Обратные и некорректные задачи в экспериментальной физике Пикалов Валерий Владимирович, ИТПМ СО РАН, Новосибирск д.ф.-м.н. www.itam.nsc.ru/lab17/ -- Избранные задачи томографии. Трехмерная рентгеновская эмиссионная томография. Томография рентгеновского и видимого диапазонов. Оптическая микротомография живых клеток крови человека. -- Томография в фазовом пространстве: спектротомография (двумерная спектроскопия), хронотомография (быстропротекающие процессы), доплеровская томография в пространстве скоростей. Локальная и глобальная томография: извлечение структур, изображения Вайнберга и Фаридани. Вычислительная томография: от анализа изображений к компьютерному видению. 1 www.itam.nsc.ru/lab17 2 3 4 Медицинская томография The Visible Human Project CT Scans Prior to Freezing www.nlm.nih.gov/research/ visible/fresh_ct.html Specimen from the Visible Human Male - Head subset Thorax subset 5 Abdomen subset Pelvis subset Feet subset I1 / I 0 exp{ g ( x)dx}, L Преобразование Радона: I L (t ) g ( x, y, t )dL L g ( x, y) ( p x sin y sin )dxdy 6 Обратное преобразование Радона Обратное проецирование с фильтрацией (ОПФ) Фильтр Шеппа-Логана - аппроксимация обратного преобразования Фурье фильтра ||. 7 Некоторые проблемы экспериментальной физической томографии • малое число углов наблюдения (проекций) • малое число детекторов на проекцию • проблема ограниченного углового диапазона • отсеченные проекции • время сбора данных (приложения реального времени) • шумы (разной природы) • аппаратурные искажения • оптическая плотность объекта • непрозрачные включения. 8 Схема регистрации проекций в эмиссионной томографии 9 Examples of plasma tomography Tomographic reconstruction method of gas density distribution by fast electron beam attenuation measurements is developed. Measurements and reconstructions are done for symmetric and asymmetric blunted cones with rarefied hypersonic (Mach number = 21) air flows around it. 10 Выбор параметра : •||Ag - f||2 = 2; Метод статистической регуляризации: •i+1 = n/(gi , gi); nSp( A WA ) 1 ( g 1 , g ) . Другой итерационный метод ART: g ( k 1) g ( k ) ( k ) f i ( k ) (a i ( k ) , g ( k ) ) ai(k ) 2 ai(k ) . 11 Интегральное уравнение Абеля Норвежский математик Нильс Хенрик Абель (1802-1829) Обратное преобразование Абеля (одномерная томография) Обратное преобразование Радона (двумерный случай) 12 Список литературы [1] Сайт группы Вычислительной томографии, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН : http://www.itam.nsc.ru/lab17/ [2] Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Вычислительная томография и физический эксперимент. // УФН. -1983. -Т.141. No.3. -С. 469-498. [3] Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы. Новосибирск: Наука. 1995. [4] Преображенский Н.Г., Пикалов В.В. Неустойчивые задачи диагностики плазмы. -Новосибирск: Наука, 1982. [5] Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Реконструктивная томография в газодинамике и физике плазмы. Новосибирск: Наука, 1987. [6] Vishnyakov G.N., Levin G.G., Minaev V.L., Pickalov V.V., Likhachev A.V. Tomographic interference microscopy of living cells. // Microscopy and Analysis (UK). -2004. -Vol.18. No.1. -P. 15-17. [7] Пикалов В.В., Непомнящий А.В. Итерационный алгоритм с вэйвлет-фильтрацией в задаче двумерной томографии. // Вычислительные методы и программирование. -2003. -Т.4. No.2. -С. 7584. 13 Часть II -- Избранные задачи томографии. Трехмерная рентгеновская эмиссионная томография. Томография рентгеновского и видимого диапазонов. Оптическая микротомография живых клеток крови человека. 14 I1 / I 0 exp{ g ( x)dx}, L Преобразование Радона: I L (t ) g ( x, y, t )dL L g ( x, y) ( p x sin y sin )dxdy 15 Интегральное уравнение первого рода: S(t) = K(t,s) F(s) ds Уравнение свертки – инвариантность к сдвигу: S(t) = K(t-s) F(s) ds F(t) Прибор: Неизвестное воздействие линейная аппаратная функция S(t) Измеренный сигнал K(t) Более общая операторная связь: S = KF 16 Алгебраические алгоритмы томографии ART Ag f g ( k 1) g (k ) f i ( k ) (a i ( k ) , g ( k ) ) a i(k ) 2 ai(k ) . MART gj ( k 1) gj a i ( k ) j . (ai ( k ) , g ( k ) ) (k ) fi ( k ) ai(k) - это i(k) строка проецирующей матрицы A, i(k)=[k(mod I)+1], - параметр релаксации, ( , ), - скалярное произведение и евклидова нома в RJ. Априорная информация: • условия совместности проекций (их моменты); • ограничения на томограмму и синограмму (положительность, оценка шума...) 17 The number of iterations - 13. Error = 5.05%. The number of iterations is 6. Error = 7.20%. Small line is reconstructed unsatisfactory. 18 Parameters of this series of reconstruction (axis for wave length X is taken as [-1,1] range): K_width = 0.25 (red line); Exact spectrum is a sum of three gaussians(green line): First Line from left: G_ampl = 0.3; G_x0 = -0.4; G_width = 0.1; Second Line: G_ampl = 1.0; G_x0 = -0.1; G_width = 0.2; Third Line: G_ampl = 0.9; G_x0 = 0.2; G_width = 0.3; . Blue line is a signal - result of convolution between red and green lines. Black line is the result of solution of inverse problem by software package Topas-Micro 19 Here the number of measurements is 3 times less, than the number of reconstructed points in spectrum (e.g. that is very underdetermined problem!). The number of iterations is 555. Error = 1.05%. 20 Свертка с прямоугольным ядром (горизонтальный смаз), ширина ядра – 77 пикселей (15% диаметра области). Исходное изображение “Lena”(512 x 512 пикселей). Восстановление изображения методом ART, первые 276 строк (левое) и полное – 512 строк. Параметры: 150 итераций, =0.15, положительность решения, 1 = 4-11%, без шума, время счета – 12 мин 55 сек (P-IV – 1800 MHz). 21 Fig.1. Schematic set-up of the plasma test – the reactor with a triangular test substrate for tomographic measurements 22 Томограммы простого фантома: осесимметричная гауссиана 23 Реконструкция гладких фантомов 3 6 12 24 25 26 27 Эллиптические изолинии порядка n Интегральное уравнение первого рода: его инверсия Данный подход обобщается и на изолинии произвольной формы 28 29 Двухракурсная томография: точное решение f1 ( y ) g ( x, y )dx, f 2 ( x) g ( x, y )dy. g ( x, y ) f1 ( y ) f 2 ( x) /( f1dy f 2 dx) 30 One-projection tomography, 3D object 2. Torus tangential view Balandin A., Fuchs G., Pickalov V., Rapp J., Soltwisch H. Vector tomography of plasmas using Faraday rotation. // Computerized tomography. -Utrecht: VSP, 1995. -P. 78-81. 31 Three-dimensional emission tomography of tokomak plasmas with a single tangentially viewing camera Model and its projections 32 Rays traces for different transforms (1.0, 1.5, 2.0): 33 Reconstruction (1.5): 34 Tomographical spectroscopy. Numerical simulations: Variations of cameras' number Model of complicated impurities' distribution Reconstruction by MENT algorithm (from Topas-Micro software package), Tomogram 101x101, 101 detectors for each camera, noise level in projections = 3%; 12 iterations 35 6 views Reconstructed and exact tomograms: 36 Реконструкция трехмерных структур лимфоцитов и эритроцитов методами фазовой микроскопии видимого диапазона Томографический микро-интерферометр 37 Erythrocyte: Collection (D) of 18 projections for the reconstruction (Rotation around horizontal axis). Each frame is scaled to its own maximum (Frames are marked by relative angle, from 27 to 61 degree, with 2 degree step; ) 38 Оптическая микротомография живых клеток крови Упрощенная модель лимфоцита для исследования задачи томографической реконструкции в условиях ограниченного углового диапазона сбора проекционных данных Рис.1. a) Точная модель, сечение плоскостью b) Результат томографической X=0. реконструкции (21 проекция, угол 800). лимфоцит Рис.2. Схема интерференционного микротомографа на базе микроскопа Линника: 1 - протяженный источник света; 2 - объектив; 3-светоделитель; 4, 8 - передние фокальные плоскости микрообъективов; 5, 9-микрообъективы; 6-объект; 7, 10 - зеркала; 11 - окуляр; 12 - плоскость регистрации. эритроцит Рис.3. Примеры использования новых алгоритмов трехмерной томографии ограниченного углового диапазона для оптической микротомографии живых клеток крови (эритроцитов и лимфоцитов) [Вишняков Г.Н. и др. Опт.спектр., 1999, 87(3):448] 39 Topas-Micro (5) Изоповерхности лимфоцита Java-анимация: http://www.itam.nsc.ru/lab17/res/vilev/limph/limph1.htm 40 Topas-Micro (6) Трехмерная оптическая микротомография клеток крови: лимфоцит (визуализация ИАиЭ, лаб. Долговесова Б.С.) Вишняков Г.Н., Левин Г.Г., Лихачев А.В., Пикалов В.В. Фазовая томография трехмерных биологических микрообъектов: численное моделирование и экспериментальные результаты. // Опт. спектр. -1999. -Т.87. No.3. -С. 448-454. 41 Tomography reconstruction of erythrocyte Eighteen equatorial projections placed each 2o in the interval[-18o; 16o] have been chosen for the tomography reconstruction of the erythrocyte (scheme 3). The algorithms ART, cART, and GP3Dm have been used for the reconstruction. Levin G.G., Vishnyakov G. N., Zakarian C. S., Likhachov A.V., Pickalov V.V., Kozinets G.I., Novoderzhkina J.K., Streletskaya E.A. Three-dimensional limited-angle microtomography of blood cells: experimental results. // Three-Dimensional and Multidimensional Microscopy: Image Acquisition and Processing V. SPIE Proceedings, 1998, Vol. 3261, pp.159-164. 42 1200 R R R=100 mm L=1645 mm Exact model and its tomographic reconstruction from 3 projections (noise 5%, method cART, error=15.5%). L Three 2-D projections of model emission object C C D Tree-views scheme of emission measurements Real experiment: 3-D ultra-violet emission tomography. Different time slices of 3-D reconstructions of flames structure (threeviews tomography). 43 Topas-Micro (8) 44 Список литературы [1] Сайт группы Вычислительной томографии, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН : http://www.itam.nsc.ru/lab17/ [2] Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Вычислительная томография и физический эксперимент. // УФН. -1983. -Т.141. No.3. -С. 469-498. [3] Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы. Новосибирск: Наука. 1995. [4] Преображенский Н.Г., Пикалов В.В. Неустойчивые задачи диагностики плазмы. -Новосибирск: Наука, 1982. [5] Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Реконструктивная томография в газодинамике и физике плазмы. Новосибирск: Наука, 1987. [6] Vishnyakov G.N., Levin G.G., Minaev V.L., Pickalov V.V., Likhachev A.V. Tomographic interference microscopy of living cells. // Microscopy and Analysis (UK). -2004. -Vol.18. No.1. -P. 15-17. [7] Пикалов В.В., Непомнящий А.В. Итерационный алгоритм с вэйвлет-фильтрацией в задаче двумерной томографии. // Вычислительные методы и программирование. -2003. -Т.4. No.2. -С. 7584. 45 Часть III -- Томография в фазовом пространстве: спектро-томография (двумерная спектроскопия), хроно-томография (быстропротекающие процессы), доплеровская томография в пространстве скоростей. Локальная и глобальная томография: извлечение структур, изображения Вайнберга и Фаридани. Вычислительная томография: от анализа изображений к компьютерному видению. 46 Levin G.G., Vishnyakov G.N. On the possibilities of chronotomography of high speed processes. // Optics Communications. -1985. -Vol.56. No.4. -P. 231-234. 47 Хронотомография Согласно рассматриваемой схеме излучение от изменяющегося во времени объекта 1, сформированное в квазипараллельный пучок объективом 2, направляют на мультиплицирующую систему, В данном случае ее роль играют два полупрозрачных зеркала 3, 4, которые разделяют пучок по трем каналам. В первом (I) канале излучение, пройдя глухое зеркало 5 и промежуточный объектив 6, поступает в регистратор 7, с помощью которого осуществляет взаимный сдвиг изображения объекта и регистрирующей среды, например, путем задания скорости вращения зеркала фотохронографа V1. Таким образом получают промежуточные изображения объекта. Во втором (II) канале излучение на регистратор 9 направляют с помощью промежуточного объектива 8. Регистратором 9 осуществляют сдвиг изображения, например, путем задания скорости вращения зеркала фотохронографа V2. В третьем (III) канале излучение на регистратор 12 направляют с помощью глухого зеркала 10 и промежуточного объектива 11. В регистраторе 12 задается скорость вращения зеркала V3. Различные режимы работы регистраторов 7, 9, 12 обеспечивают получение различных значений вектора сдвига изображений объекта относительно регистрирующей среды. В данной схеме возможно также получение различных значений вектора сдвига изображений объекта относительно регистрирующей среды и другими путями, например путем задания масштабов изображений или их поворотов, различающимися от канала к каналу. Левин Г.Г., Вишняков Г.Н. Оптическая томография. -М.: Радио и связь, 1989. -224 с. 48 хронотомографическая проекция: f ( x, y , V ) g ( x Vt, y, t )dt , x Vt const , tg x / t ;V tg . обобщение на спектротомографию … 49 z Doppler tomography y V1 V3 V2 f r (Vx ) g r (Vx , Vy , Vz ) dV y dVz x - трехмерное преобразование Радона Определение функции распределения ионов по скоростям с использованием проявления эффекта Доплера в их излучении. Poluektov N.P., Efremov N.P. New tomographic approach for deconvolution of ion velocity and temperature profiles in a plasma centrifuge. // J. Phys. D: Appl. Phys. -1998. -Vol.31. No.8. -P. 988-995. Инверсия: 1 g (Vx ,Vy ,Vz ) 2 4 (2 ) 2 f d 2 p 50 Continuous Wavelet Transform (W f )( a, b) a 1 / 2 t b f ( t ) dt a Mexican Hat Wavelet (t ) (1 t 2 ) exp( t 2 / 2) Wavelet necessary features: 1) Localization (in t- and k-spaces) 2) Zero moments m t (t )dt 0 3) Admissibility condition ˆ ( ) 0 d Wavelet Power Spectrum EW (a) (W f ) 2 (a, b)db The correspondence between frequency and wavelet scale: 5 (2 2a ) 51 Дискретное вэйвлет-преобразование модельного сигнала с помощью вэйвлета Хаара 1 52 Дискретное вэйвлет-преобразование модельного сигнала с помощью вэйвлета Добеши 4 53 Первые четыре масштабирующих функции (толстая линия) и соответствующие вэйвлеты (пунктир) из семейства Добеши. ,1 ;2 , 2 ;3 ,3 ;4 , 4 1 54 Multiscale analysis of tomogram with wavelet transform of projection data Radon transform of the convolution R ( g * g1 ) R g * R g1 (convolution theorem) (2)1 / 2 W f (b p ) W , g (bs , b p )dbs s bs p b p W , g (bs , b p ) 1 g ( s, p) , dsdp p bp dp W f (bp ) 1 / 2 f ( p) 1 Scale parameters of analyzing wavelet: 1=0.25, 2=0.15, 3= 0.1, 4=0.05, 5=0.01, 6=0.005 55 Test image Lena Projections 256 x 361, before CWT Reconstruction, CWT, MHAT-006 56 Projections, MHAT-0.04, 0.02 Supersonic jet flow 0.003 Reconstruction, 0.02 0.006 0.012 0.04, positiveness 57 Дискретное вэйвлет-преобразование x k2 j j j j/2 dx (W f )( 2 , k 2 ) f ( x), j ,k ( x) 2 f ( x) j 2 {0} ... V1 V0 V1 ... L2 ( R) V j L2 ( R ) j j ,k ( x) 2 (2 x k ), j, k Z j/2 Кратномасштабный анализ j f V j f (2) V j 1 V0 : { ( x k ), k Z } есть о.н.б. вV0 Быстрое вэйвлет-преобразование V1 : J0 J J 1 f ( x) cJ 0 ,l J 0 ,l ( x) d j ,l j ,l ( x) jJ0 l l c J 0 ,l f ( x) J 0 ,l ( x)dx H cJ H d j ,l f ( x) j ,l ( x)dx H G dJ d J 1 G kZ { j ,k | j, k Z} есть о.н.б. в L2 (R) H c J 1 c J 0 1 c J 0 G Pr ojV j1 f Pr ojV j f f , j ,k j ,k d J 0 1 c Hc c *2 h ( Hc ) k hl 2 k cl lZ c Gc c *2 g (Gc) k g l 2 k cl lZ ( x) 2 hk (2 x k ) kZ ( x) 2 g k (2 x k ) g k1,k ( x) kZ kZ g k (1) k h1 k 58 59 Фантом (слой 32) ART-реконструкция Разложение реконструкции в базисе D20 (A1, D1-D5) Фантом (слой 46) ART-реконструкция, σ=1% (Δ=17%) A4 (Δ=15%) 60 Comparative description of some approaches in local 2D-tomography Phantom itself and it’s interior region. Vainberg image g ( x, y) 1 V 2 2 f ( , x sin y cos )d p 0 Faridani image g ( x, y) g ( x, y) F V Continuous wavelet transform 1 2 2 f ( , x sin y cos )d 0 p b W f (b) 1/ 2 f ( p) dp 61 Reconstructions from noiseless projections Vainberg image Local continuous wavelet coefficients (α=0.002) Faridani image Reconstruction from filtered (D7) projections (DWT/IDWT) 62 Reconstructions from noisy projections (σ=2%) Vainberg image Faridani image Local continuous wavelet coefficients (α=0.002) Reconstruction from filtered (A5) projections (DWT/IDWT) 63 Filtered projections (D7) Reconstruction (D7) Filtered projections (A6) Reconstruction (A6), Δ=15% 256*256=65536 201*256 = 51456 (201*256)/2=25728 64 2D Tomographic Reconstruction Using Neumann Decomposition with Wavelet Filtering. g ( x, y ) exact tomogram, f ( i , p j ) projection data, linear integral of g ( x, y ) along lines: p j x sin i y cos i Li W 1 iW R01 i gi r i f Rg i wavelet filtering operator, approximate inverse Radon transform operator, relaxation parameter, reconstruction on i-th iteration, residual on i-th iteration g 0 R01 L0 f g i 1 g i i R01 Li r i Пикалов В.В., Непомнящий А.В. Итерационный алгоритм с вэйвлет-фильтрацией в задаче двумерной томографии. // Вычислительные методы и программирование. -2003. -Т.4. No.2. -С. 244-253. 65 Iterative tomogram reconstruction with wavelet filtering Model: Nx, Ny, N = 128, K = 7, Reconstruction: (rms=137%) =0.002,s0=4,si=6.SL2 rms=32% (300th iter) without noise Iterations g 0 R0:1 LS 0 f g i 1 g i i R01 LSi ( f RR01 g i ) 66 Reconstructions of Model 1 from noisy projections (K=6). Noise level σ=10% (proportional). a) MENT, Ni=50, Δ=7%, b) GP, Ni=50, Δ=10%, c) FBP, Δ=16%, d) NDWF, Ni=50, Δ=7%. Reconstructions of Model 2 from noisy projections (K=6). Noise level σ=10% (range). a) MENT, Ni=100, Δ=81%, b) GP, Ni=50, Δ=92%, c) FBP, Δ=97%, d) NDWF, Ni=50, Δ=83%. 67 Dependence of reconstruction error on number of iteration for MENT, GP, NDWF (no noise, K=6): a) gaussian, b) ring 68 Model No.53, 7 components Elementary phantom Magnitude x0 y0 a φ b , d 0.5 g r 0.5 0 18, rectangle 1 0.4 2, parabola -1/2 1 3, elliptical disk 1 0 -0.45 0.2 0.45 0 12, parabola - 1 1 0 0.45 0.2 0.45 0 13, cone 1 -0.4 0.45 0.2 0.45 0 14, parabola - 3/2 1 0.4 0.45 0.2 0.45 0 1, gaussian 0 e 0.2 0 -0.45 0.2 0.45 0 -0.4 -0.45 0.2 0.45 0 e e s Модель 53 пакета Topas-Micro, композиция из основных элементарных двумерных фантомов пакета. 69 Эллиптическая повернутая гауссиана Томограмма: g ( x, y ) C exp( 4 ln 2 t 2 ), 2 2 (( x x ) cos ( y y ) sin ) ( ( x x ) sin ( y y ) cos ) 0 0 0 0 t2 . 2 2 a b Синограмма: ( p p0 ) 2 abC f ( , p ) exp 4 ln 2 2 4 ln 2 , p 0 x sin cos , 2 a 2 sin 2 ( ) b 2 cos 2 ( ). 70 Парабола (1) с эллиптическим носителем Томограмма: C (1 t 2 ), t 1, g ( x, y ) t 1, 0, (( x x0 ) cos ( y y 0 ) sin ) 2 (( x x0 ) sin ( y y 0 ) cos ) 2 2 t . 2 2 a b Синограмма: 4abC ( p p 0 ) 1 f ( , p) 3 2 3/ 2 , p0 x sin cos , 2 a 2 sin 2 ( ) b 2 cos 2 ( ). 2 71 Парабола (1/2) с эллиптическим носителем Томограмма: 2 1/ 2 C ( 1 t ) , t 1, g ( x, y ) 0, t 1. Синограмма: abC ( p p0 ) 2 1 . f ( , p) 2 2 72 Парабола (3/2) с эллиптическим носителем Томограмма: 2 3/ 2 C ( 1 t ) , t 1, g ( x, y ) . 0, t 1, Синограмма: 3abC ( p p0 ) 1 f ( , p) 2 8 2 2 . 73 Ступенька с эллиптическим носителем Томограмма: C , g ( x, y ) 0, t 1, t 1, (( x x0 ) cos ( y y 0 ) sin ) 2 (( x x0 ) sin ( y y 0 ) cos ) 2 t . 2 2 a b 2 Синограмма: 2abC ( p p0 ) 1 f ( , p) 2 2 1/ 2 . 74 Конус с эллиптическим носителем Томограмма: C (1 t ), t 1, g ( x, y ) 0, t 1, (( x x0 ) cos ( y y0 ) sin ) 2 (( x x0 ) sin ( y y0 ) cos ) 2 2 t . a2 b2 Синограмма: 2 ( p p ) 0 1 1 2 2 2 ( p p0 ) ( p p0 ) abC f ( , p) 1 ln 2 2 2 2 ( p p ) 1 1 0 2 . 75 Model No.53 and its gradient module. 76 Model No.53 and its gradient module. 77 Список литературы [1] Сайт группы Вычислительной томографии, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А.Христиановича СО РАН : http://www.itam.nsc.ru/lab17/ [2] Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Вычислительная томография и физический эксперимент. // УФН. -1983. -Т.141. No.3. -С. 469-498. [3] Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы. Новосибирск: Наука. 1995. [4] Преображенский Н.Г., Пикалов В.В. Неустойчивые задачи диагностики плазмы. -Новосибирск: Наука, 1982. [5] Пикалов В.В., Преображенский Н.Г. Реконструктивная томография в газодинамике и физике плазмы. Новосибирск: Наука, 1987. [6] Vishnyakov G.N., Levin G.G., Minaev V.L., Pickalov V.V., Likhachev A.V. Tomographic interference microscopy of living cells. // Microscopy and Analysis (UK). -2004. -Vol.18. No.1. -P. 15-17. [7] Пикалов В.В., Непомнящий А.В. Итерационный алгоритм с вэйвлет-фильтрацией в задаче двумерной томографии. // Вычислительные методы и программирование. -2003. -Т.4. No.2. -С. 7584. 78 79 Центральная теорема томографии: теорема о центральном сечении 80 81 82