从数学角度上讲,卷积就是一种运算。运算能被定义出来,至少有以下特征:
1.抽象的、符号化的;
2.在生活、科研中有着广泛的应用。
目录
一、卷积的定义
我们称 为
的卷积,
其连续的定义为:
其离散的定义为:
这两个式子有一个共同的特征:
这个特征的意义?
我们令,那么
,就是下图所示直线:
如果遍历这些直线,就好比,把毛巾沿着其中一个角卷起来:
卷积为什么叫卷积?
只看数学符号,卷积是抽象的,不好理解的,但是,我们可以通过现实中的意义,来习惯卷积这种运算。
二、离散卷积的例子:投骰子
有两枚骰子:
把这两枚骰子都抛出去:
求:两枚骰子点数加起来为4的概率是多少?
问题的关键是,两个骰子加起来要等于4,这正是卷积的应用场景。我们把骰子各个点数出现的概率表示出来:
两枚骰子点数加起来为4的情况有:
因此,两枚骰子点数加起来为4的概率为:
f(1)g(3)+f(2)g(2)+f(3)g(1)
符合卷积的定义,把它写成的标准的形式就是:
三、连续卷积的例子:做馒头
楼下早点铺子生意太好了,供不应求,就买了一台机器,不断的生产馒头。
假设馒头的上产速度是 ,那么一天后生产出来的馒头总量为:
馒头一旦出炉,就会慢慢腐败,假设腐败函数为 ,比如,10个馒头,24小时会腐败:
想想就知道,第一个小时生产出来的馒头,一天后会经历24小时的腐败,第二个小时生产出来的馒头,一天后会经历23小时的腐败。
如此,我们知道,一天后,馒头总共腐败了:
这就是连续的卷积!
四、图像处理
4.1原理
如下图所示的图像,可以看到,图像上有很多噪点:
平滑后得到:
4.2计算
卷积可以帮助实现这个平滑算法:
有噪点的原图,可以把它转化为一个矩阵:
然后用下面这个算术平均矩阵来平滑图像:
(原图的处理实际上用的是正态分布矩阵,这里为了简单,就用了算术平均矩阵)
比如要平滑点,就在矩阵中,取出
点附近的点组成矩阵
和
进行卷积计算,再填回去:
要注意一点,为了运用卷积,g虽然和f同维度,但下标不同:
用一个动图来说明计算过程: 求解
写成卷积公式:
如果要求解 ,一样可以套用上面的卷积公式。
这相当于实现了矩阵g在原来图像上的划动,准确来说,下面这幅图把矩阵g旋转了
4.3个人小结
在图像处理时,把图像所有像素点转化为一个矩阵,乘以矩阵
,实现平滑/模糊像素;
每一个像素点均可以写出来卷积公式,定义矩阵中的每一个元素为
,根据目标像素点
可以表示出来矩阵
,为
故可以写出来通用的矩阵公式:
卷积的理解如同'一千个读者就有一千个哈姆雷特' ,但万变不离其宗,本质上是相同的:所谓两个函数的卷积,本质上就是先将一个函数翻转,然后进行滑动叠加。
[数论数学]反演卷积的应用-快速求和化简_ix35的博客-优快云博客
莫比乌斯反演等价于求矩阵的逆矩阵的问题,卷积代数都可以拿矩阵代数来类比理解。