傅里葉級數很容易理解,而傅里葉變換抽象許多。
傅里葉變換的目的在於,將圖像從spatial domain變換到frequency domain。這樣就能處理圖像中特定頻率的信息,並且可以通過傅里葉逆變換還原。
- 第一個角度
來自知乎回答,答主寫得非常好,以下全文引用。
傅里葉變換就是除法.
首先通過一個簡單的例子來看除法是如何實現變換的:
假設只存在五元和二元硬幣,現在有人告訴你他有九塊錢,你想知道他有什么硬幣。這是一個從錢數到硬幣個數的變換。(這里有個問題五元和二元不是正交基,只是方便理解)
9/5 =1余4 --> 包含一個5
4/2=2余0 --> 包含兩個2
你立刻就知道他有一個(強度)五元(頻率)和兩個(強度)二元(頻率)。
看,成功從金錢域變換到了硬幣域。
傅里葉變換公式的這個寫法非常的坑爹,好好的除法非要在指數上加負號!這就是所有不解的來源!
一切誤會和不解的來源。
如果這樣寫:
這才是正確的寫法,其中分母是頻率為ω的圓周運動:
這就是頻率為ω的圓周運動。
然后傅里葉變換就是在用除法求在f(t)中有多少頻率為ω的圓周運動,然后把它們加起來,得到f(t)中所有頻率ω的分布函數。
總結一下,通過積分,我們把t消除,得到了關於頻率的函數,這也就是所有頻率的分布函數。完美!
- 第二個角度,來自3b1b。
e^{-iwt} 可以看作在復平面上,以原點為中心,半徑為1的一個圓的旋轉,旋轉的速度或者說,周期由wt決定。而寫成wt,則是把t分離出來,w代表了wt/t。wt從0到2π代表旋轉了一圈。
而Ce^{-iwt}代表把這個圓半徑乘上C,就代表點到原點距離隨着t也會改變。那么實際上我們有三個變量,復平面兩個再加上t一個。這個時候可以把t拉上到z軸,我們得到了一個曲線,所以復平面上的點是曲線上某點在xy軸上的投影。
待分離頻率的函數 f(t)e^{-iwt} 在w確定的情況下,正無窮到負無窮積分,得到的是曲線(不是螺旋,螺旋是C=常數時)在x軸上的投影。積t的分相當於投影到復平面XOY,而積分限關於t=0,x=0對稱消去了虛部,也就是說我們實際上投影了兩次,第一次在復平面上投影,第二次再把結果投影到x軸上。
- 第三個角度:
我們從傅里葉級數來看,一個連續無周期函數可以被分離成頻率分布函數的積分,y軸是權值。如果是離散的,那么就是若干個頻率的函數加權求和的結果。而這些函數之間兩兩正交,那么得到這些函數的分布就很簡單,乘以本身再積分就能得到權值。那么我們觀察傅里葉變換公式,也是一個意思,想得到某個頻率F(w),那么就用原函數f(t)乘以對應的頻率,再求積分。這個乘以對應角度2的旋轉,積分對應角度2的求質心在x軸上的投影坐標。
- 補充:
實函數表示為傅里葉級數,傅里葉級數本身不包括虛數分量部分,它是角度2里面,旋轉曲線在復平面投影的圓的實部,也就是圓的x軸投影。要用歐拉公式統一表示就會擴展到虛數部分,然后為了消去虛數部分,本身1到N的求和就變成了-N到N。變換到積分就是+無窮到-無窮,這樣的話,y軸的分量就會完全抵消,也就是說虛部就消失了。(這里隱含的意思是,這個曲線的虛部y軸,關於t=0這個平面奇對稱,也就是說幅度一樣,方向相反。往上曲線旋轉的方向和往下是相反的,這也可以通過歐拉公式得出。另外也可以通過:實函數的FT結果,實部是偶函數,虛部是奇函數,那么兩邊累加,奇函數相互抵消了)
- 最后總結:
傅里葉變換精確地還原出了原函數的頻譜分布。
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連續函數傅里葉變換:對原函數有限時長的采樣導致頻譜取值范圍無限,除非有限時間內正好得到了原函數的整數個周期(前提是原函數是周期函數,並且是band-limited)。因為連續不可導的兩個邊沿需要無窮多個頻率分量來擬合。
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DFT:對原函數采樣的頻率越高,頻譜的取值范圍就越大,這個可以用采樣定理理解。采樣時間越長,頻譜的精度越高。這個和前面這部分對稱的。