ラドン変換

ラドン変換。 ( x , y )領域fを( α , s )領域のRfに写像する。  

数学においてラドン変換は、平面上で定義された関数f を平面内の(2次元)直線空間上で定義された関数Rfに変換する積分変換であり、特定の直線におけるその値は、その直線上の関数の線積分に等しくなります。この変換は1917年にヨハン・ラドン[1]によって導入され彼は逆変換の式も提供しました。ラドンはさらに、積分が平面上で行われる3次元の変換の式を含めました(直線上の積分は、X線変換として知られています)。これは後に、より高次元のユークリッド空間に一般化され、より広く積分幾何学の文脈で一般化されました。ラドン変換の複雑な類似物は、ペンローズ変換として知られています。ラドン変換は、オブジェクトの断面スキャンに関連する投影データから画像を作成するトモグラフィーに広く適用できます。

説明

下の図に示す2つの正方形の指標関数のラドン変換。明るい領域は関数値が大きいことを示し、黒はゼロを示します。
元の関数は、白い領域では 1、暗い領域では 0 になります。

関数が未知の密度を表す場合、ラドン変換は断層撮影スキャンの出力として得られた投影データを表します。ラドン変換の逆変換は、投影データから元の密度を再構成するために使用することができ、これは反復再構成とも呼ばれる断層撮影再構成の数学的基盤となります。

ラドン変換データは、中心から外れた点光源のラドン変換が正弦波となることから、しばしばサイノグラムと呼ばれます。したがって、多数の小さな物体のラドン変換は、振幅と位相が異なる複数のぼやけた正弦波としてグラフィカルに表示されます。

ラドン変換は、コンピュータ断層撮影(CAT スキャン)、バーコードスキャナー、ウイルスタンパク質複合体などの高分子集合体電子顕微鏡検査反射地震学、および双曲型偏微分方程式の解法に役立ちます

形状を横切る投影は、累積信号(中央のバー)を生成します。右側のサイノグラムは、形状が回転するにつれて、このような投影を多数収集することで生成されます。ここでは、どの物体が信号のどの部分を生成しているかを色で示しています。直線状の特徴が投影方向と一致すると、信号が強くなることに注意してください。
異なる角度からの観測データを用いたラドン変換による再構成の例。投影データに逆変換を適用することで、スライス画像を再構成します。[2]

意味

3つの正則条件を満たす関数を考える: [ 3]

  1. 連続している。
  2. 平面全体に広がる二重積分は収束する。
  3. 平面上の任意の点に対して、


ラドン変換 は、直線空間上で各直線に沿った線積分によって定義される関数です。具体的には、弧の長さに関する任意の直線の媒介変数化は、常に次のように表すことができます。ここで、 は原点から までの距離、 は への法線ベクトルが -軸となす角度です。したがって、これらの量は内のすべての直線の空間上の座標と見なすことができ、ラドン変換はこれらの座標で次のように表すことができます。より一般的には、次元ユークリッド空間において、正則性条件を満たす関数のラドン変換は内のすべての超平面の空間上の関数です。これは次のように定義されます。

ここで、積分は自然な超曲面 測度に関して取られます(次元の場合の項を一般化)。 の任意の要素は方程式 の解の軌跡として特徴付けられることに注目してください。ここで、 は単位ベクトルです。したがって、次元ラドン変換は、次式によって 上の関数として書き直すことができますの 次元アフィン部分空間上で代わりに積分することで、ラドン変換をさらに一般化することもできます。X線変換は、この構成の最も広く使用されている特殊なケースであり、直線上で積分することで得られます。

フーリエ変換との関係

2 つのフーリエ変換を使用して 2 次元ラドン変換を計算します。

ラドン変換はフーリエ変換と密接に関連しています。ここで一変数フーリエ変換を次のように定義します。 -ベクトルの関数に対して、一変数フーリエ変換は次のようになります。便宜上、 と表記しますフーリエスライス定理は次のように示します。ここで

したがって、傾斜角 の直線に沿った初期関数の2次元フーリエ変換は、その関数のラドン変換(角度 で得られる)の1変数フーリエ変換である。この事実は、ラドン変換とその逆変換の両方を計算するために利用できる。結果はn次元に一般化できる。

デュアル変換

双対ラドン変換は、ラドン変換の一種の随伴関数です。空間 上の関数gから始めて、双対ラドン変換はR n上の関数で、次のように定義されます。ここでの積分は、点 に接するすべての超平面の集合上で行われ、測度 は、点 の周りの回転に対して不変な集合 上の唯一の確率測度です

具体的には、2次元ラドン変換の場合、デュアル変換は次のように表されます。画像処理の文脈では、デュアル変換は平面内の各線で定義された関数を取り、それを線の上に「スミア」または投影して画像を生成するため、一般にバックプロジェクション[4]と呼ばれます。

絡み合う性質

で定義されるラプラシアンをと表記するこれは自然な回転不変な2階微分演算子である。 では、「ラジアル」2階微分も回転不変である。ラドン変換とその双対は、これらの2つの微分演算子にとって、以下の意味で絡み合う演算子である。 [5]波動方程式の解を多次元空間で解析する際に、この絡み合う性質からラックスとフィリップスの並進表現が得られる。[6]画像解析[7]や数値解析[8]において、これは次元分割法として、多次元問題を1次元問題に縮約するために利用される。

復興のアプローチ

再構成のプロセスは、投影データから画像(または前節の関数)を生成する。再構成は逆問題である

ラドン逆変換式

2次元の場合、ラドン変換から回復するために最も一般的に使用される解析式は、フィルタ逆投影式またはラドン反転式[9]です。ここで、はとなる式です[9]畳み込みカーネルは、一部の文献ではランプフィルタと呼ばれています。

不適切さ

フィルタ逆投影の公式において、微分( )との類推から、直感的に、フィルタは導関数と同様の演算を実行することがわかります。つまり、大まかに言えば、フィルタはオブジェクトをより特異にします。ラドン逆変換の不適切性を定量的に記述すると、次のようになります。ここで、 はラドン変換の以前に定義された随伴関数です。したがって、については、次の式が成り立ちます。したがって、複素指数関数は、固有値 を持つの固有関数です。したがって、 の特異値はです。これらの特異値は に近づくためは有界ではありません。[9]

反復再構成法

フィルタ逆投影法と比較して、反復再構成法は計算時間が長く、実用化が制限されています。しかし、ラドン逆投影法の不適切性のため、フィルタ逆投影法は不連続性やノイズが存在する場合には実行不可能となる可能性があります。反復再構成法(例えば、 反復スパース漸近最小分散法[10])は、再構成結果における金属アーチファクトの低減、ノイズの低減、線量低減を実現する可能性があり、世界中で多くの研究の関心を集めています。

反転式

ラドン変換とそのデュアルに対して、明示的かつ計算効率の高い逆変換式が利用可能です。 次元のラドン変換は、次式で逆変換できます。[11]ここで、ラプラシアンのべき乗は、必要に応じてフーリエ変換によって擬似微分演算子として定義されます計算上、ラプラシアンのべき乗はデュアル変換と交換され、次式になります[12]ここでは変数に関するヒルベルト変換です。 2 次元では、演算子はランプ フィルタとして画像処理に使用されます。[13]フーリエのスライス定理と積分のための変数変換から、 2 変数のコンパクトにサポートされた連続関数に対して次式が直接証明できます。 したがって、画像処理のコンテキストでは、ランプ フィルタ (変数) を適用してから逆投影することで、 「サイノグラム」データから元の画像を復元できます。フィルタリング手順は(たとえばデジタル信号処理技術を使用して)効率的に実行でき、逆投影手順は画像のピクセル内の値の単純な累積であるため、非常に効率的で、広く使用されているアルゴリズムになります。

後者の方法によって得られる逆変換式は明示的に次のようになる:[4] 双対変換も同様の式で逆変換できる:

代数幾何学におけるラドン変換

代数幾何学では、ラドン変換(ブリリンスキー-ラドン変換とも呼ばれる)は次のように構築されます。

書く

普遍超平面の場合、つまり、H は( xh )のペアで構成されます。ここで、 x はd次元射影空間 内の点でありh は双対射影空間内の点です(つまり、x は( d +1) 次元アフィン空間内の原点を通る直線でありhはその空間内の超平面です)。この場合、x はhに含まれます

すると、ブリリンスキー・ラドン変換は、エタール層の適切な導来圏間の関手となる。

この変換に関する主要な定理は、この変換によって、定数層までの射影空間とその双対射影空間上の倒錯層のカテゴリの同値性が誘導されるというものである。 [14]

参照

注記

  1. ^ ラドン 1917.
  2. ^ Odložilík, Michal (2023-08-31). COMPASSトカマクにおける高速可視カメラを用いたデタッチメント・トモグラフィー・インバージョン研究(学士論文). チェコ工科大学プラハ校. hdl :10467/111617.
  3. ^ ラドン 1986.
  4. ^ Roerdink 2001より。
  5. ^ ヘルガソン 1984、補題I.2.1。
  6. ^ Lax, PD; Philips, RS (1964). 「散乱理論」. Bull. Amer. Math. Soc . 70 (1): 130– 142. doi : 10.1090/s0002-9904-1964-11051-x .
  7. ^ Bonneel, N.; Rabin, J.; Peyre, G.; Pfister, H. (2015). 「スライス法とラドン・ワッサーシュタイン法による測定重心」. Journal of Mathematical Imaging and Vision . 51 (1): 22– 25. Bibcode :2015JMIV...51...22B. doi :10.1007/s10851-014-0506-3. S2CID  1907942.
  8. ^ Rim, D. (2018). 「ラドン変換を用いた双曲型偏微分方程式の次元分割」. SIAM J. Sci. Comput . 40 (6): A4184 – A4207 . arXiv : 1705.03609 . Bibcode :2018SJSC...40A4184R. doi :10.1137/17m1135633. S2CID  115193737.
  9. ^ abc Candès 2021b.
  10. ^ Abeida, Habti; Zhang, Qilin; Li, Jian; Merabtine, Nadjim (2013). 「反復スパース漸近最小分散に基づくアレイ処理アプローチ」(PDF) . IEEE Transactions on Signal Processing . 61 (4). IEEE: 933– 944. arXiv : 1802.03070 . Bibcode :2013ITSP...61..933A. doi :10.1109/tsp.2012.2231676. ISSN  1053-587X. S2CID  16276001.
  11. ^ Helgason 1984、定理 I.2.13。
  12. ^ Helgason 1984、定理 I.2.16。
  13. ^ ナイグレン 1997.
  14. ^ Kiehl & Weissauer (2001、Ch. IV、Cor. 2.4)
  15. ^ ファン ギンケル、ヘンドリックス、ファン ブリート 2004.

参考文献

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  • ラドン、ヨハン(1917)、「Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten」、Berichte über die Verhandlungen der Königlich-Sächsischen Akademie der Wissenschaften zu Leipzig、数学物理学教室[ライプツィヒ王立ザクセン科学アカデミーの議事録に関する報告書、数学および物理セクション] ( 69)、ライプツィヒ: Teubner: 262–277;
    翻訳: Radon, J. (1986年12月)、「特定の多様体に沿った積分値からの関数の決定について」、IEEE Transactions on Medical Imaging5 (4)、Parks訳、PC: 170– 176、doi :10.1109/TMI.1986.4307775、PMID  18244009、S2CID  26553287
  • Roerdink, JBTM (2001) [1994], 「トモグラフィー」,数学百科事典, EMS Press
  • ヘルガソン、シグルドゥル(1984)、群と幾何学的解析:積分幾何学、不変微分作用素、球面関数、アカデミックプレス、ISBN 0-12-338301-3
  • カンデス、エマニュエル(2021年2月9日a)「応用フーリエ解析と現代信号処理の要素 – 講義9」(PDF
  • カンデス、エマニュエル(2021年2月11日b)「応用フーリエ解析と現代信号処理の要素 – 講義10」(PDF
  • Nygren, Anders J. (1997). 「フィルタ逆投影法」SPECTデータの断層画像再構成
  • van Ginkel, M.; Hendricks, CL Luengo; van Vliet, LJ (2004). 「ラドン変換とハフ変換の簡単な紹介とそれらの関係性」(PDF) . 2016年7月29日時点のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。

さらに読む

  • ロケナス・デブナス。ダンバル・バッタ(2016年4月19日)。積分変換とその応用。 CRCプレス。ISBN 978-1-4200-1091-6
  • ディーン、スタンレー・R.(1983)「ラドン変換とその応用」ニューヨーク:ジョン・ワイリー・アンド・サンズ
  • ヘルガソン、シグルドゥル (2008)、「対称空間の幾何学的解析」、数学概論およびモノグラフ、第39巻(第2版)、プロビデンス、ロードアイランド州:アメリカ数学会doi :10.1090/surv/039、ISBN 978-0-8218-4530-1MR  2463854
  • ハーマン、ガボール・T.(2009年)、コンピュータ断層撮影の基礎:投影からの画像再構成(第2版)、シュプリンガー、ISBN 978-1-85233-617-2
  • Minlos, RA (2001) [1994]、「ラドン変換」、数学百科事典EMS Press
  • ナッテラー、フランク(2001年6月)「コンピュータ断層撮影の数学」応用数学の古典、第32巻、産業応用数学協会、ISBN 0-89871-493-1
  • Natterer, Frank; Wübbeling, Fr​​ank (2001),画像再構成における数学的手法, Society for Industrial and Applied Mathematics, Bibcode :2001mmir.book.....N, ISBN 0-89871-472-9
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