7. Előadás tartalma. Lineáris szűrők: Inverz probléma dekonvolúció: Klasszikus szűrők súly és átviteli függvénye Gibbs jelenség

Hasonló dokumentumok
Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 6-8. ea ősz

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 7-8. ea ősz

A maximum likelihood becslésről

Képalkotó diagnosztikai eljárások:

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Least Squares becslés

ACM Snake. Orvosi képdiagnosztika 11. előadás első fele

Képrestauráció Képhelyreállítás

Adatelemzési eljárások az idegrendszer kutatásban Somogyvári Zoltán

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Dekonvolúció a mikroszkópiában. Barna László MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézet Nikon-KOKI képalkotó Központ

Képalkotás modellezése, metrikái. Orvosi képdiagnosztika 6. ea ősz

Fourier térbeli analízis, inverz probléma. Orvosi képdiagnosztika 5-7. ea ősz

Matematikai statisztika c. tárgy oktatásának célja és tematikája

Képalkotás modellezése, metrikái. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Képszegmentáló eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2018 ősz

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2017 ősz

Jelfeldolgozás bevezető. Témalaboratórium

Képrekonstrukció 3. előadás

3. Szűrés képtérben. Kató Zoltán. Képfeldolgozás és Számítógépes Grafika tanszék SZTE (

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika előadás 2016 ősz

Alap-ötlet: Karl Friedrich Gauss ( ) valószínűségszámítási háttér: Andrej Markov ( )

Optimalizálás alapfeladata Legmeredekebb lejtő Lagrange függvény Log-barrier módszer Büntetőfüggvény módszer 2017/

Elektronikus műszerek Spektrum analizátorok

Híradástechikai jelfeldolgozás

Képalkotó diagnosztikai eljárások:

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika előadás 2015 ősz

Geofizikai kutatómódszerek I.

Mesterséges Intelligencia I.

Képalkotó diagnosztikai eljárások

Lineáris regressziós modellek 1

Rekonstrukciós eljárások. Orvosi képdiagnosztika 2018 ősz

Szcintillációs gamma spektrumok gyors és hatékony kiértékelésére alkalmazható numerikus módszerek továbbfejlesztése

A médiatechnológia alapjai

Digitális mérőműszerek. Kaltenecker Zsolt Hiradástechnikai Villamosmérnök Szinusz Hullám Bt.

Irányításelmélet és technika II.

Mesterséges Intelligencia MI

Principal Component Analysis

Passzív és aktív aluláteresztő szűrők

Adatmodellez es, f uggv enyilleszt es m arcius 12.

Képfeldolgozó eljárások áttekintés. Orvosi képdiagnosztika

Statisztikai módszerek a skálafüggetlen hálózatok

Digitális jelfeldolgozás

Nem roncsoló tesztelés diszkrét tomográfiával

Mérési hibák

Digitális jelfeldolgozás

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

Fehérzajhoz a konstans érték kell - megoldás a digitális szűrő Összegezési súlyok sin x/x szerint (ez akár analóg is lehet!!!)

STATISZTIKA. Mit nevezünk idősornak? Az idősorok elemzésének módszertana. Az idősorelemzés célja. Determinisztikus idősorelemzés

DIGITÁLIS KÉPANALÍZIS KÉSZÍTETTE: KISS ALEXANDRA ELÉRHETŐSÉG:

Shift regiszter + XOR kapu: 2 n állapot

A szimplex algoritmus

2. gyakorlat Mintavételezés, kvantálás

Pontműveletek. Sergyán Szabolcs Óbudai Egyetem Neumann János Informatikai Kar február 20.

10. tétel Függvények lokális és globális tulajdonságai. A differenciálszámítás alkalmazása

Szepesvári Csaba ápr. 11

A Markovi forgalomanalízis legújabb eredményei és ezek alkalmazása a távközlő hálózatok teljesítményvizsgálatában

Dinamikus rendszerek paramétereinek BAYES BECSLÉSE. Hangos Katalin VE Számítástudomány Alkalmazása Tanszék

Dualitás Dualitási tételek Általános LP feladat Komplementáris lazaság 2017/ Szegedi Tudományegyetem Informatikai Intézet

Képrekonstrukció 6. előadás

Több valószínűségi változó együttes eloszlása, korreláció

Nagy számok törvényei Statisztikai mintavétel Várható érték becslése. Dr. Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Inferencia. ADOTTAK:! generatív modell: például: DAG + prior(ok) + likelihood(ok) P(X 1,X 2,,X n ) megfigyelések: D = {X i = x i, X j = x j, }

Gauss-Seidel iteráció

Nemlineáris programozás 2.

Hadházi Dániel.

Az Orvosi Fizika Szigorlat menete a 2012/2. tanévtől

Nem-lineáris programozási feladatok

Irányításelmélet és technika II.

Neurális hálók tanítása során alkalmazott optimalizáció

Abszorpciós spektroszkópia

7. Régió alapú szegmentálás

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

2. témakör. Sztochasztikus, stacionárius és ergodikus jelek leírása idő és frekvenciatartományban

ÉRZÉKELŐK ÉS BEAVATKOZÓK I. 3. MÉRÉSFELDOLGOZÁS

Képfeldolgozó eljárások áttekintés. Orvosi képdiagnosztika 9. ea ősz

Mesterséges Intelligencia MI

Panorámakép készítése

Injektív függvények ( inverz függvény ).

Searching in an Unsorted Database

A keveredési réteg magasságának detektálása visszaszóródási idősorok alapján

Logisztikus regresszió október 27.

STATISZTIKA ELŐADÁS ÁTTEKINTÉSE. Matematikai statisztika. Mi a modell? Binomiális eloszlás sűrűségfüggvény. Binomiális eloszlás

Modern műszeres analitika szeminárium Néhány egyszerű statisztikai teszt

Hatvány gyök logaritmus

Mit lássunk élnek? Hol van az él? Milyen vastag legyen? Hol

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Mesterséges Intelligencia. Csató Lehel. Csató Lehel. Matematika-Informatika Tanszék Babeş Bolyai Tudományegyetem, Kolozsvár 2010/2011 1/363

Ha ismert (A,b,c T ), akkor

Akusztikai tervezés a geometriai akusztika módszereivel

Konjugált gradiens módszer

Helymeghatározási alapelvek és módszerek

Sergyán Szabolcs szeptember 21.

Numerikus módszerek 1.

Mérési struktúrák

Képfeldolgozási módszerek a geoinformatikában

Az agyi jelek adaptív feldolgozása MENTÁ LIS FÁ R A DT S ÁG MÉRÉSE

Átírás:

7. Előadás tartalma Lineáris szűrők: Klasszikus szűrők súly és átviteli üggvénye Gibbs jelenség Inverz probléma dekonvolúció: Inverz probléma ormális elírása Dekonvolúció nehézsége Közismert algoritmusok: Wiener inverz szűrés, RLA/ ML-EM, MAP becslés, és ezek kapcsolataik

Szűrők idő és rekvencia tartományban Ampl. spektrum Időbeli jel

Ideális szűrők Amplitúdó éles vágásánál Gibbs jelenség:

Gibbs gyűrű eektus Gibbs jelenség elkerülhető sima átmenetű szűrőkkel: Butterworth szűrő: adott sávkorlát mellett a legsimább ampl. spektrumú lineáris szűrő Gauss szűrő: alkalmazásával nincs Gibbs arteekt

Gibbs gyűrű eektus

Inverz probléma Megigyelési modell (zajos LTI): h-t (avagy a PSF-t) mi beolyásolhatja? Páciens bemozdulása a elvételek készítése alatt Out-o-ocus elrendezés Szóródó otonok képek rögzítése során Jelen előadás során, g és R : R a vizsgált 3D objektum projekciója Alapötlet direkt módszer: Dekonvolúció rekvenciatérben: F g h G / H u u

Inverz probléma statisztikai Cél megbecsülni interpretációja -et: Maximum likelihood módszer: ML P arg maxpg Gyakorlatban majdnem mindig P g P g h és az arg min log P g -t szoktuk keresni ML Maximum a posterior (MAP) becslés: arg max arg max MAP P g P g P Gyakorlatban ezeket a szélsőérték keresési problémákat is negatív logaritmálás után oldjuk meg.

Direkt dekonvolúció zajérzékenysége Problémák a direkt módszerrel: PSF-et nem ismerjük pontosan H H F G / H F H / H N / H F a PSF általában alul-áteresztő jellegű magas rekvenciákon N. / H dominál (~0-val osztás) a: elmosott kép b: direkt dekonvolúció eredménye, ha nincs additív zaj c: eredmény ha van additív zaj

Csonkolt dekonvolúció Azon rekvenciákon, melyeken az MTF alacsony 0 legyen az eredmény F u G. / H u u Hu 0 egyébként Direkt dekonvolúció eredménye Csonkolt dekonvolúció eredménye

Wiener inverz-szűrés Várható értékben legpontosabb szűrő: W iener W iener F H G u u u Wiener arg min E Wiener valódi A matematikai levezetést hanyagolva: H Winer u Interpretáció: H Winer u H u E E H N F u u u 1/ H SNR 1 u u 0 SNR 1 u SNR u H u E E F u N u

Wiener inverz szűrés Az eredmény ( Wiener ) gyakran nem realisztikus: Negatív intenzitások is előordulnak (negatív luxus?) Nagyrekvencián a hirtelen romló SNR Gibbs arteektet generál SNR gyakran nem mérhető ki Wiener szűrés eredménye: jobb részletgazdagság, de a gyűrűk egy része megmaradt

Eljárások illusztrálása -0-

Eljárások illusztrálása -1- Csonkolt dekonvolúció Wiener inverz szűrés

Kényszermentes ML becslés 1 Additív Gauss zaj esete ( 0,W ): Ha rendszer torzításának mátrixa, tehát: h H Minimalizáljuk a negatív log likelihood üggvényt: T L g H W g H Mivel pozitív szemideinit, ezért L konvex. Tehát L ML 0 kényszer deiniálja az optimum helyet T T H W H H W g ún. súlyozott LS becslés T arg max K exp g H W g H ML ML H ' T W H 1

Kényszermentes ML becslés példa Stacionárius, 0 várható értékű Gauss megigyelési zaj esete : Cov g I, tehát W I ML Vizsgáljuk meg T 1 T T 1 T H W H H W g H H H g ML spektrumát: H G H G G u u u u u FML G H u u H H u u H Hu u Konzekvencia: ML eljárással nem lehet a rosszul kondícionált inverz problémát megoldani.

ML becslés pozitivitási kényszerrel Nem negativitási kényszer: R Jó esetben konvex optimalizálási probléma: P g - log max. s.t. 0 min. s.t. Konvex a probléma, ha log-konkáv. Nem adható rá analitikus megoldás Milyen eloszlású lehet valójában az additív zaj: Poisson: otonok inherens zaja Gauss: termikus zaj Uniorm: kvantálási zaj (A/D átalakítás) Pr g Lg 0

Richardson Lucy algoritmus (+) Interpretáljuk a képpontok intenzitását otonok becsapódási valószínűségeivel: P i : P( egy otonon a detektor i-edik érzékelőelemébe csapódik, ha nincs zaj és torzítás ) P gk : P( egy otonon a detektor k-adik érzékelőelemébe csapódott a megigyelt kép rögzítése során ) P g k i : P( ideális esetben az i-edik érzékelőelembe csapódó oton a k-adik érzékelőelembe csapódik bele a képalkotó LTI rendszer torzítása miatt )

Richardson Lucy algoritmus Lényegében egy Bayes-i becslés: Bayes szabály: P i g k j P g P k i i Pg P k j j Dekomponálás: Tehát: P i P P g P g i i k k P k j k g P g i Pg P k j j P k i k

Richardson Lucy algoritmus Bevett gyakorlat: iteráljunk a célváltozó elett: P 1 P g P g k i k g P k j r j P Oldjuk el a valószínűségi értelmezést: P T T 1 ; P g i i g g 1 i i P g k i h i k T T T T..h h 1 1; h 0 ezekből következik: g 1 1 P r i r i k j

Richardson Lucy algoritmus (+) T P 1 i i : dekonvolvált kép i-edik pixelének normált intenzitása T P g g g 1 i i : képalkotó rendszer (LTI + zaj) által torzított kép i-edik pixelének relatív intenzitása P g h : csak az LTI rendszerrel leírható torzítást k modellezzük i k i h 11 T : minden olyan oton, mely a torzítatlan rendszer esetén a detektorba csapódna be a torzított rendszer esetén is a detektorba csapódik be (maximum más érzékelőelembe) Végig monokróm spektrumú otonokat eltételezve a detektált intenzitás (luxus) egyenesen arányos a becsapódó otonok számával

Richardson Lucy algoritmus Végezzük el a behelyettesítést: h g h g r k k j j r r 1 k i k r k i k r i i i h k h j k 0 Érdemes észrevenni, hogy ha 0, akkor r minden iterációban 0, tehát teljesül a nemnegativitási kényszer Eljárás konvergenciája bizonyítható. Ekvivalens a pozitivitási kényszeres ML becsléssel, Poisson zaj modell esetén.

Eljárások illusztrálása --

ML becslések összegzése Jelentősen elerősítik a zajt: A probléma rosszul kondícionált jellegét nem képesek megelelően kezelni. Kivétel az iteratív algoritmusok köre, ha elegendően sima, és konvergencia előtt leállunk! Explicit regularizáció szükséges: 0 Deiniáljuk a-priori eloszlását, és azt rögzítsük a minimalizálandó célüggvényünkben Megj.: RLA-nál szerepelt prior, de annak más a szerepe, értelmezése 0

MAP becslések Bayes becsléselmélet: max. g g P P P Másképpen : min. log P g ML prior K ML log P g : bünteti a mérések és a zaj nélkül becsült, torzított kép eltérését: g g g h log P prior : meghatározza, hogy milyen dekonvolvált képet preerálunk (pl. zajmentesség, pozitivitás, simaság, stb.). Analitikai értelmezés: regularizált becslés

MAP becslés példa stacionárius Gauss zaj, rekvenciatérbeli prior Prior rekvenciatartományban: Gauss, stacionárius zaj: 1 g H j 1 Parseval tétel szerint: ML F G H F u u u N u 1 F G H F W F N u u opt Mivel konvex, ezért F, tehát: Összegezve: F W F prior u u u ML j j u u u u u 0 F opt u u H u G u H N W u

MAP becslés példa stacionárius Gauss zaj, simasági prior W E N E F N esetén: F opt u Tehát a Wiener dekonvolúció is egy MAP becslés gyakorlatban nem határozható meg E Gyakran ehér zaj, és u u u N E F u u H G u u E E H N F u u u u értéke szabályozza, hogy mennyire domináljon a prior (magas rekvenciás komponensekért mennyire büntetünk). u W 1 E F u

Eljárások illusztrálása -3-

Ismertetett módszerek csoportosítása ML becslés: - Csak a megigyelési zaj osztályát ismerjük - Zajérzékenység jelentős probléma, csak a konzisztenciára igyel Példák: - Direkt dekonvolúció (additív Gauss zajos ML becslés) - Richardson Lucy (additív Poisson zajos, pozitivitási kényszeres ML becslés) MAP becslés: - Explicit módon deiniáljuk, hogy milyen jellegű képet akarunk - Ha jól regularizálunk, akkor a zajérzékenység redukálódik, de az eredmény kevésbé konzisztens Példák: - Csonkolt dekonvolúció - Wiener dekonvolúció (additív Gaussz zaj + rekvencia üggő energia minimalizáció) - Egyéb, regularizált dekonvolúciók

MAP és ML becslés összehasonlítása Stabilitás: MAP-nál a regularizáció célja ennek kikényszerítése (pl. sima, kevésbé zajos, stb. dekonvolvált kép előállítása) ML becslésnél ez legeljebb impliciten kényszeríthető ki (pl. iteratív becsléseknél konvergencia előtti leállás). Becslés inkonzisztenciája ( g h ): Likelihood tag minimalizálásával redukálható ML becsléseknél ennek az értéke kisebb ez viszont a zajos input képhez ( g) a becsült torzítatlan kép túlilleszkedést vonja maga után (rosszabb képminőség)