ラドン変換

ラドン変換。 ( x , y )-領域上のfを( α , s )-領域上のRf写像する  

数学においてラドン変換とは、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公式も提供しました。ラドンはさらに、平面上で積分が行われる3次元での変換の公式も含めました(直線上での積分はX線変換として知られています)。これは後に高次元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用いら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、物体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

下の画像に示す2つの正方形の指示関数のラドン変換。明るい領域は関数値が大きいことを示します。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です。

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でき、したがって、反復再構成としても知られる断層撮影再構成の数学的基盤を形成します。

中心から外れた点光源のラドン変換は正弦波であるため、ラドン変換データは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、異なる振幅と位相を持つ 多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、双曲型偏微分方程式の解法に役立ちます

形状を貫く水平方向の投影は、蓄積された信号(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強調するために色が使用されています。直線的な特徴が投影方向と一致すると、より強い信号が生成されることに注目してください。
異なる角度からの観測値を用いたラドン変換による再構成の例。投影データに適用された反転により、スライス画像が再構成されます。[2]

定義

を3つの正則性条件を満たす関数とします。[ 3]

  1. は連続である。
  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ついて、次の式が成り立つ


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、弧長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、は原点からの直線の距離であり、は直線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-次元ユークリッド空間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において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、-次元ユークリッド空間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、積分は自然超曲面 測度に関して行われます(次元の場合の項を一般化)。 の任意の元は方程式 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、 を介して 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用いた2次元ラドン変換の計算

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述べます。ここで

したがって、傾斜角 における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 で取得)の1変数フーリエ変換です。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使用できます。結果はn次元に一般化できます。

双対変換

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、双対変換は次のように与えられます。画像処理の文脈では、双対変換は一般に逆投影[4]と呼ばれます。これは、平面の各直線上で定義された関数を取り、それを直線上に「スミア」または投影して画像を生成するためです。

絡み合い特性

で定義されるラプラシアンを と表すとしますこれは自然な回転不変な2階微分演算子です。 では、「ラジアル」2階微分も回転不変です。ラドン変換とその双対は、これらの2つの微分演算子の絡み合い演算子であり、次の意味で次のようになります。[5]波動方程式の解を多次元空間で解析する際に、この絡み合いの性質からラックスとフィリップスの並進表現が得られます。[6]画像化[7]と数値解析[8]では、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これが利用されます。

再構成アプローチ

再構成のプロセスは、投影データから画像(または前のセクションの関数)を生成します。再構成は逆問題です

ラドン逆変換式

2次元の場合、ラドン変換から復元するために最も一般的に使用される解析的公式は、フィルタ逆投影公式またはラドン逆変換公式[9]です。ここで、はとなる[9]畳み込みカーネルは、いくつかの文献ではランプフィルタと呼ばれています。

不良設定性

直感的に、フィルタ逆投影公式では、微分( )との類推により、フィルタは微分に似た演算を実行することがわかります。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の定量的な記述は次のとおりです。ここで、 は以前に定義されたラドン変換の随伴関数です。したがって、の場合、次式が成り立ちます。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 になる傾向がある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、反復再構成は計算時間が長く、実用性が制限されます。しかし、ラドン逆投影法は不適切であるため、不連続性やノイズが存在する場合、フィルタ逆投影法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、再構成結果の金属アーチファクトの低減、ノイズの低減、線量の低減を実現できるため、世界中で多くの研究の関心を集めています。

逆投影法の公式

ラドン変換とその双対のための、明示的で計算効率の高い逆変換式が利用可能です次元におけるラドン変換は、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、双対変換と交換されて次式になります。[12]ここでは、s変数に関するヒルベルト変換です。2 次元では、この演算子は画像処理でランプ フィルタとして使用されます。[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、コンパクトにサポートされた2 変数の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 ステップは効率的に実行でき (たとえば、デジタル信号処理技術を使用)、逆投影ステップは画像のピクセル内の値の累積にすぎないため、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。

後者の方法で得られる逆変換式は、明示的には[4]の とおりです。双対変換も同様の式で逆変換できます。

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。

と書きます

普遍超平面の場合、つまり、Hは( x , h )のペアで構成され、 xはd次元射影空間 内の点hは双対射影空間内の点(言い換えれば、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)であり、xhに含まれる

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定理は、この変換によって、射影空間とその双対射影空間上の倒錯層の圏が、定数層まで同値になることである。 [14]

参照

注釈

  1. ^ Radon 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. ^ Radon 1986.
  4. ^ ab Roerdink 2001.
  5. ^ Helgason 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.
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  9. ^ abc Candès 2021b
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  11. ^ Helgason 1984, 定理 I.2.13.
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  13. ^ Nygren 1997
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参考文献

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参考文献

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  • 解析投影(ラドン変換)(ビデオ)。「コンピュータ断層撮影とASTRAツールボックス」コースの一部。アントワープ大学。2015年9月10日
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