Преобразование Радона

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Преобразование Радонаинтегральное преобразование функции многих переменных, родственное преобразованию Фурье. Впервые введено в работе австрийского математика Иоганна Радона 1917-го года[1].

Важнейшее свойство преобразования Радона — обратимость, то есть возможность восстанавливать исходную функцию по её преобразованию Радона.

Двумерное преобразование Радона[править | править вики-текст]

Двумерное преобразование Радона.
В данном случае R(s,α) есть интеграл от f(x,y) вдоль прямой AA'

Рассмотрение преобразования Радона удобно начать с простейшего случая функции двух переменных, к тому же, именно этот случай наиболее практически важен.

Пусть функция двух действительных переменных, определённая на всей плоскости и достаточно быстро убывающая на бесконечности (так, чтобы соответствующие несобственные интегралы сходились). Тогда преобразованием Радона функции называется функция

(1)

Преобразование Радона имеет простой геометрический смысл — это интеграл от функции вдоль прямой, перпендикулярной вектору и проходящей на расстоянии (измеренного вдоль вектора , с соответствующим знаком) от начала координат.

Связь преобразования Радона и преобразования Фурье. Формула обращения[править | править вики-текст]

Рассмотрим двумерное преобразование Фурье от функции

(2)

Можно заметить, что показатель экспоненты в этом интеграле не изменяется, если мы двигаемся вдоль прямой перпендикулярной вектору , и изменяется наиболее быстро если мы движемся вдоль этого вектора. Поэтому удобно перейти к новым переменным. Обозначим , мы выберем новые переменные . Сделав замену переменных в интеграле, получаем

т.е.

(3)

Таким образом, одномерное преобразование Фурье от преобразования Радона для функции есть не что иное как двумерное преобразование Фурье от функции . Поскольку преобразование Фурье функции существует (это необходимое исходное допущение), то существует и обратное преобразование Фурье от функции . Учитывая (3), можно заключить, что должно существовать и обратное преобразование Радона.

Формула обращения для двумерного преобразования Фурье, как известно, выглядит следующим образом

Для наших целей удобно переписать эту формулу в полярных координатах

,

что, учитывая (3), немедленно даёт формулу обратного преобразования Радона

(4),

где .

Выражение (4), помимо того что является одним из вариантов записи обратного преобразования Радона, также определяет метод реконструкции из её проекций , называемый специалистами методом Фурье-синтеза. Таким образом, в методе Фурье-синтеза сначала необходимо сформировать из большого количества одномерных Фурье-образов проекций по полярной сетке двумерный спектр (при этом используется теорема о центральном сечении), а затем выполнить обратное двумерное преобразование Фурье в полярной системе координат от . Существуют и другие методы реконструкции из [2]

Теорема о центральном сечении[править | править вики-текст]

Применим операцию прямого преобразования Фурье к преобразованию Радона от :

Перестановка порядка интегрирования и применение фильтрующего свойства дельта функции приводят к формулировке теоремы о центральном сечении:

Из последнего равенства, в частности, следует, что Фурье-образ проекции представляет собой спектр функции вдоль прямой, проходящей через начало координат в частотной плоскости под углом . Таким образом Фурье-образ проекции является центральным сечением двумерного Фурье-образа функции . В литературе это свойство называют теоремой о центральном слое или центральном сечении.

Применение преобразования Радона[править | править вики-текст]

Схема получения рентгеновской томограммы

В компьютерной рентгеновской томографии линейка детекторов измеряет поглощение исследуемым объектом параллельного пучка излучения (например, рентгеновских лучей в медицинской томографии, сейсмических волн в геофизической томографии). В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера интенсивность излучения, измеряемая детектором в точке s линейки пропорциональна , где показатель поглощения вещества объекта для данного типа излучения, а интеграл берётся вдоль прямой проходящей через данный детектор и перпендикулярной линейке детекторов (z — координата на этой прямой). Соответственно, логарифм от интенсивности, взятый с обратным знаком, даёт преобразование Радона от показателя поглощения. Вращая систему из источника излучения и детектора вокруг объекта (при этом оставаясь в одной плоскости), или вращая сам объект вокруг оси, перпендикулярной плоскости, показаной на рисунке, получают множество луч-сумм в выбранном срезе объекта. Затем, используя один из методов реконструкции, можно восстановить распределение показателя поглощения в любой точке прозондированной плоскости объекта.

Преобразования Радона, подобным образом, используются и в магнито-резонансной томографии[3].

Преобразование Радона для функции произвольного числа переменных[править | править вики-текст]

Преобразование Радона для функции двух переменных можно удобно переписать через интеграл по всему пространству с помощью дельта-функции Дирака:

(2)

Здесь мы обозначили — радиус-вектор из начала координат, — двумерный элемент объёма, — единичный вектор, который можно параметризовать как . С помощью замены переменных легко убедиться, что определения преобразования Радона (1) и (2) полностью идентичны.

Формула (2) тривиально обобщается на случай произвольного числа измерений, для этого её даже не надо переписывать, достаточно под , и понимать соответственно N-мерный радиус-вектор из начала координат, элемент объёма в N-мерном пространстве и N-мерный единичный вектор. В принципе, вектор можно параметризовать углами в пространстве любого числа измерений. Например, в трёхмерном пространстве имеется параметризация .

Геометрический смысл преобразования Радона в многомерном случае: интеграл от функции по гиперплоскости перпендикулярной вектору и проходящей на расстоянии s от начала координат (взятом со знаком минус если перпендикуляр из начала координат на плоскость противоположно направлен с вектором ).

Обращение многомерного преобразования Радона[править | править вики-текст]

В многомерном случае преобразование Радона достаточно хорошей функции тоже обратимо. Покажем это.

Рассмотрим преобразование Фурье от по переменной s, то есть

.

Используя формулу (2) и свойства дельта-функции мы получим

.

Заметим теперь, что есть интеграл по всему N-мерному пространству (здесь под интегралом подразумевается интеграл по N-1 мерной сфере, в частности, для N=2 , для N=3 ). Из этого следует, что

.

Используя это представление векторной дельта-функции получаем формулу обращения

.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. J. Radon. Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten // Berichte Sächsische Akademie der Wissenschaften, Bande 29, s. 262-277, Leipzig, 1917.
  2. Глава 1
  3. S.R. Deans, S.Roderick "The Radon Transform and Some of its Applications" Wilwy, New York, 1983  (англ.)

Ссылки[править | править вики-текст]

  • И.С.Грузман Математические задачи компьютерной томографии. Соросовский образовательный журнал No. 5, 2001 pdf txt
  • Deans, Stanley R., The Radon Transform and Some of Its Applications. New York: John Wiley & Sons, 1983.
  • Natterer, Frank, The Mathematics of Computerized Tomography (Classics in Applied Mathematics, 32), Philadelphia, PA: Society for Industrial and Applied Mathematics, 2001 ISBN 0-89871-493-1
  • Natterer, Frank and Frank Wubbeling, Mathematical Methods in Image Reconstruction. Philadelphia, PA: Society for Industrial and Applied Mathematics, 2001 ISBN 0-89871-472-9

См. также[править | править вики-текст]