×

利用投影梯度下降法对低温电子显微镜图像进行方向估计。 (英语) Zbl 1516.94007号

摘要:方向估计是三维冷冻电镜图像重建中的一项重要任务。通过应用公共线方法,方位估计任务可以表示为具有正交约束的最小二乘(LS)问题或最小无平方偏差(LUD)问题。然而,正交约束的非凸性给方向估计带来了数值困难。传统的方法是使用凸松弛策略将正交约束极小化问题转化为半定规划问题。在本文中,我们考虑一种直接的方法来解决约束极小化问题,而不需要松弛。我们将重点放在加权LS问题上,因为使用迭代重加权LS方法可以将LUD问题重新定义为一系列加权LS问题。作为一种经典方法,投影梯度下降(PGD)方法已成功应用于求解凸约束最小化问题。我们将PGD方法应用于正交约束极小化问题,证明了约束集是一个广义prox-正则集,并且满足范数相容条件。我们还证明了最小化问题的目标函数在约束集上满足约束强凸性和约束强光滑性。因此,PGD方法生成的序列在满足初始条件时收敛。实验结果表明,从计算角度来看,PGD方法明显优于半定松弛方法,且均方误差几乎相同或更小。

理学硕士:

94A08型 信息和通信理论中的图像处理(压缩、重建等)

软件:

SDPLR公司
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] Bandeira,A.S。;Chen,Y.T。;Lederman,R.R。;Singer,A.,紧致群上的非唯一博弈与低温EM中的方向估计,反问题,36(2020)·Zbl 1470.92163号 ·doi:10.1088/1361-6420/ab7d2c
[2] 巴伯,R.F。;Ha,W.,带非凸约束的梯度下降:局部凹度决定收敛,Inf.Inference J.IMA,7755-806(2018)·Zbl 1476.90251号 ·doi:10.1093/imaiai/iay002
[3] Beek,P.V.,回溯搜索算法,Found。Artif公司。智力。,2, 85-134 (2006) ·doi:10.1016/S1574-6526(06)80008-8
[4] Bendory,T。;Bartesaghi,A。;Singer,A.,《单粒子低温电子显微术:数学理论、计算挑战和机遇》,IEEE信号处理。Mag.,37,58-76(2020年)·doi:10.1109/MSP.2019.2957822
[5] Boumal,N.,非凸相位同步,SIAM J.Optim。,26, 2355-77 (2016) ·兹比尔1356.90111 ·doi:10.1137/16M105808X
[6] Burer,S。;Monteiro,R.,通过低秩因式分解求解半定规划的非线性规划算法,数学。程序。,95, 329-57 (2003) ·Zbl 1030.90077号 ·doi:10.1007/s10107-002-0352-8
[7] 坎迪斯,E.J。;Wakin,M.B。;Boyd,S.P.,通过重新加权l1最小化增强稀疏性,傅里叶分析杂志。申请。,14, 877-905 (2008) ·Zbl 1176.94014号 ·doi:10.1007/s00041-008-9045-x
[8] 科伦坡,G。;Thibault,L.,Prox-正则集与应用,《非凸分析与应用手册》,第99-182页(2010),马萨诸塞州萨默维尔:国际出版社·Zbl 1221.49001号
[9] Crowther,R.A。;洛杉矶阿莫斯。;Finch,J.T。;罗西尔,D.D。;Klug,A.,《通过电子显微照片的傅里叶合成对球形病毒进行三维重建》,《自然》,226421-5(1970)·数字对象标识代码:10.1038/226421a0
[10] Daubechies,I。;Devore,R。;Fornasier,M。;Güntürk,C.,《稀疏恢复的迭代加权最小二乘最小化》,Commun。纯应用程序。数学。,63, 1-38 (2010) ·Zbl 1202.65046号 ·doi:10.1002/第2033页
[11] 新泽西州法罗。;Ottensmeyer,F.P.,《任意取向大分子相对投影方向的后验测定》,J.Opt。《美国社会学杂志》,91749-60(1992)·doi:10.1364/JOSAA.9.001749
[12] Fornasier,M。;Rauhut,H。;Ward,R.,通过迭代加权最小二乘最小化恢复低秩矩阵,SIAM J.Optim。,21, 1614-40 (2011) ·Zbl 1236.65044号 ·数字对象标识代码:10.1137/100811404
[13] Frank,J.,通过冷冻电子显微镜对大分子进行单粒子成像,阿努。生物物理学评论。生物摩尔。结构。,31, 303-19 (2002) ·doi:10.1146/annurev.biophys.31.082901.134202
[14] Frank,J.,《高分子组装的三维电子显微镜》(2006),牛津:牛津大学出版社,牛津·doi:10.1093/acprof:oso/9780195182187.001.0001
[15] 高,C。;张勇,最优正交群同步与旋转群同步,Inf.Inference J.IMA,12,591-632(2023)·Zbl 07688052号 ·doi:10.1093/imaiai/iaac022
[16] Gibson,W.A.,《关于斜变换的最小二乘正交化》,《心理测量学》,27193-5(1962)·doi:10.1007/BF02289637
[17] Hare,W.L。;Poliquin,R.A.,近端映射的Prox-正则性和稳定性,《凸分析杂志》。,14, 589-606 (2007) ·Zbl 1129.49023号
[18] Heel,M.V.,“角度重建:3D重建投影方向的后验赋值”补遗,超微显微镜,24,62(1988)·doi:10.1016/0304-3991(88)90329-4
[19] Jain,P。;Kar,P.,《机器学习的非凸优化》,Found。趋势马赫数。学习。,10, 142-363 (2017) ·Zbl 1388.68251号 ·doi:101561/2200000058
[20] Ling,S.,通过广义功率法改进正交群同步的性能保证,SIAM J.Optim。,32, 1018-48 (2022) ·Zbl 1493.90145号 ·doi:10.1137/20M1389571
[21] 刘,H。;邓,Z。;李,X。;陈,S。;因此,A.,非凸鲁棒旋转同步(2020年)
[22] 刘,H。;岳,M。;因此,A.关于相位同步广义功率法的估计性能和收敛速度,SIAM J.Optim。,27, 2426-46 (2017) ·Zbl 1387.90199号 ·doi:10.1137/16M110109X
[23] Lyumkis,D.,低温电子显微镜单粒子分析的挑战和机遇,J.Biol。化学。,294, 5181-97 (2019) ·doi:10.1074/jbc。版次118.005602
[24] 马利克,S。;阿加瓦尔,S。;克里格曼,D。;Belongie,S。;卡拉格,B。;Potter,C.,层析重建的结构和视图估计:贝叶斯方法,第2卷,2253-60(2006)·doi:10.1010/CVPR.2006.295。
[25] Manton,H.J.,利用酉约束的优化算法,IEEE Trans。信号处理。,50, 635-50 (2002) ·Zbl 1369.90169号 ·数字对象标识代码:10.1109/78.984753
[26] Mirsky,L.,约翰·冯·诺依曼的迹不等式,莫纳什。数学。,79, 303-6 (1975) ·Zbl 0316.15009号 ·doi:10.1007/BF01647331
[27] 莫汉,K。;Fazel,M.,矩阵秩最小化的迭代加权最小二乘法,J.Mach。学习。研究,13,3441-73(2012)·Zbl 1436.65055号 ·doi:10.1109/ALLERTON.2010.5706969
[28] Natterer,F.,《计算机断层成像的数学》(2001),宾夕法尼亚州费城:SIAM,宾夕法尼亚州,费城·Zbl 0973.92020号 ·doi:10.1137/1.9780898719284
[29] O'Sullivan,J.D.,计算机层析成像中傅里叶反演的快速正弦函数网格算法,IEEE Trans。医学成像,4200-7(1985)·doi:10.1109/TMI.1985.4307723
[30] Penczek,P.A。;Grassucci,R.A。;Frank,J.,《分辨率提高的核糖体:生物粒子三维冷冻电子显微镜中合并和定向精细化的新技术》,超微显微镜,53,251-70(1994)·doi:10.1016/0304-3991(94)90038-8
[31] Penczek,P.A。;朱,J。;Frank,J.,《同时确定n>3粒子投影方向的基于公共线的方法》,超微显微镜,63,205-18(1996)·doi:10.1016/0304-3991(96)00037-X
[32] Poliquin,R.A。;Rockafellar,R.T.,变分分析中的Prox正则函数,Trans。美国数学。《社会学杂志》,3481805-38(1996)·Zbl 0861.49015号 ·doi:10.1090/S0002-9947-96-01544-9
[33] Rosenthal,P.B.,《生物电子显微镜中从高对称性到高分辨率:Crowther(1971)“通过电子显微镜傅里叶合成对球形病毒进行三维重建的程序”的评论》,Phil.Trans。R.Soc.B,370(2015)·doi:10.1098/rstb.2014.0345
[34] Schomberg,H。;Timmer,J.,通过傅里叶变换重建图像的网格方法,IEEE Trans。医学成像,14596-607(1995)·doi:10.1109/42.414625
[35] Shkolnisky,Y。;Singer,A.,《使用同步技术在低温电子显微镜中进行视角估计》,SIAM J.成像科学。,5, 1088-110 (2012) ·Zbl 1254.92058号 ·数字对象标识代码:10.1137/120863642
[36] Singer,A.,低温电子显微镜数学(2018)·Zbl 1448.92115号 ·doi:10.1142/9789813272880_0209
[37] 辛格,A。;科伊夫曼,R.R。;西格沃思,F.J。;切斯特,华盛顿特区。;Shkolnisky,Y.,《通过投票检测低温电子显微镜中的一致共线》,J.Struct。生物学,169,312-22(2010)·doi:10.1016/j.jsb.2009.11.003
[38] 辛格,A。;Shkolnisky,Y.,通过特征向量和半定规划从低温电子显微镜的共线确定三维结构,SIAM J.成像科学。,4, 543 (2011) ·Zbl 1216.92045号 ·数字对象标识代码:10.1137/090767777
[39] Vainshtein,B.K。;Goncharov,A.B.,根据投影确定未知结构任意排列的相同粒子的空间方向,Sov。物理学。道克。,4 (1986) ·doi:10.1051/bib-j3ea:2005803
[40] Wang,L。;Singer,A.,《精确稳定地恢复旋转以实现稳健同步》,《Inf.Inference J.IMA》,第2145-93页(2013年)·Zbl 1309.65070号 ·doi:10.1093/imaiai/iat005
[41] Wang,L。;辛格,A。;Wen,Z.,使用最小未平方偏差确定低温电子显微镜图像的方向,SIAM J.成像科学。,6, 2450 (2013) ·Zbl 1402.92449号 ·doi:10.137/130916436
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。