В математике преобразование Радона — это интегральное преобразование , которое переводит функцию f, определенную на плоскости, в функцию Rf, определенную на (двумерном) пространстве прямых на плоскости, значение которой на конкретной прямой равно линейному интегралу функции по этой прямой. Преобразование было введено в 1917 году Иоганном Радоном [1], который также предоставил формулу для обратного преобразования. Радон далее включил формулы для преобразования в трех измерениях , в которых интеграл берется по плоскостям (интегрирование по прямым известно как рентгеновское преобразование ). Позднее оно было обобщено на многомерные евклидовы пространства и более широко в контексте интегральной геометрии . Комплексный аналог преобразования Радона известен как преобразование Пенроуза . Преобразование Радона широко применяется в томографии , создании изображения из проекционных данных, связанных с поперечными сканированиями объекта.
Объяснение
Если функция представляет неизвестную плотность, то преобразование Радона представляет проекционные данные, полученные в качестве выходных данных томографического сканирования. Следовательно, обратное преобразование Радона может быть использовано для реконструкции исходной плотности из проекционных данных, и, таким образом, оно формирует математическую основу для томографической реконструкции , также известной как итеративная реконструкция .
Данные преобразования Радона часто называют синограммой, поскольку преобразование Радона нецентрального точечного источника представляет собой синусоиду. Следовательно, преобразование Радона ряда небольших объектов графически выглядит как ряд размытых синусоид с различными амплитудами и фазами.
двойной интеграл , распространяющийся на всю плоскость, сходится;
для любой произвольной точки на плоскости справедливо следующее
Преобразование Радона, , является функцией, определяемой на пространстве прямых линий интегралом по каждой такой линии как: Конкретно, параметризация любой прямой линии относительно длины дуги всегда может быть записана: где - расстояние от начала координат, а - угол, который вектор нормали к образует с осью -. Отсюда следует, что величины можно рассматривать как координаты на пространстве всех прямых в , а преобразование Радона можно выразить в этих координатах следующим образом: В более общем смысле, в -мерном евклидовом пространстве преобразование Радона функции, удовлетворяющей условиям регулярности, является функцией на пространстве всех гиперплоскостей в . Оно определяется следующим образом:
где интеграл берется относительно естественной меры гиперповерхности , (обобщая термин из -мерного случая). Заметим, что любой элемент из характеризуется как геометрическое место решений уравнения , где - единичный вектор и . Таким образом, -мерное преобразование Радона может быть переписано как функция от с помощью: Также возможно еще больше обобщить преобразование Радона, интегрируя вместо этого по -мерным аффинным подпространствам . Рентгеновское преобразование является наиболее широко используемым частным случаем этой конструкции и получается путем интегрирования по прямым линиям.
Связь с преобразованием Фурье
Преобразование Радона тесно связано с преобразованием Фурье . Мы определяем одномерное преобразование Фурье здесь как: Для функции -вектора одномерное преобразование Фурье равно: Для удобства обозначим . Теорема о срезе Фурье тогда гласит: где
Таким образом, двумерное преобразование Фурье исходной функции вдоль линии под углом наклона является преобразованием Фурье с одной переменной преобразования Радона (полученного под углом ) этой функции. Этот факт можно использовать для вычисления как преобразования Радона, так и его обратного. Результат можно обобщить на n измерений:
Двойное преобразование
Двойственное преобразование Радона является своего рода сопряженным к преобразованию Радона. Начиная с функции g на пространстве , двойственное преобразование Радона является функцией на R n , определяемой следующим образом: Интеграл здесь берется по множеству всех гиперплоскостей, инцидентных точке , а мера является единственной вероятностной мерой на множестве, инвариантной относительно вращений вокруг точки .
Конкретно, для двумерного преобразования Радона двойное преобразование задается следующим образом: В контексте обработки изображений двойное преобразование обычно называется обратной проекцией [4], поскольку оно берет функцию, определенную на каждой линии в плоскости, и «размазывает» или проецирует ее обратно на линию для получения изображения.
Переплетение свойств
Пусть обозначает Лапласиан на , определяемый как: Это естественный вращательно-инвариантный дифференциальный оператор второго порядка . На , «радиальная» вторая производная также вращательно-инвариантна. Преобразование Радона и его дуальное являются сплетающими операторами для этих двух дифференциальных операторов в том смысле, что: [5] При анализе решений волнового уравнения в нескольких пространственных измерениях свойство сплетания приводит к трансляционному представлению Лакса и Филипса. [6] В визуализации [7] и численном анализе [8] это используется для сведения многомерных задач к одномерным, как метод размерного разбиения.
Подходы к реконструкции
Процесс реконструкции создает изображение (или функцию в предыдущем разделе) из его проекционных данных. Реконструкция — это обратная задача .
Формула обращения Радона
В двумерном случае наиболее часто используемой аналитической формулой для восстановления из преобразования Радона является формула фильтрованной обратной проекции или формула обращения Радона [9] : где такое, что . [9] В некоторой литературе ядро свертки называют фильтром Ramp.
Некорректность
Интуитивно, в отфильтрованной формуле обратной проекции , по аналогии с дифференцированием, для которого , мы видим, что фильтр выполняет операцию, похожую на производную. Грубо говоря, тогда фильтр делает объекты более сингулярными. Количественное утверждение о некорректности инверсии Радона выглядит следующим образом:
где — ранее определенный сопряженный к преобразованию Радона. Таким образом , для , мы имеем: Таким образом,
комплексная экспонента является собственной функцией с собственным значением . Таким образом, сингулярные значения равны . Поскольку эти сингулярные значения стремятся к , неограниченно. [9]
Методы итеративной реконструкции
По сравнению с методом фильтрованной обратной проекции , итеративная реконструкция требует большого времени вычислений, что ограничивает ее практическое использование. Однако из-за некорректности инверсии Радона метод фильтрованной обратной проекции может оказаться невозможным при наличии разрывов или шума. Методы итерационной реконструкции ( например , итеративная асимптотическая минимальная дисперсия [10] ) могут обеспечить снижение металлических артефактов, шума и дозы для реконструированного результата, что привлекает большой исследовательский интерес во всем мире.
Формулы обращения
Доступны явные и вычислительно эффективные формулы обращения для преобразования Радона и его двойственного. Преобразование Радона в измерениях может быть обращено по формуле: [11] где , а степень Лапласа определяется как псевдодифференциальный оператор, если необходимо, с помощью преобразования Фурье : Для вычислительных целей степень Лапласа коммутируется с двойственным преобразованием , чтобы получить: [12] где - преобразование Гильберта относительно переменной s . В двух измерениях оператор появляется в обработке изображений как фильтр рампы. [13] Можно доказать непосредственно из теоремы Фурье о срезе и замены переменных для интегрирования, что для компактно поддерживаемой непрерывной функции двух переменных: Таким образом, в контексте обработки изображений исходное изображение может быть восстановлено из данных «синограммы» путем применения фильтра рампы (в переменной ) и последующего обратного проецирования. Поскольку этап фильтрации может быть выполнен эффективно (например, с использованием методов цифровой обработки сигнала ), а этап обратной проекции представляет собой простое накопление значений в пикселях изображения, это приводит к созданию высокоэффективного и, следовательно, широко используемого алгоритма.
В явном виде формула обращения, полученная последним методом, выглядит следующим образом: [4] Двойственное преобразование также может быть обращено с помощью аналогичной формулы:
Преобразование Радона в алгебраической геометрии
В алгебраической геометрии преобразование Радона (также известное как преобразование Брылинского–Радона ) строится следующим образом.
Основная теорема об этом преобразовании заключается в том, что это преобразование индуцирует эквивалентность категорий извращенных пучков на проективном пространстве и его двойственном проективном пространстве с точностью до постоянных пучков. [14]
^ Одложилик, Михал (2023-08-31). Исследование инверсии томографического разделения с быстрыми видимыми камерами на токамаке COMPASS (бакалаврская работа). Чешский технический университет в Праге. hdl :10467/111617.
^ Боннель, Н.; Рабин, Дж.; Пейр, Г.; Пфистер, Х. (2015). «Срезанные и радоновые барицентры Вассерштейна мер». Журнал математической визуализации и зрения . 51 (1): 22–25. Bibcode : 2015JMIV...51...22B. doi : 10.1007/s10851-014-0506-3. S2CID 1907942.
^ Рим, Д. (2018). «Размерное расщепление гиперболических уравнений в частных производных с использованием преобразования Радона». SIAM J. Sci. Comput . 40 (6): A4184–A4207. arXiv : 1705.03609 . Bibcode :2018SJSC...40A4184R. doi :10.1137/17m1135633. S2CID 115193737.
^ abc Candès 2016b.
^ Абейда, Хабти; Чжан, Цилинь; Ли, Цзянь; Мерабтин, Наджим (2013). «Итеративные разреженные асимптотические подходы на основе минимальной дисперсии для обработки массивов» (PDF) . Труды IEEE по обработке сигналов . 61 (4). IEEE: 933–944. arXiv : 1802.03070 . Bibcode : 2013ITSP...61..933A. doi : 10.1109/tsp.2012.2231676. ISSN 1053-587X. S2CID 16276001.
^ Хелгасон 1984, Теорема I.2.13.
^ Хелгасон 1984, Теорема I.2.16.
^ Нигрен 1997.
^ Киль и Вайсауэр (2001, глава IV, кор. 2.4)
^ ван Гинкель, Хендрикс и ван Влит 2004.
Ссылки
Киль, Рейнхардт ; Вайссауэр, Райнер (2001), Гипотезы Вейля, извращенные пучки и адическое преобразование Фурье , Springer, doi :10.1007/978-3-662-04576-3, ISBN 3-540-41457-6, г-н 1855066
Радон, Иоганн (1917), «Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten», Berichte über die Verhandlungen der Königlich-Sächsischen Akademie der Wissenschaften zu Leipzig, Mathematich-Physische Klasse [Отчеты о трудах Королевская Саксонская академия Науки в Лейпциге, Математический и физический отдел] (69), Лейпциг: Тойбнер: 262–277.; Перевод: Радон, Дж. (декабрь 1986 г.), «Об определении функций по их интегральным значениям вдоль некоторых многообразий», IEEE Transactions on Medical Imaging , 5 (4), перевод Паркса, PC: 170–176, doi : 10.1109/TMI.1986.4307775, PMID 18244009, S2CID 26553287.
Хельгасон, Сигурдур (1984), Группы и геометрический анализ: интегральная геометрия, инвариантные дифференциальные операторы и сферические функции , Academic Press, ISBN 0-12-338301-3.
Кандес, Эммануэль (2 февраля 2016 г.). «Прикладной анализ Фурье и элементы современной обработки сигналов – Лекция 9» (PDF) .
Кандес, Эммануэль (4 февраля 2016 г.). «Прикладной анализ Фурье и элементы современной обработки сигналов – Лекция 10» (PDF) .
Нюгрен, Андерс Дж. (1997). «Фильтрованная обратная проекция». Томографическая реконструкция данных SPECT .
van Ginkel, M.; Hendricks, CL Luengo; van Vliet, LJ (2004). "Краткое введение в преобразования Радона и Хафа и как они соотносятся друг с другом" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 29-07-2016.
Дальнейшее чтение
Локенат Дебнат; Дамбару Бхатта (19 апреля 2016 г.). Интегральные преобразования и их приложения. ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4200-1091-6.
Динс, Стэнли Р. (1983), Преобразование Радона и некоторые его приложения , Нью-Йорк: John Wiley & Sons
Хельгасон, Сигурдур (2008), Геометрический анализ симметричных пространств , Математические обзоры и монографии, т. 39 (2-е изд.), Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество , doi : 10.1090/surv/039, ISBN 978-0-8218-4530-1, г-н 2463854
Герман, Габор Т. (2009), Основы компьютерной томографии: реконструкция изображений из проекций (2-е изд.), Springer, ISBN 978-1-85233-617-2
Наттерер, Франк (июнь 2001 г.), Математика компьютерной томографии , Классика прикладной математики, т. 32, Общество промышленной и прикладной математики, ISBN 0-89871-493-1
Наттерер, Франк; Вюббелинг, Франк (2001), Математические методы реконструкции изображений , Общество промышленной и прикладной математики, ISBN 0-89871-472-9
Аналитическая проекция (преобразование Радона) (видео). Часть курса «Компьютерная томография и ASTRA Toolbox». Университет Антверпена . 10 сентября 2015 г.