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LICENCE MENTION : Physique Chimie - 2M2E ANNEE : L1
UE. P. 1. : P. A. RCO. UR. S. FO. RMA. TION. P. RA. TIQUE. 631P : FORMATION PRATIQUE. 100. 100. 2. 1. 4. UE. P. 2. : P. A. RCO. UR. S. STA. G. E P. ROF. 641P :
TRIGONOMÉTRIE (Partie 1)
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Algorithme transform´ee de Fourier rapide. 7. Applications (tatouage d'images compression
2007/2008
Outils Math´ematiques pour l'informatique
Jean-Luc Baril
Universit
´e de Bourgogne
Labo. Le2i, UMR-CNRS 5158
http://www.u-bourgogne.fr/jl.barilSeptember 24, 2007
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTh´eorie de Fourier
Fonction (signal)`a une dimension
D´efinition
Une fonctiongest p´eriodique s'il existeTtel que : g(t+T) =g(t)pour toutt. La plus petite constante non nulleTv´erifiant l'´egalit´e ci-dessus s'appelle la p´eriode de la fonction.
Exemples :sin, cos, tan, ...
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique3. Th´eorie de Fourier
Exemple :Sin et Cos ont une p´eriode de 2π
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique3. Th´eorie de Fourier
Fonction de Dirac:δ(t) =0?t?=0 andδ(0) =1
Peigne de Dirac:δT(t) =k=+∞?
k=-∞δ(t-kT)0 T2T3T-T-2T
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique3.1 S´eries de Fourier
Soitgune fonction p´eriodique de p´eriodeTalors on d´efinit la s´erie de Fourier:
S n(t) =a0+n? k=1(akcos(2kπtT) +bksin(2kπtT))
avec ?a 0=1 TT 2? T2g(t)dt
a k=2 TT 2? T2g(t)cos(2kπt
T)dt b k=2 TT 2? T2g(t)sin(2kπt
T)dt Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueVocabulaire
Fr´equence fondamentale :f0=1TValeur moyenne du signal :a0 k-i `eme harmonique :2kπT=2kπf0
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTh´eor`eme de Dirichlet
Sigest p´eriodique etC1par morceaux, AlorsSn(t)tend vers 12(g(t+) +g(t-))
avec? t+=limx→tg(t)avecx>t t -=limx→tg(t)avecx2(g(t+) +g(t-)) =limn→∞Sn(t)
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiquePropri´et´es des coefficients
*gpaire :g(-t) =g(t)?tOn a :bk=0 pour toutk
*gimpaire :g(-t) =-g(t)?tOn a :ak=0?k
*g"demi-ondes" :g(t) =-g(-t+T 2)?tOn a :a2k=b2k=0?k≥0
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueExemple
g(t) =5-10 Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueExpression complexe
c0++∞? k=-∞c k.exp(2ikπtT) = 12(g(t+) +g(t-)) =limn→∞Sn(t)
avec???c 0=a0 c k=12(ak-i.bk)sik>0
c k=12(ak+i.bk)sik<0
Propri
´et´e:c-k=¯cket donc|c-k|=|ck|.
Spectre d'amplitude:
0f02f03f0kf0-kf0-f0|C0|
|C1| |c2| |ck| |ck| Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueInterpr´etation spectre
Exemple:Spectre d'amplitude de la fonction de 1
Exemple:Spectre d'amplitude de la fonction peigne
0 T2T3T-T-2T
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique Remarque :Le spectre mesure les variations du signal dans le temps Si le signal n'est pas´etendu (irr´egulier) dans le domaine temporel, alors le spectre du signal poss `ede des hautes fr´equences
Si le signal est´etendu (r´egulier) dans le domaine temporel, alors le spectre du signal a tr `es peu de hautes fr´equences Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique Puissance transport´e par une fonction p´eriodique Pest la puissance moyenne d´elivr´ee parg(t)`a une r´esistance de 1 Ohm P=1 TT 2? T2g(t)2dt
Th´eor`eme de Parseval
P=1TT 2? T2g(t)2dt
=a02+12∞
k=1(ak2+bk2) =+∞? -∞?ck?2 Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiquePOUR LES SIGNAUX NON PERIODIQUES
Transform´ee de Fourier
Directe :
g(f) =F(g(t)) =+∞? -∞g(t)exp(-2iπft)dtInverse :
F ?(g(f)) =g(t) =+∞? -∞ˆg(f)exp(2iπft)dfCondition suffisante d'existence
g(t)dt<+∞ Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiquePropri´et´es
Lin´earit´e :
F(a.g(t) +b.h(t)) =a.ˆg(f) +b.ˆh(f)
Similarit
´e :
F(g(a.t)) =1
|a|ˆg(fa) Sym´etrie :
F(ˆg(t)) =g(-f)
D´ecalage temporaire :
F(g(t-t0)) =exp(-2iπft0)ˆg(f)
D´ecalage fr´equentiel :
F(g(t)exp(2iπf0t)) =ˆg(f-f0)
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueExemples
Transform´ee de l'impulsion de Dirac :
F(δ(t)) =1
Transform
´ee d'une constante :
F(Cste) =cste.δ(f)
Transform
´ee deexp(2iπf0t):
F(exp(2iπf0t)) =δ(f-f0)
Transform
´ee decos(2πf0t):
F(cos(2iπf0t)) =1
2(δ(f-f0) +δ(f+f0))
Transform
´ee desin2f t:
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTransform´ee bidimensionnelle
Directe :
F(g(x,y)) =ˆg(u,v)
-∞g(x,y)exp(-2iπ(ux+vy))dxdyInverse :
F?(ˆg(u,v)) =g(x,y)
-∞ˆg(u,v)exp(2iπ(ux+vy))dudv Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTransform´ee de Fourier discr`ete
On ´echantillonne la fonctiongen choisissantNpoints equir´epartisx0,x1,...,xN-1. xk=x0+kΔx Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTransform´ee Discr`ete (1D)
Directe :
ˆg(u) =F(g(x)) =N-1?
x=0g(x)exp(-2iπuxN)avecu=0..N-1Inverse :
F?(ˆg(u)) =g(x) =N-1?
u=0ˆg(u)exp(2iπuxN)avecx=0..N-1On peut toujours calculer la transform
´ee de Fourier discr`ete
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTransform´ee discr`ete 2D
Directe :
F(g(x,y)) =ˆg(u,v)
M-1? x=0N-1? y=0g(x,y)exp(-2iπ(uxM+vyN))
Inverse :
F?(ˆg(u,v)) =g(x,y)
M-1? u=0N-1? v=0ˆg(u,v)exp(2iπ(uxM+vyN))
Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTransform´ee en cosinus discr`ete 2D
Directe :
F(g(x,y)) =ˆg(u,v)
M-1? x=0N-1? y=0g(x,y)cos((2x+1)uπ2M)cos((2y+1)vπ2N)
Inverse :
F?(ˆg(u,v)) =g(x,y)
M-1? x=0N-1? y=0ˆg(u,v)cos((2x+1)uπ2M)cos((2y+1)vπ2N)
Application dans la compression d'image (fichier jpeg par exemple) Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueTransform´ee discr`ete 2D
Exemple:
F(g(x,y)) =ˆg(u,v)
M-1? x=0N-1? y=0g(x,y)exp(-2iπ(uxM+vyN))
avecM=N=2 etg(x,y) =?0 11 0? Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatiqueSpectre d'une Transform´ee discr`ete 2D
0 10 20 3040
500
10 20 30
40
50
0 200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Image assez r´eguli`ere donc on a des basses fr´equences et pasquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47
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