Кіріспе

Сүзгіленген сигналды қайта құру

Математикада деконволюция – конволюцияның кері амалы. Екі амал да сигналды өңдеу және кескінді өңдеуде қолданылады. Мысалы, фильтрден (конволюциядан) кейін бастапқы сигналды белгілі бір дәрежедегі дәлдікпен деконволюция әдісі арқылы қалпына келтіруге болады. Тіркелген сигналдың немесе кескіннің өлшеу қатесіне байланысты, сигнал мен шу арақатынасы (SNR) нашарлаған сайын, фильтрді кері қайтару нашарлайтыны көрсетіледі; сондықтан фильтрді кері қайтару әрқашан жақсы шешім болмайды, өйткені қателік күшейеді. Деконволюция осы мәселенің шешімін ұсынады. Деконволюция және уақыт қатарларын талдаудың негізін негізінен Массачусетс технология институтының Норберт Винер «Стационарлық уақыт қатарларын экстраполяциялау, интерполяциялау және тегістеу» (1949) атты кітабында қалады. Кітап Винердің Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасаған, бірақ сол кезде құпия саналған жұмысына негізделген. Бұл теорияларды қолданудың алғашқы әрекеттерінің кейбіреулері ауа райын болжау және экономика салаларында болды.

Шикі деконвольсия

Өлшем қатесі өте төмен болған кезде (идеалды жағдайда) деконволюция сүзгіні керітуге дейін келеді. Мұндай деконволюция Лаплас доменінде жүзеге асырылуы мүмкін. Жазылған h сигналының және g жүйелік жауап функциясының Фурье түрлендірмесін есептеу арқылы H және G алынады, мұнда G – беру функциясы болып табылады. Конволюция теоремасын қолдану арқылы:

F – f-тің бағаланған Фурье түрлендірмесі. Соңында, F функциясының кері Фурье түрлендірмесі бағаланған деконволюцияланған сигнал f-ті табу үшін қолданылады. G аталымда орналасқанын және қателік моделінің элементтерін күшейте алатынын ескеру қажет.

Сейсмология

Деконволюция ұғымы алғаш рефлекциялық сейсмологияда қолданылды. 1950 жылы Эндерс Робинсон МТИ-де аспирантурада оқыды. Ол MIT-те Норберт Винер, Норман Левинсон және экономист Пол Сэмюэлсон сияқты басқалармен бірге тіркелген сейсмограмманың "конволюциялық моделін" әзірлеу үшін жұмыс істеді. Бұл модельде жазылған сейсмограмма s(t) – жердің шағылысу функциясы e(t) және нүктелік көзден шыққан сейсмикалық толқынның w(t) конволюциясы болып табылады, мұнда t – жазу уақытын білдіреді. Осылайша, біздің конволюция теңдеуіміз:

Сейсмологты жердің құрылымы туралы ақпаратты қамтитын e қызықтырады. Конволюция теоремасы бойынша, бұл теңдеуді жиілік доменінде Фурье түрлендіруге болады:

мұнда f – жиілік айнымалысы. Шағылысу қабілеті ақ екенін болжай отырып, шағылысудың қуат спектрі тұрақты деп есептеуге болады, ал сейсмограмманың қуат спектрі осы тұрақтыға көбейтілген толқынның спектрі болады. Сондықтан:

Егер толқынның минималды фазасы бар екенін болжасақ, онда біз оны жаңадан тапқан қуат спектрінің минималды фазалық эквивалентін есептеу арқылы қалпына келтіре аламыз. Шағылысу қабілетін Дирак дельта-функциясына (яғни, импульсқа) жуықталған толқынды қалыптастыратын Винер сүзгісін жобалау және қолдану арқылы қалпына келтіруге болады. Нәтиже масштабталған, ығысқан дельта функцияларының тізбегі ретінде қарастырылуы мүмкін (бірақ бұл математикалық тұрғыдан қатаң емес):

мұнда N – шағылысу оқиғаларының саны, – шағылысу коэффициенттері, – әр оқиғаның шағылысу уақыты, ал – Дирак дельта функциясы. Іс жүзінде, біз шулы, шекті ені бар, шекті ұзындығы бар және дискретті үлгіленген деректер жиынтықтарымен жұмыс істейтін болғандықтан, жоғарыда аталған процедура деректерді деконволюциялау үшін қажетті сүзгіге жуықтап ғана келеді. Алайда, мәселені Топлиц матрицасын шешу ретінде тұжырымдап, Левинсон рекурсиясын қолдану арқылы, біз ең кіші орташа квадраттық қатеге ие сүзгіні салыстырмалы түрде жылдам бағалай аламыз. Сондай-ақ, деконволюцияны тікелей жиілік доменінде жасауға болады және ұқсас нәтижелерге қол жеткізуге болады. Бұл техника сызықтық болжаумен тығыз байланысты.

Оптика және басқа да бейнелеу

Оптика және бейнелеуде "деконволюция" термині оптикалық микроскопта, электрондық микроскопта, телескопта немесе басқа бейнелеу құралдарында туындайтын оптикалық бұрмалауды кері қайтару процесін білдіреді, осылайша айқын бейнелер жасалады. Бұл әдетте цифрлық доменде бағдарламалық алгоритм арқылы жүзеге асырылады және микроскоптық бейнелерді өңдеу әдістерінің бір бөлігі болып табылады. Деконволюция жылдам қозғалыс немесе түсіру кезіндегі дірілден бұзылған бейнелерді қатайту үшін де қолданылады. Алғашқы Хаббл ғарыш телескопының бейнелері кемшіктік айнаның салдарынан бұрмаланған және деконволюция арқылы қатайтылған. Көбінесе, құрал арқылы өтетін оптикалық жолдың өте жақсы екендігін және бұрмалаудың нүктелік таралу функциясы (PSF) арқылы туындайтынын қарастырады, яғни теориялық нүктелік жарық көзінің (немесе басқа толқындардың) құрал арқылы өтетін жолы бойынша бұрмалауды сипаттайтын математикалық функция. Әдетте, мұндай нүктелік көз соңғы бейнеде шағылыстың шағын аймағын тудырады. Егер бұл функция анықталса, оның кері немесе толықтырушы функциясын есептеп, алынған бейнені оған конволюциялау қажет. Нәтижесінде бастапқы, бұрмаланбаған бейне пайда болады. Іс жүзінде нақты PSF-ті табу мүмкін емес, сондықтан көбінесе оның жуықтап есептелген мәні қолданылады, ол теориялық түрде есептелген немесе белгілі зондтарды пайдалану арқылы алынған эксперименттік бағалауға негізделген. Нақты оптика әртүрлі фокус және кеңістіктік орналасуларда әртүрлі PSF-ке ие болуы мүмкін, ал PSF сызықтық емес болуы мүмкін. PSF жуықтап есептелуінің дәлдігі соңғы нәтижеге әсер етеді. Жақсы нәтижелерге қол жеткізу үшін басқа алгоритмдер қолданылуы мүмкін, бірақ олар көбірек есептеу ресурстарын қажет етеді. Бастапқы конволюция деректерді жойғандықтан, кейбір алгоритмдер жоғалған ақпараттың бір бөлігін қалпына келтіру үшін жақын жердегі фокус нүктелерінде алынған қосымша деректерді пайдаланады. Итеративтік алгоритмдерде (мысалы, күтуді максимизациялау алгоритмдерінде) жарамсыз шешімдерден аулақ болу үшін реттеу қолданылуы мүмкін. PSF белгісіз болған жағдайда, оны әртүрлі PSF-ті жүйелі түрде сынап, бейне сапасының жақсарғанын бағалау арқылы анықтауға болады. Бұл процедура соқыр деконволюция деп аталады. Кейбір нақты бейнелеу жүйелері үшін, мысалы, лазерлік импульсті терагерц жүйелері үшін PSF математикалық түрде модельделуі мүмкін. Нәтижесінде, суретте көрсетілгендей, модельделген PSF және терагерц бейнесінің деконволюциясы терагерц бейнесінің жоғары ажыратымды бейнесін береді.

Радиоастрономия

Радиоинтерферометрияда, радиоастрономияның бір түрінде бейне синтезі жасалғанда, бір қадамда алынған сурет "қоқыс сәулесімен" (нүктелік таралу функциясының басқаша атауы) ажыратылады. Көбінесе қолданылатын әдіс – CLEAN алгоритмі.

Биология, физиология және медициналық құралдар

Деконволюцияны көбінесе іздеуші кинетикасында қолданады. Мысалы, қандағы гормон концентрациясын өлшеген кезде, оның секрециялану жылдамдығы деконволюция арқылы есептелуі мүмкін. Тағы бір мысал – нақты қандағы глюкозаның уақыт және амплитуда бойынша бұрмаланған түрі болып табылатын, өлшенген интерстициалдық глюкозадан қандағы глюкоза концентрациясын анықтау.

Абсорбция спектрлері

Деконволюция сіңіру спектрлеріне кеңінен қолданылған. Ван Циттерт алгоритмі (неміс тіліндегі мақала) пайдаланылуы мүмкін.

Фурье трансформациясының аспектілері

Деконволюция Фурье кодоменындағы бөлуге сәйкес келеді. Бұл Фурье түрлендіріліміне түсетін эксперименталдық деректерде деконволюцияны оңай қолдануға мүмкіндік береді. Мысалы, ЯМР спектроскопиясында деректер уақыт доменында тіркеледі, бірақ жиілік доменында талданады. Уақыт доменындағы деректерді экспоненциалды функцияға бөлу жиілік доменындағы Лоренц сызықтарының енін тарылтады.