∫−∞+∞h(y)e−j2πηydy)=F[g(x)]F[h(y)]
对于一般函数,
F
(
ξ
,
η
)
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
,
y
)
e
−
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
x
d
y
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
,
y
)
e
−
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
x
d
y
=
∫
−
∞
+
∞
(
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
,
y
)
e
−
j
2
π
ξ
x
d
x
)
e
−
j
2
π
η
y
d
y
=
F
y
[
F
x
[
f
(
x
,
y
)
]
]
\begin{aligned} F(\xi,\eta) & =\int_{-\infty}^{+\infty} f(x,y)e^{-j 2 \pi (\xi x+\eta y)}dxdy \\ & = \int_{-\infty}^{+\infty} f(x,y)e^{-j 2 \pi (\xi x+\eta y)}dxdy \\ & = \int_{-\infty}^{+\infty}\left( \int_{-\infty}^{+\infty} f(x,y)e^{-j 2 \pi \xi x}dx \right) e^{-j 2 \pi \eta y}dy \\ & = \mathcal{F}_y[\mathcal{F}_x[f(x,y)]]\end{aligned}
F(ξ,η)=∫−∞+∞f(x,y)e−j2π(ξx+ηy)dxdy=∫−∞+∞f(x,y)e−j2π(ξx+ηy)dxdy=∫−∞+∞(∫−∞+∞f(x,y)e−j2πξxdx)e−j2πηydy=Fy[Fx[f(x,y)]]
也就是说多元函数的Fourier变换是可以序贯地对每个变量做Fourier变换的。
2-D Fourier变换的性质
性质 | 原函数 | Fourier变换 |
---|---|---|
Scaling | f ( a x , b y ) f(ax,by) f(ax,by) | 1 a b F ( ξ / a , η / b ) , a b > 0 ; − 1 a b F ( ξ / a , η / b ) , a b < 0 \frac{1}{ab}F(\xi/a,\eta/b),ab>0; -\frac{1}{ab}F(\xi/a,\eta/b),ab<0 ab1F(ξ/a,η/b),ab>0;−ab1F(ξ/a,η/b),ab<0 |
Shifting | f ( x − x 0 , y − y 0 ) f(x-x_0,y-y_0) f(x−x0,y−y0) | e − j 2 π ( ξ x 0 + η y 0 ) F ( ξ , η ) e^{-j2 \pi (\xi x_0+\eta y_0)}F(\xi ,\eta) e−j2π(ξx0+ηy0)F(ξ,η) |
卷积定理 | f ( x , y ) ∗ h ( x , y ) f(x,y)*h(x,y) f(x,y)∗h(x,y) | F ( ξ , η ) H ( ξ , η ) F(\xi,\eta)H(\xi,\eta) F(ξ,η)H(ξ,η) |
卷积定理(频域) | F ( ξ , η ) ∗ H ( ξ , η ) F(\xi,\eta)*H(\xi,\eta) F(ξ,η)∗H(ξ,η) | f ( x , y ) h ( x , y ) f(x,y)h(x,y) f(x,y)h(x,y) |
其中2-D卷积的定义是
f
(
x
,
y
)
∗
h
(
x
,
y
)
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
α
,
β
)
h
(
x
−
α
,
y
−
β
)
d
α
d
β
f(x,y)*h(x,y)=\int_{-\infty}^{+\infty} f(\alpha,\beta)h(x-\alpha,y-\beta)d \alpha d \beta
f(x,y)∗h(x,y)=∫−∞+∞f(α,β)h(x−α,y−β)dαdβ
极坐标系中的2-D Fourier变换
从定义出发,用二重积分的换元公式得到极坐标系中的2-D Fourier变换,
F
(
ξ
,
η
)
=
F
[
f
(
x
,
y
)
]
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
,
y
)
e
−
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
x
d
y
F(\xi,\eta)=\mathcal{F}[f(x,y)]=\int_{-\infty}^{+\infty} f(x,y)e^{-j 2 \pi (\xi x+\eta y)}dxdy
F(ξ,η)=F[f(x,y)]=∫−∞+∞f(x,y)e−j2π(ξx+ηy)dxdy
将
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)变换到极坐标
(
r
,
θ
)
(r,\theta)
(r,θ)中,将
(
ξ
,
η
)
(\xi,\eta)
(ξ,η)变换到极坐标
(
ρ
,
ϕ
)
(\rho,\phi)
(ρ,ϕ)中,即
{
x
=
r
cos
θ
y
=
r
sin
θ
,
{
ξ
=
ρ
cos
ϕ
η
=
ρ
sin
ϕ
\begin{cases} x = r \cos \theta \\ y = r \sin \theta \end{cases},\begin{cases} \xi = \rho \cos \phi \\ \eta = \rho \sin \phi \end{cases}
{x=rcosθy=rsinθ,{ξ=ρcosϕη=ρsinϕ
所以
x
ξ
+
y
η
=
r
ρ
(
cos
θ
cos
ϕ
+
sin
θ
sin
ϕ
)
=
r
ρ
cos
(
θ
−
ϕ
)
x \xi + y \eta = r \rho(\cos \theta \cos \phi + \sin \theta \sin \phi) = r \rho \cos(\theta -\phi)
xξ+yη=rρ(cosθcosϕ+sinθsinϕ)=rρcos(θ−ϕ)
Jacobian为
∣
∂
x
∂
r
∂
x
∂
θ
∂
y
∂
r
∂
y
∂
θ
∣
=
∣
cos
θ
r
sin
θ
sin
θ
−
r
cos
θ
∣
=
−
r
\left| \begin{matrix} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \theta} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \theta} \end{matrix} \right|=\left| \begin{matrix} \cos \theta & r \sin \theta \\ \sin \theta& -r \cos \theta\end{matrix} \right|=-r
∣∣∣∣∂r∂x∂r∂y∂θ∂x∂θ∂y∣∣∣∣=∣∣∣∣cosθsinθrsinθ−rcosθ∣∣∣∣=−r
因此,对
f
(
x
,
y
)
=
f
(
x
(
r
,
θ
)
,
y
(
r
,
θ
)
)
f(x,y)=f(x(r,\theta),y(r,\theta))
f(x,y)=f(x(r,θ),y(r,θ))根据积分换元公式
F
(
ρ
,
ϕ
)
=
∫
−
∞
+
∞
f
(
x
,
y
)
e
−
j
2
π
(
ξ
x
+
η
y
)
d
x
d
y
=
∫
0
2
π
∫
0
+
∞
r
f
(
r
,
θ
)
e
−
j
2
π
r
ρ
cos
(
θ
−
ϕ
)
d
r
d
θ
\begin{aligned} F(\rho,\phi)&=\int_{-\infty}^{+\infty} f(x,y)e^{-j 2 \pi (\xi x+\eta y)}dxdy \\ & =\int_0^{2\pi} \int_{0}^{+\infty} rf(r,\theta)e^{-j 2 \pi r \rho \cos(\theta - \phi)}dr d \theta \end{aligned}
F(ρ,ϕ)=∫−∞+∞f(x,y)e−j2π(ξx+ηy)dxdy=∫02π∫0+∞rf(r,θ)e−j2πrρcos(θ−ϕ)drdθ
这就是极坐标中的函数 f ( r , θ ) f(r,\theta) f(r,θ)的Fourier变换公式。
Hankel变换
对于任意极坐标系中的函数
f
(
r
,
θ
)
f(r,\theta)
f(r,θ),它可以展开为
f
(
r
,
θ
)
=
∑
k
=
−
∞
+
∞
f
k
(
r
)
e
j
k
θ
f(r,\theta)=\sum_{k=-\infty}^{+\infty} f_k(r)e^{jk\theta}
f(r,θ)=k=−∞∑+∞fk(r)ejkθ
它的Fourier变换为
F
(
ρ
,
ϕ
)
=
∫
0
2
π
∫
0
+
∞
r
f
(
r
,
θ
)
e
−
j
2
π
r
ρ
cos
(
θ
−
ϕ
)
d
r
d
θ
=
2
π
∑
k
=
−
∞
+
∞
(
−
j
)
k
e
j
k
ϕ
H
k
[
f
k
(
r
)
]
\begin{aligned} F(\rho,\phi)&=\int_0^{2\pi} \int_{0}^{+\infty} rf(r,\theta)e^{-j 2 \pi r \rho \cos(\theta - \phi)}dr d \theta \\ & =2\pi \sum_{k=-\infty}^{+\infty} (-j)^k e^{jk\phi} \mathcal{H}_k[f_k(r)]\end{aligned}
F(ρ,ϕ)=∫02π∫0+∞rf(r,θ)e−j2πrρcos(θ−ϕ)drdθ=2πk=−∞∑+∞(−j)kejkϕHk[fk(r)]
假设
f
(
r
,
θ
)
f(r,\theta)
f(r,θ)是极坐标系中的可分函数,即
f
(
r
,
θ
)
=
f
R
(
r
)
f
Θ
(
θ
)
f(r,\theta)=f_R(r)f_{\Theta}(\theta)
f(r,θ)=fR(r)fΘ(θ)
则它的展开式中
f
k
=
f
R
f_k=f_R
fk=fR,Fourier变换为
F
(
ρ
,
ϕ
)
=
∑
k
=
−
∞
+
∞
c
k
(
−
j
)
k
e
j
k
ϕ
H
k
[
f
R
(
r
)
]
\begin{aligned} F(\rho,\phi) & = \sum_{k=-\infty}^{+\infty} c_k (-j)^k e^{jk\phi} \mathcal{H}_k[f_R(r)]\end{aligned}
F(ρ,ϕ)=k=−∞∑+∞ck(−j)kejkϕHk[fR(r)]
这里
c
k
c_k
ck表示Fourier级数展开的系数,
c
k
=
1
2
π
∫
0
2
π
f
Θ
(
θ
)
e
−
j
k
θ
d
θ
c_k=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}f_{\Theta}(\theta)e^{-jk\theta}d \theta
ck=2π1∫02πfΘ(θ)e−jkθdθ
H
k
\mathcal{H}_k
Hk表示
k
k
k阶Hankel变换,
H
k
[
f
R
(
r
)
]
=
2
π
∫
0
+
∞
r
f
R
(
r
)
J
k
(
2
π
r
ρ
)
d
r
\mathcal{H}_k[f_R(r)]=2 \pi \int_0^{+\infty} r f_R(r)J_k(2 \pi r \rho) dr
Hk[fR(r)]=2π∫0+∞rfR(r)Jk(2πrρ)dr
其中 J k J_k Jk表示 k k k阶第一类Bessel函数。
例 Radially Symmetric Function
假设极坐标系中的可分函数满足
f
Θ
=
1
f_{\Theta}=1
fΘ=1,就称其为Radially Symmetric Function,它的Fourier变换为
F
(
ρ
,
ϕ
)
=
∫
0
2
π
∫
0
+
∞
r
f
(
r
,
θ
)
e
−
j
2
π
r
ρ
cos
(
θ
−
ϕ
)
d
r
d
θ
=
∫
0
2
π
∫
0
+
∞
r
f
R
(
r
)
e
−
j
2
π
r
ρ
cos
(
θ
−
ϕ
)
d
r
d
θ
\begin{aligned} F(\rho,\phi)&=\int_0^{2\pi} \int_{0}^{+\infty} rf(r,\theta)e^{-j 2 \pi r \rho \cos(\theta - \phi)}dr d \theta \\ & =\int_0^{2\pi} \int_{0}^{+\infty} rf_R(r)e^{-j 2 \pi r \rho \cos(\theta - \phi)}dr d \theta\end{aligned}
F(ρ,ϕ)=∫02π∫0+∞rf(r,θ)e−j2πrρcos(θ−ϕ)drdθ=∫02π∫0+∞rfR(r)e−j2πrρcos(θ−ϕ)drdθ
因为
J
0
(
2
π
r
ρ
)
=
1
2
π
∫
0
2
π
e
−
j
2
π
r
ρ
cos
(
θ
−
ϕ
)
d
θ
J_0(2 \pi r\rho )=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} e^{-j 2 \pi r \rho \cos(\theta - \phi)} d \theta
J0(2πrρ)=2π1∫02πe−j2πrρcos(θ−ϕ)dθ
用Fubini定理,
F
(
ρ
,
ϕ
)
=
F
(
ρ
)
=
2
π
∫
0
+
∞
r
f
R
(
r
)
J
0
(
2
π
r
ρ
)
d
r
F(\rho,\phi)=F(\rho)=2 \pi \int_0^{+\infty}r f_R(r) J_0(2 \pi r \rho)d r
F(ρ,ϕ)=F(ρ)=2π∫0+∞rfR(r)J0(2πrρ)dr
这个变换为0阶Hankel变换,也被称为Fourier-Bessel变换,它的逆变换为
f
R
(
r
)
=
2
π
∫
0
+
∞
ρ
F
(
ρ
)
J
0
(
2
π
r
ρ
)
d
ρ
f_R(r)=2 \pi \int_0^{+\infty}\rho F(\rho)J_0(2 \pi r \rho)d \rho
fR(r)=2π∫0+∞ρF(ρ)J0(2πrρ)dρ