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  • 1 # 安鎏

    在泛函分析中,卷積(卷積)、旋積或摺積(英語:Convolution)是透過兩個函式f 和g 生成第三個函式的一種數學運算元,表徵函式f 與經過翻轉和平移與g 的重疊部分的累積。如果將參加卷積的一個函式看作區間的指示函式,卷積還可以被看作是“滑動平均”的推廣。

    簡單介紹

    卷積是分析數學中一種重要的運算。設: f(x),g(x)是R1上的兩個可積函式,作積分:

    可以證明,關於幾乎所有的 ,上述積分是存在的。這樣,隨著 x 的不同取值,這個積分就定義了一個新函式h(x),稱為函式f 與g 的卷積,記為h(x)=(f*g)(x)。容易驗證,(f * g)(x) = (g * f)(x),並且(f * g)(x) 仍為可積函式。這就是說,把卷積代替乘法,L1(R1)1空間是一個代數,甚至是巴拿赫代數。

    卷積與傅立葉變換有著密切的關係。利用一點性質,即兩函式的傅立葉變換的乘積等於它們卷積後的傅立葉變換,能使傅立葉分析中許多問題的處理得到簡化。

    由卷積得到的函式f*g 一般要比f 和g 都光滑。特別當g 為具有緊支集的光滑函式,f 為區域性可積時,它們的卷積f * g 也是光滑函式。利用這一性質,對於任意的可積函式f,都可以簡單地構造出一列逼近於f 的光滑函式列fs,這種方法稱為函式的光滑化或正則化。

    卷積的概念還可以推廣到數列、測度以及廣義函式上去。

    卷積在工程和數學上都有很多應用:

    統計學中,加權的滑動平均是一種卷積。 機率論中,兩個統計獨立變數X與Y的和的機率密度函式是X與Y的機率密度函式的卷積。 聲學中,回聲可以用源聲與一個反映各種反射效應的函式的卷積表示。 電子工程與訊號處理中,任一個線性系統的輸出都可以透過將輸入訊號與系統函式(系統的衝激響應)做卷積獲得。 物理學中,任何一個線性系統(符合疊加原理)都存在卷積。

    卷積是一種線性運算,影象處理中常見的mask運算都是卷積,廣泛應用於影象濾波。castlman的書對卷積講得很詳細。

    高斯變換就是用高斯函式對影象進行卷積。高斯運算元可以直接從離散高斯函式得到:

    for(i=0; i<N; i++)

    {

    for(j=0; j<N; j++)

    {

    g[i*N+j]=exp(-((i-(N-1)/2)^2+(j-(N-1)/2)^2))/(2*delta^2));

    sum += g[i*N+j];

    }

    }

    再除以 sum 得到歸一化運算元

    N是濾波器的大小,delta自選

    首先,再提到卷積之前,必須提到卷積出現的背景。卷積是在訊號與線性系統的基礎上或背景中出現的,脫離這個背景單獨談卷積是沒有任何意義的,除了那個所謂褶反公式上的數學意義和積分(或求和,離散情況下)。

    因此,實際上,都是要根據我們需要待處理的訊號形式,來設計所謂的系統傳遞函式,那麼這個系統的傳遞函式和輸入訊號,在數學上的形式就是所謂的卷積關係。

    卷積關係最重要的一種情況,就是在訊號與線性系統或數字訊號處理 中的卷積定理。利用該定理,可以將時間域或空間域中的卷積運算等價為頻率域的相乘運算,從而利用FFT等快速演算法,實現有效的計算,節省運算代價。

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