二维高斯函数的傅里叶变换的推导
二维高斯函数的表达式为:
G(x,y) = A * exp(-((x-x0)^2/(2*σx^2) + (y-y0)^2/(2*σy^2)))
其中,A是归一化常数,x0和y0是高斯函数的中心点,σx和σy分别是x和y方向的标准差。
要推导二维高斯函数的傅里叶变换,首先需要定义二维傅里叶变换的公式:
F(u,v) = ∬[f(x,y) * exp(-j2π(ux+vy))]dxdy
其中,F(u,v)表示函数f(x,y)的傅里叶变换,u和v是频率变量,j是虚数单位。
将二维高斯函数代入傅里叶变换公式,有:
F(u,v) = ∬[G(x,y) * exp(-j2π(ux+vy))]dxdy
= ∬[A * exp(-((x-x0)^2/(2*σx^2) + (y-y0)^2/(2*σy^2))) * exp(-j2π(ux+vy))]dxdy
接下来,将指数项进行展开和整理:
exp(-((x-x0)^2/(2*σx^2) + (y-y0)^2/(2*σy^2))) * exp(-j2π(ux+vy))
= exp(-(x^2/(2*σx^2) - (2x*x0)/(2*σx^2) + (x0^2)/(2*σx^2) + y^2/(2*σy^2) - (2y*y0)/(2*σy^2) + (y0^2)/(2*σy^2))) * exp(-j2π(ux+vy))
= exp(-(x^2/(2*σx^2) + y^2/(2*σy^2))) * exp(-j2π(ux+vy)) * exp(-((x0^2)/(2*σx^2) - (2x*x0)/(2*σx^2) + (y0^2)/(2*σy^2) - (2y*y0)/(2*σy^2)))
继续变换,将指数项化为一般的高斯函数形式:
exp(-((x0^2)/(2*σx^2) - (2x*x0)/(2*σx^2) + (y0^2)/(2*σy^2) - (2y*y0)/(2*σy^2)))
= exp(-((x0^2 - 2x*x0 + y0^2 - 2y*y0)/(2*σx^2)))
= exp(-((x - x0)^2 + (y - y0)^2)/(2*σx^2))
代入整理后的式子:
F(u,v) = A * ∬[exp(-((x - x0)^2/(2*σx^2) + (y - y0)^2/(2*σy^2)) -j2π(ux+vy))]dxdy
继续整理,发现这是一个二维高斯函数的傅里叶变换表达式,只是多了一个常数A:傅里叶变换公式原理
F(u,v) = A * exp(-(u^2*σx^2 + v^2*σy^2)/(2*σx^2*σy^2)) * exp(j2π(ux0+vy0))
可以看出,二维高斯函数的傅里叶变换仍然是一个二维高斯函数,与原函数具有相同的形式,只是中心点发生了变化,并且多了一个常数因子A。
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