[matplotlib animation] 108. フーリエ逆変換アニメーション

はじめに
コード＆解説
まとめ
参考

はじめに

本記事では、matplotlibのFuncAnimationを使用してフーリエ逆変換アニメーションを作成する方法を解説します。画像の低周波成分から高周波成分へと順次表示していくアニメーション表現について、コード例を交えて詳しく説明します。

コード＆解説

モジュールのインポートなど

warningsを非表示にするために、warnings.filterwarnings(‘ignore’)としました。

バージョン

画像の読み込み

下記サイトの画像を用います。

鏡餅のキャラクター

いらすとやは季節のイベント・動物・子供などのかわいいイラストが沢山見つかるフリー素材サイトです。

RGBA形式の画像をrgba2rgb関数でRGB形式に変換し、次にrgb2gray関数でグレースケール画像に変換します。img_as_float関数を使用して画素値を0-1の範囲に正規化します。処理後の画像サイズは(704, 704)で、最大値は0.99999994になります。

フーリエ変換

fftnとfftshiftでパワースペクトルが得られます。

画像とパワースペクトルを表示

読み込んだ画像とパワースペクトルは以下のように表示されます。パワースペクトルは絶対値（np.abs）を取得し、対数変換（np.log10）することで可視化しています。

マスク画像の作成

パワースペクトルをマスクするための画像を作成します。作成には、skimageのdisk_level_setを使用します。まず、np.logspace()関数で半径の配列を生成します。

作成した半径配列に対応するdisk_level_set画像を作成し、空のリストに追加していきます。

なお、disk_level_setについては、下記記事で解説しました。

[scikit-image] 101. レベルセット法の初期レベルセット(ディスク)を作成するための関数(skimage.segmentation.disk_level_set)

scikit-imageのdisk_level_set関数を使ってレベルセット法の初期値となるディスク状のレベルセットを作成する方法を解説。画像セグメンテーションのための基本的なテクニックとパラメータ設定について詳しく説明しています。

disk_level_set画像の表示

作成したdisk_level_set画像の最初と最後の画像は以下のようになります。

フーリエ逆変換　ミニマスクの場合

フーリエ逆変換は、ifftshiftを適用してからifftnを実行することで実現できます。画像のコントラストを最適化するために、rescale_intensityを使用しています。表示結果は以下のようになります。

フーリエ逆変換　ラージマスクの場合

中心のわずかしかないパワースペクトルをフーリエ逆変換すると以下のようになります。

フーリエ逆変換アニメーション

disk_level_setで作成した画像を使ってパワースペクトルをマスクし、それをフーリエ逆変換してリストに追加していきます。アニメーションは、imshowの画像をset_dataメソッドで順次更新することで表示します。

コードをダウンロード(.pyファイル)

コードをダウンロード(.ipynbファイル)

まとめ

本記事では、matplotlibのFuncAnimationを用いてフーリエ逆変換による画像の周波数成分表示アニメーションを作成する方法を解説しました。低周波成分から高周波成分へと順次表示していくことで、画像がどのように構成されているかを視覚的に理解できるアニメーションの実装方法について紹介しました。この技術は画像処理や信号処理の教育ツールとしても有用です。