吉布斯現(xiàn)象

　　我們?cè)凇?a target="_blank" href="/NewsDetail-872.aspx">深入淺出的學(xué)習(xí)傅里葉變換”時(shí)曾了解到，數(shù)學(xué)界有過(guò)一場(chǎng)“正弦曲線能否組合成一個(gè)帶有棱角的信號(hào)”的偉大爭(zhēng)議，而這場(chǎng)爭(zhēng)議的男主角自然就是傅里葉和拉格朗日了。當(dāng)然兩位男主角都沒(méi)有錯(cuò)，劇情也告一段落。

　　直到1898年，美國(guó)阿爾伯特·米切爾森做了一個(gè)諧波分析儀，當(dāng)他測(cè)試方波時(shí)驚訝的發(fā)現(xiàn)方波的XN(t)在不連續(xù)點(diǎn)附近部分呈現(xiàn)起伏，這個(gè)起伏的峰值大小似乎不隨N增大而下降！于是他寫信給當(dāng)時(shí)著名的數(shù)學(xué)物理學(xué)家吉布斯，吉布斯檢查了這一項(xiàng)結(jié)果，隨機(jī)發(fā)表了他的看法：隨著N增加，部分起伏就向不連續(xù)點(diǎn)壓縮，但是對(duì)任何有限的N值，起伏的峰值大小保持不變，這就是吉布斯現(xiàn)象。

吉布斯現(xiàn)象示意圖

　　吉布斯現(xiàn)象的含義是：一個(gè)不連續(xù)信號(hào)X(t) 的傅里葉級(jí)數(shù)的截?cái)嘟芚N(t)，一般來(lái)說(shuō)，在接近不連續(xù)點(diǎn)處將呈現(xiàn)高頻起伏和超量，而且，若在實(shí)際情況下利用這樣一個(gè)近似式的話，就應(yīng)該選擇足夠大的N，以保證這些起伏擁有的總能量可以忽略。當(dāng)然，在極限情況下，近似誤差的能量是零，而且一個(gè)不連續(xù)的信號(hào)(如方波)的傅里葉級(jí)數(shù)表示是收斂的。

　　出現(xiàn)吉布斯現(xiàn)象其實(shí)是由于傅里葉變換本身有很多成熟的快速算法(如FFT)，而且性能接近最佳，但它由于圖像數(shù)據(jù)的二維傅里葉變換實(shí)質(zhì)上是一個(gè)二維圖像的傅里葉展開(kāi)式，當(dāng)然這個(gè)二維圖像被認(rèn)為是周期性的。由于子圖像的變換系數(shù)在邊界上不連續(xù)，而將造成的復(fù)原子圖像也在其邊界上不連續(xù)。于是由復(fù)原子圖像構(gòu)成的整幅復(fù)原圖像將呈現(xiàn)隱約可見(jiàn)的以子圖像尺寸為單位的方塊狀結(jié)構(gòu)，影響整個(gè)圖像質(zhì)量。這就是為什么傅里葉變換在分析方波時(shí)在其不連續(xù)點(diǎn)上出現(xiàn)吉布斯現(xiàn)象的原因了。

　　解決吉布斯現(xiàn)象的方法是后來(lái)研究出來(lái)的離散余弦變換(DCT)，即在傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中，如果被展開(kāi)的函數(shù)是實(shí)偶函數(shù)，那么其傅里葉級(jí)數(shù)中只包含余弦項(xiàng)，再將其離散化可導(dǎo)出余弦變換。

　　基本思路為：將一個(gè)對(duì)稱的2N*2N像素的子圖像代替原來(lái)N*N子圖像。由于對(duì)稱性，子圖像做二維傅里葉變換，其變換系數(shù)將只剩下實(shí)數(shù)的余弦項(xiàng)。這樣就可以消除吉布斯現(xiàn)象了。