ガウシアンフィルタのフーリエ変換を導出する

本記事は2021年5月6日にアップロードしたGistを基にしています。

問題

以下の式で示される空間領域のガウシアンフィルタのフーリエ変換を求めなさい。

空間領域のガウシアンフィルタ

hg(x,y)=12πσ2ex2+y22σ2

出典は以下の投稿です。

導出過程

略解の行間を埋めるように導出の過程を示す。 j2=1 とする。

まず、x に関する積分と y に関する積分とを分離する。

ex2+y22σ2ej2π(ux+vy)dxdy=exp(x22σ2j2πux)dxexp(y22σ2j2πvy)dy.

左の被積分関数の指数を f(x,u) と置いて平方完成すると以下のようになる。

f(x,u):=x22σ2j2πux:=12σ2(x2+j4πσ2ux):=12σ2((x+j2σ2πu)2+(2πσ2)2u2).

これを用いて被積分関数 exp(f(x,u)) は以下のように整理できる。

exp(f(x,u))=exp(12σ2((x+j2σ2πu)2+(2πσ2)2u2))=exp(12σ2(x+j2σ2πu)2)exp(2π2σ2u2).

右の指数関数はその指数に積分変数 x を含まないから定数とみなせることに注意して、ガウス積分の結果を使えば以下のように積分できる。

exp(f(x,u))dx=exp(2π2σ2u2)exp(12σ2(x+j2πσ2u)2)dx=exp(2π2σ2u2)2πσ2.

したがって以下の通り解が得られる。

F(hg(x,y))=12πσ2exp(f(x,u))dxexp(f(y,v))dy=12πσ2exp(2π2σ2u2)2πσ2exp(2π2σ2v2)2πσ2=exp(2π2σ2(u2+v2)).

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