Konvoluce

Konvoluce je matematický operátor zpracovávající dvě funkce.

Spojitá konvoluce (značí se hvězdičkou) jednorozměrných funkcí ${\displaystyle f(x)}$ a ${\displaystyle g(x)}$ je definována vztahem:

${\displaystyle (f*g)(x)=\int _{-\infty }^{\infty }f(\alpha )g(x-\alpha )\,\mathrm {d} \alpha }$

Funkci ${\displaystyle g(x)}$ se říká konvoluční jádro. Hodnota konvoluce funkce ${\displaystyle f}$ s jádrem ${\displaystyle g}$ v bodě ${\displaystyle x}$ je integrál ze součinu funkce ${\displaystyle f}$ s otočenou funkcí konvolučního jádra (integrační proměnná ${\displaystyle \alpha }$ má v argumentu konvolučního jádra ${\displaystyle g(x-\alpha )}$ záporné znaménko) posunutou do bodu ${\displaystyle x}$.

Pokud jde o konvoluci při zpracovávání obrazu, je funkce ${\displaystyle f(x)}$ většinou zkoumaný obrázek a funkce ${\displaystyle g(x)}$ nějaký filtr.

Vlastnosti konvoluce

Komutativní

${\displaystyle f*g=g*f\,}$

Asociativní

${\displaystyle f*(g*h)=(f*g)*h\,}$

Distributivní

${\displaystyle f*(g+h)=(f*g)+(f*h)\,}$

Existence jednotky

${\displaystyle f*\delta =\delta *f=f\,}$

kde δ je tzv. Diracova delta funkce (distribuce):

${\displaystyle \delta (x)=0,x\neq 0}$

a ${\displaystyle \delta (0):=+\infty }$. Integrál Delta funkce je roven 1:

${\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }\delta (x)\,\mathrm {d} x=1.}$

Jde tedy o puls trvající nekonečně krátkou dobu.

Asociativita při násobení skalárem

${\displaystyle a(f*g)=(af)*g=f*(ag)\,}$

pro všechna reálná (nebo komplexní) čísla ${\displaystyle a}$.

Konvoluční teorém

${\displaystyle {\mathcal {F}}(f*g)=\left[{\mathcal {F}}(f)\right]\cdot \left[{\mathcal {F}}(g)\right]=F\cdot G}$

kde ${\displaystyle {\mathcal {F}}(f)\,}$ značí Fourierovu transformaci ${\displaystyle f\,}$

${\displaystyle {\mathcal {F}}\left[f(x)\right]\equiv F(k)\equiv \int _{-\infty }^{\infty }f(x)\exp(-2\pi ikx)\,\mathrm {d} x}$

Dk.:

${\displaystyle F(k)=\int _{-\infty }^{\infty }f(x)\exp(-2\pi ikx)\,\mathrm {d} x}$

${\displaystyle G(k)=\int _{-\infty }^{\infty }g(x)\exp(-2\pi ikx)\,\mathrm {d} x}$

${\displaystyle h(z)=\int _{-\infty }^{\infty }f(x)g(z-x)\,\mathrm {d} x}$

${\displaystyle H(k)=\int _{-\infty }^{\infty }h(z)\exp(-2\pi ikz)\,\mathrm {d} z=\int _{-\infty }^{\infty }\left[\int _{-\infty }^{\infty }f(x)g(z-x)dx\right]\exp(-2\pi ikz)\,\mathrm {d} z=}$

${\displaystyle =\int _{-\infty }^{\infty }f(x)\left[\int _{-\infty }^{\infty }g(z-x)\exp(-2\pi ikz)\,\mathrm {d} z\right]\mathrm {d} x=}$

substituce: ${\displaystyle y=z-x\,}$ a tedy ${\displaystyle \mathrm {d} y=\mathrm {d} z\,}$

${\displaystyle =\int _{-\infty }^{\infty }f(x)\left[\int _{-\infty }^{\infty }g(y)\exp(-2\pi ik(y+x))\,\mathrm {d} y\right]\mathrm {d} x=}$

${\displaystyle =\int _{-\infty }^{\infty }f(x)\exp(-2\pi ikx)\,\mathrm {d} x\cdot \int _{-\infty }^{\infty }g(y)\exp(-2\pi iky)\,\mathrm {d} y=F(k)\cdot G(k)}$

Diskrétní konvoluce

${\displaystyle (f*g)_{k}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ \sum _{i=-\infty }^{\infty }f_{i}\cdot g_{k-i}}$

${\displaystyle =\sum _{i=-\infty }^{\infty }f_{k-i}\cdot g_{i}}$

Příklad

V případě dvou konečných řad se samozřejmě nesčítá od −∞ do +∞, ale pouze přes existující prvky. (Případně si lze na pozici neexistujících prvků řady představit nuly.) Výsledná řada je o jeden prvek kratší než je součet délek konvoluovaných řad.

Konvoluce dvou řad:

(a, b, c, d) * (e, f, g) =
= (a*e) (a*f) (a*g)
        (b*e) (b*f) (b*g)
              (c*e) (c*f) (c*g) 
                    (d*e) (d*f) (d*g)
  -----------------------------------
  následuje sečtení pod sebou

Výsledek je stejný, jakoby se jednalo o součin dvou polynomů. (Koeficienty násobených polynomů by představovaly dvě konvoluované řady, koeficienty součinu polynomů by odpovídaly výsledku konvoluce.)

Konkrétní čísla:

(1, 2, -2, -1) * (1, -1, 2) =
= 1 -1  2
     2 -2  4
       -2  2 -4
          -1  1 -2
 ------------------
 (1, 1,-2, 5,-3,-2)

Jinou možností výpočtu je použití maticového násobení.

${\displaystyle {\begin{bmatrix}a&b&c&d\end{bmatrix}}*{\begin{bmatrix}e&f&g\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}a&b&c&d\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}e&f&g&0&0&0\\0&e&f&g&0&0\\0&0&e&f&g&0\\0&0&0&e&f&g\end{bmatrix}}}$

Konkrétní čísla:

${\displaystyle {\begin{bmatrix}1&2&-2&-1\end{bmatrix}}*{\begin{bmatrix}1&-1&2\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&2&-2&-1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}1&-1&2&0&0&0\\0&1&-1&2&0&0\\0&0&1&-1&2&0\\0&0&0&1&-1&2\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&1&-2&5&-3&-2\end{bmatrix}}}$

Využití v počítačové grafice

Konvoluce se často používá při algoritmech zpracování dvourozměrného diskrétního obrazu v počítačové grafice. Vzorec diskrétní konvoluce má potom tvar:

${\displaystyle (f*h)(x,y)=\sum _{i=-k}^{k}\sum _{j=-k}^{k}f(x-i,y-j)\cdot h(i,j)}$

V případě diskrétní konvoluce lze jádro chápat jako tabulku (konvoluční maska), kterou položíme na příslušné místo obrazu. Každý pixel překrytý tabulkou vynásobíme koeficientem v příslušné buňce a provedeme součet všech těchto hodnot. Tím dostaneme jeden nový pixel.

Například mějme konvoluční masku o rozměru 3×3 (bude překryto 9 pixelů) a všechny buňky mají koeficient 0,111 (1/9). Nový pixel, který vypočteme po aplikaci na jedno místo v původním obraze, tedy bude průměrem z devíti okolních pixelů. Neudělali jsme totiž nic jiného, než že jsme sečetli hodnoty 9 pixelů a vydělili 9. Pokud aplikujeme konvoluci na celý obraz, pak dostaneme rozostřený obraz. Pokud použijeme větší konvoluční masku 5×5 s koeficienty 1/25, pak bude obraz rozostřen více.

Koeficienty uvnitř konvoluční masky udávají vliv hodnoty pixelu pod nimi. Lze tak nadefinovat velké množství operací, např. derivace obrazu (u diskrétního obrazu mluvíme o tzv. odhadu derivace), tedy zvýraznění hran (viz detekce hran).

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu konvoluce na Wikimedia Commons