The Modulo Radon Transform: Theory, Algorithms, and Applications

算法 计算机视觉 断层重建 高动态范围 断层摄影术 迭代重建 氡变换 启发式 人工智能 计算机科学 航程(航空) 计算机图形学(图像) 数学 动态范围 物理 量子力学 材料科学 组合数学 光学 复合材料
作者
Matthias Beckmann,Ayush Bhandari,Felix Krahmer
出处
期刊:Siam Journal on Imaging Sciences [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:15 (2): 455-490 被引量:14
标识
DOI:10.1137/21m1424615
摘要

Recently, experiments have been reported where researchers were able to perform high dynamic range (HDR) tomography in a heuristic fashion, by fusing multiple tomographic projections. This approach to HDR tomography has been inspired by HDR photography and inherits the same disadvantages. Taking a computational imaging approach to the HDR tomography problem, we here suggest a new model based on the modulo Radon transform (MRT), which we rigorously introduce and analyze. By harnessing a joint design between hardware and algorithms, we present a single-shot HDR tomography approach, which to our knowledge, is the only approach that is backed by mathematical guarantees. On the hardware front, instead of recording the Radon transform projections that may potentially saturate, we propose to measure modulo values of the same. This ensures that the HDR measurements are folded into a lower dynamic range. On the algorithmic front, our recovery algorithms reconstruct the HDR images from folded measurements. Beyond mathematical aspects such as injectivity and inversion of the MRT for different scenarios including band-limited and approximately compactly supported images, we also provide a first proof-of-concept demonstration. To do so, we implement MRT by experimentally folding tomographic measurements available as an open source dataset using our custom designed modulo hardware. Our reconstruction clearly shows the advantages of our approach for experimental data. In this way, our MRT based solution paves a path for HDR acquisition in a number of related imaging problems.
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