一张平面图像的一个读数,可以是沿整条直线累计的总量。转动直线并改变它与原点的距离,会得到一族投影。Radon变换研究这些读数怎样编码原图像;切片定理说明,每个完整投影恰好提供二维频谱中的一条直线。
形式陈述
直线用法向和距离编号
令
θ α = ( cos α , sin α ) , θ α ⊥ = ( − sin α , cos α ) , 0 ≤ α < π . 直线 x ⋅ θ α = s 可写成 x = s θ α + t θ α ⊥ 。这里 s 可正可负,t 沿直线移动;θ α 是法向,不是射线行进方向。定义
(1) ( R f ) ( α , s ) = ∫ R f ( s θ α + t θ α ⊥ ) d t . 本页的逐点定理先取 f ∈ S ( R 2 ) :这表示 f 无限可微,且每个偏导数乘任意多项式后仍有界。高斯及其任意阶导数都属于这类。快速衰减保证式(1)对每条线绝对收敛,投影关于s也光滑、快速衰减;对s求导只需在积分内使用方向导数,衰减界提供可积控制函数。
对一般 f ∈ L 1 ( R 2 ) ,选择一个Borel代表后,式(1)对每个固定角度的几乎所有s有意义,并且
(2) ∫ R | R f ( α , s ) | d s ≤ ‖ f ‖ 1 , ∫ 0 π ∫ R | R f | d s d α ≤ π ‖ f ‖ 1 . 此时投影是等价类,不承诺每条特定直线上的读数。修改f在一条直线上的值不改变二维L1类,却可能改变那条线的积分;式(2)的几乎处处合同正好容纳这种差别。
切片定理的频率规范
沿用Fourier变换 理路 Fourier 变换 Fourier transform · 傅里叶变换 把非周期函数分解为连续频率成分,并将卷积和平移不变算子转为频域乘法。 的 2 π 规范,二维变换记作 f ^ ,只对投影距离s做的一维变换记作 F s 。对 f ∈ L 1 ,每个固定角度都有
(3) F s ( R f ) ( α , σ ) = f ^ ( σ θ α ) , σ ∈ R . 对 f ∈ S ,所有角度的完整投影唯一决定f。这里完整包括全部 s ∈ R ,全角包括整个半圆;两份函数的投影几乎处处相同也足够。有限条投影不满足这个信息合同。
直觉
为什么沿线积分留下法向频率
在直线 x = s θ + t θ ⊥ 上,频率 σ θ 的振荡因子是
e − 2 π i ( σ θ ) ⋅ x = e − 2 π i σ s . 它与沿线坐标t无关。因此先沿t累计,再沿s计算频率,与直接在平面上计算频率 σ θ 是同一件事。注意这条频率线沿法向θ,而不是沿原来的积分直线。
图片加载失败 左侧蓝线沿θ的垂直方向积分,右侧蓝线却沿法向θ读取频谱。灰色等值线分别为空间密度和频谱的模,未表示两者在同一坐标中重合。
换序和换元各负责一步
矩阵 [ θ θ ⊥ ] 是行列式为1的旋转。对连续紧支撑函数,多变量换元 理路 多元积分换元定理 Multivariable change of variables theorem · Jacobian substitution theorem · 重积分换元 在C¹微分同胚和紧Jordan域上证明绝对Jacobian换元公式,区分有向符号、零测边界和重复覆盖。 先在有限矩形上给 d x = d s d t ;扩大矩形并控制绝对尾即可用于快速衰减函数。一般L1函数由连续紧支撑函数在L1中的逼近扩展这个保积分的旋转操作,因而同样有
∫ R 2 | f ( s θ + t θ ⊥ ) | d s d t = ‖ f ‖ 1 . 这不需要把无限区域直接塞进有限区域换元的假设。
由上述有限绝对积分,Fubini定理 理路 Fubini 定理 Fubini's theorem 在适当可积条件下,多重积分等于任意次序的迭代积分。 允许交换次序:
F s ( R f ) ( α , σ ) = ∫ R ∫ R f ( s θ + t θ ⊥ ) e − 2 π i σ s d t d s = ∫ R 2 f ( x ) e − 2 π i σ θ ⋅ x d x = f ^ ( σ θ ) . 同一绝对积分删去指数并用三角不等式,便得到式(2)。
全角唯一性为何不等于有限角唯一性
若Schwartz函数的投影为零,式(3)让频谱在每条径向直线上为零。任意非零 ξ ∈ R 2 都唯一写成 σ θ α (除角度端点约定外),所以整个频谱为零,Fourier反演给 f = 0 。Schwartz频谱确实可积:对f反复分部积分,将频率的多项式增长转移成仍可积的偏导数,就得到足够快的频率衰减。
若投影仅几乎处处为零,则对几乎所有α,一维变换对所有σ为零。这些α在半圆中稠密;f ^ 的连续性再补齐缺少的方向。反之,有限个角度只给有限条频率直线,直线之间仍有未测信息。
例子与边界
平移且倾斜的高斯
设A为实对称正定二阶矩阵,a ∈ R 2 ,取
f ( x ) = exp [ − π ( x − a ) T A ( x − a ) ] . 固定θ后令
d = θ T A θ , b = θ T A θ ⊥ , c = ( θ ⊥ ) T A θ ⊥ > 0. 沿线坐标减去 a ⋅ θ ⊥ ,法向距离减去 a ⋅ θ ;再配方:
d u 2 + 2 b u v + c v 2 = c ( v + b u / c ) 2 + det A c u 2 , d c − b 2 = det A . 利用一维高斯积分,得到整个投影
(4) R f ( α , s ) = 1 c exp [ − π det A c ( s − a ⋅ θ ) 2 ] . 振幅 c − 1 / 2 不能删除:积分线沿窄方向穿过时,累计量会变小。投影宽度取决于 det A / c ,一般也不等于 θ T A θ 。
令 A = ( 2 1 1 2 ) 、a = ( 1 / 2 , − 1 ) 。对θ=(3/5,4/5),有c=26/25、a ⋅ θ = − 1 / 2 ,所以
R f ( α , s ) = 5 26 e − π ( 75 / 26 ) ( s + 1 / 2 ) 2 . 其一维变换为
1 3 e − π ( 26 / 75 ) σ 2 e π i σ . 这正好等于二维公式
f ^ ( ξ ) = 1 det A e − π ξ T A − 1 ξ e − 2 π i a ⋅ ξ 在 ξ = σ θ 处的值。后一式可将A正交对角化后做两次一维高斯变换,或对上述配方逐次积分得到。
完整的两条投影仍可能什么都看不到
令 ψ ( x , y ) = e − π ( x 2 + y 2 ) ,取
g = ∂ x ∂ y ψ = 4 π 2 x y e − π ( x 2 + y 2 ) ≠ 0. 它沿坐标法向θ=(1,0)和(0,1)的投影都为零:积分变量中的奇函数在两侧抵消。对一般θ,切片定理及微分的Fourier公式却给
(5) R g ( α , s ) = θ 1 θ 2 d 2 d s 2 e − π s 2 = θ 1 θ 2 ( 4 π 2 s 2 − 2 π ) e − π s 2 . 因此θ=(3/5,4/5)、s=0时,读数为 − 24 π / 25 。相同的两条坐标投影可以对应f和f+g两张不同的图像;这里函数允许有符号,未额外假定非负密度。
任意有限组法向 θ 1 , … , θ m 也一样。取
g = ∏ j = 1 m ( θ j ⊥ ⋅ ∇ ) ψ . 其频谱等于非零多项式 ∏ j 2 π i ( θ j ⊥ ⋅ ξ ) 乘高斯,所以g非零;但在每条已测频率线 ξ = σ θ j 上,该多项式有一个零因子。这给出真正快速衰减的零数据输入,不依赖有限数值采样。
推论与应用
把所有角度的切片拼回频率平面后,还必须考虑面积元:极坐标中的环带面积随半径增长。滤波反投影 理路 滤波反投影与截止误差 Filtered backprojection · Filtered back projection · FBP · 斜坡滤波反投影 由极坐标面积元推导连续全角反演,证明截止K后从投影L2数据到图像L2的准确算子范数为√K,并分别认证噪声、谱尾与离散实现误差。 用斜坡因子 | σ | 补偿这件事;直接把读数沿原线涂回去不会自动恢复f。截止高频后的准确噪声界,则要同时核对投影数据与图像使用的不同积分测度。
若先验已知 f ( x ) = q ( | x | ) ,旋转不变性使全部角度给同一条投影。这不是有限角反例的例外漏洞,而是未知函数类缩小了。Abel径向反演 理路 Abel变换与径向反演 Abel transform · Abel inversion · Abel integral equation · 阿贝尔积分变换 把径向直线投影化成平方根奇异核,通过两次积分的复合与连续点求导恢复剖面,核清分层跳点、端点迹和导数型反演的正则性条件。 利用该先验把问题化成一个平方根端点核,并能恢复分层剖面。
投影关于s的总积分为 ∫ R 2 f ,与角度无关;这是把式(3)取σ=0,也可直接换序证明。若各角度的总质量不一致,给定读数就不是某个可积f的精确全投影。不过这一项必要条件远不足以认证全部数据相容性。
连续投影重建终点 要求分别交付高斯配方、有限角零数据函数、截止误差及径向迁移证书。它不把几幅投影图示当成任意二维图像已经可恢复的证据。
参考资料
Matthias Beckmann,Computer Tomography ,2023-12-04,§2.2,Definitions2.5、Propositions2.6、2.11、2.15;§3.1,Theorem3.1及Corollary3.2,印页8–12、19–20。这里使用库中2π规范,明确L1等价类与Schwartz逐点合同;倾斜高斯和有限角导数反例在正文直接推导。