二维卷积定理的证明


卷积定理

g ∗ h = ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) h ( x − α , y − β ) d α d β F [ g ( x , y ) ] = ∬ − ∞ ∞ g ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = G ( f x , f y ) F [ h ( x , y ) ] = ∬ − ∞ ∞ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = H ( f x , f y ) g*h=\iint_{- \infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)h(x-\alpha,y-\beta)}d\alpha d\beta \newline F[g(x,y)]=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(x,y)exp[-i2\pi (f_x x+f_y y)]}dxdy=G(f_x,f_y) \newline F[h(x,y)]=\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x,y)exp[-i2\pi (f_x x+f_y y)]}dxdy=H(f_x,f_y) gh=g(α,β)h(xα,yβ)dαdβF[g(x,y)]=g(x,y)exp[i2π(fxx+fyy)]dxdy=G(fx,fy)F[h(x,y)]=h(x,y)exp[i2π(fxx+fyy)]dxdy=H(fx,fy)
则可得到
F [ g ∗ h ] = G ⋅ H F [ g ⋅ h ] = G ∗ H F[g*h]=G\cdot H \newline F[g\cdot h]=G*H F[gh]=GHF[gh]=GH


一、 F [ g ∗ h ] = G ⋅ H F[g*h]=G\cdot H F[gh]=GH 的证明

F [ g ∗ h ] = ∬ − ∞ ∞ g ( x , y ) ∗ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) h ( x − α , y − β ) d α d β ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) h ( x − α , y − β ) d α d β ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x ( x − α ) + f y ( y − β ) ) ] ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x α + f y β ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) ∬ − ∞ ∞ h ( x − α , y − β ) e x p [ − i 2 π ( f x ( x − α ) + f y ( y − β ) ) ] d x d y ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x α + f y β ) ] d α d β = ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) H ( f x , f y ) ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x α + f y β ) ] d α d β = G ( f x , f y ) ⋅ H ( f x , f y ) \begin{equation*} \begin{aligned} F[g*h] &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(x,y)*h(x,y)}exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)h(x-\alpha,y-\beta)}d\alpha d\beta \cdot exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)h(x-\alpha,y-\beta)}d\alpha d\beta \cdot exp[-i2\pi (f_x(x-\alpha)+f_y(y-\beta))]\cdot exp[-i2\pi (f_x \alpha+f_y \beta)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x-\alpha,y-\beta) exp[-i2\pi (f_x(x-\alpha)+f_y(y-\beta))]}dxdy}\cdot exp[-i2\pi (f_x \alpha+f_y \beta)]d\alpha d\beta \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)H(f_x,f_y)\cdot exp[-i2\pi (f_x \alpha+f_y \beta)]}d\alpha d\beta \\ &=G(f_x,f_y)\cdot H(f_x,f_y) \end{aligned} \end{equation*} F[gh]=g(x,y)h(x,y)exp[i2π(fxx+fyy)]dxdy=g(α,β)h(xα,yβ)dαdβexp[i2π(fxx+fyy)]dxdy=g(α,β)h(xα,yβ)dαdβexp[i2π(fx(xα)+fy(yβ))]exp[i2π(fxα+fyβ)]dxdy=g(α,β)h(xα,yβ)exp[i2π(fx(xα)+fy(yβ))]dxdyexp[i2π(fxα+fyβ)]dαdβ=g(α,β)H(fx,fy)exp[i2π(fxα+fyβ)]dαdβ=G(fx,fy)H(fx,fy)

二、 F [ g ⋅ h ] = G ∗ H F[g\cdot h]=G*H F[gh]=GH 的证明

F [ g ⋅ h ] = ∬ − ∞ ∞ g ( x , y ) ⋅ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ G ( f x , f y ) e x p [ i 2 π ( f x x + f y y ) ] d f x d f y ⋅ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) e x p [ i 2 π ( α x + β y ) ] d α d β ⋅ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) ∬ − ∞ ∞ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] e x p [ i 2 π ( α x + β y ) ] d x d y d α d β = ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) ∬ − ∞ ∞ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( ( f x − α ) x + ( f y − β ) y ) ] d x d y d α d β = ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) H ( f x − α , f y − β ) d α d β = G ( f x , f y ) ∗ H ( f x , f y ) \begin{equation*} \begin{aligned} F[g\cdot h] &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(x,y)\cdot h(x,y)}exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{G(f_x,f_y)exp[i2\pi(f_xx+f_yy)]}df_x df_y \cdot h(x,y) exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)exp[i2\pi(\alpha x+\beta y)]}d\alpha d\beta \cdot h(x,y) exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x,y) exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]exp[i2\pi(\alpha x+\beta y)]}dxdy }d\alpha d\beta \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x,y) exp[-i2\pi ((f_x-\alpha )x+(f_y-\beta)y)]}dxdy }d\alpha d\beta \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)H(f_x-\alpha,f_y-\beta)}d\alpha d\beta \\ &=G(f_x,f_y)*H(f_x,f_y) \end{aligned} \end{equation*} F[gh]=g(x,y)h(x,y)exp[i2π(fxx+fyy)]dxdy=G(fx,fy)exp[i2π(fxx+fyy)]dfxdfyh(x,y)exp[i2π(fxx+fyy)]dxdy=G(α,β)exp[i2π(αx+βy)]dαdβh(x,y)exp[i2π(fxx+fyy)]dxdy=G(α,β)h(x,y)exp[i2π(fxx+fyy)]exp[i2π(αx+βy)]dxdydαdβ=G(α,β)h(x,y)exp[i2π((fxα)x+(fyβ)y)]dxdydαdβ=G(α,β)H(fxα,fyβ)dαdβ=G(fx,fy)H(fx,fy)


总结

第一个公式的证明利用了自变量 x , y x,y x,y的变换,第二个公式的证明利用了逆傅里叶变换和相移定理。

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