fullseye

surface_psd — ROUGHNESS measure op

• データ種: depth → pairs
• 呼び出し: import fullseye as fs; fs.ledger.surface_psd(z, dx, kind='areal', dy=None) (実装を直接呼ぶなら import roughness; roughness.surface_psd(z, dx, kind='areal', dy=None)、台帳から引くなら opsroughness.get("surface_psd"))
• 台帳経由の戻り値: fullseye.ledger.surface_psd(...) は宣言 out 型 pairs の値だけを返す(本体は補助情報も返す)。捨てられた側が要るときは fullseye.ledger.surface_psd.raw(...)、または roughness.surface_psd を直接呼ぶ。
  • 本体の返り: (q, C) -> (N,2)

使い方

高さ場のパワースペクトル密度。(q, C) を返す。規約を引数で明示する。

引数 z 高さ場(平均は内部で引く。DC ビンは返さない)。 dx, dy 標本間隔。dy=None は正方画素。 kind "areal" … 2 次元 PSD C_2D(q) の環平均。 "radial" … 1 次元動径 PSD C_1D(q) = 2π q C_2D(q)。

規約(ここを書かないと較正なしでは読めない ―― 既存の radial_power_spectrum はこれが docstring に無い)

• q は cycles / length(角周波数 2π/λ ではない)。q = 1/λ。
• C_2D(q) = dx dy |F|² / (ny nx)。規格化は Parseval に合わせてある: ∫ C_2D d²q = <h²> かつ ∫ C_1D dq = <h²>。
• 自己アフィン面 H に対する傾きは 面 PSD で -2(H+1)、 動径 PSD で -2H-1(ちょうど 1 だけ違う)。

★ 実測 —— どちらの規約でも H は較正なしで戻る surface_synth_psd で H を仕込み、q ∈ [2/λ_hi, 0.4/dx] で対数対数の 直線を当てはめて H を戻した(512², 帯域 2-64 µm):

  仕込んだ H   面 PSD の傾き   戻した H   動径の傾き   戻した H   傾き差
     0.30        -2.600        0.300      -1.600       0.300     1.0000
     0.50        -3.000        0.500      -2.000       0.500     1.0000
     0.80        -3.600        0.800      -2.600       0.800     1.0000
     0.95        -3.901        0.950      -2.901       0.950     1.0000

誤差は 4 例とも ±0.0003 以内、二つの規約の傾き差はどの H でも 厳密に 1.0000。較正なしで読める。

★ ここは PoC の測り直しで結論が変わった箇所。PoC は既存 radial_power_spectrum で 一律 -0.013(H の 1.6 %)の系統誤差を 見つけ、「環平均の離散化による系統誤差」と結論した。同じ検算をこの 実装でやると誤差が消える。原因を切り分けたところ、環の代表 q に ビン番号 i·Δq を使うか、環内の q の平均を使うかの差だった —— ビン番号だと -0.0007〜-0.0010 の負のずれが出る(実測、同じ面・同じ 当てはめ帯域)。向きは PoC の観測と同じだが大きさは 1/15 なので、 -0.013 の残りは環平均の離散化ではなく、その関数の他の実装差に由来する。 この関数は環内の q の平均を返す。

★ 落とし穴 —— Nyquist を超える環は「角だけ」で出来ている 正方格子の最大 |q| は √2/(2 dx) だが、q > 1/(2 dx) の環は 周波数平面の四隅しか含まない。実測(512²): 全 362 ビンのうち上位 107 ビン(29.6 %)が Nyquist 超。環内の点数が理想値 2πq/Δq に対して どれだけ欠けるかは、Nyquist 以下でも最小 0.838 倍まで落ちる (格子の離散化)が、Nyquist 超では 0 まで落ちる。 傾きの当てはめには Nyquist 超を使わないこと。

★ Parseval の検算をどこまで信じてよいか(実測、512²、Sq²=6.400e-03)

• 2 次元の全格子で Σ C_2D Δqx Δqy を取ると +0.0000 %(厳密)。
• 返した動径 PSD を台形積分すると -0.55 %。環ごとに平均して 1 次元に潰した時点でこの分は失われる —— 環平均は要約であって 可逆ではない。 0.5 % を超える精度が要る用途では 2 次元の C_2D を自分で積分すること。
• この面は帯域上端が Nyquist なので、Nyquist で打ち切っても -0.55 % のまま変わらない(角の分に中身が無い)。角に中身がある面 (帯域が Nyquist を超える面)では、打ち切ると欠ける。

fail-closed

• 2 次元でない / 8x8 未満 / NaN・Inf を含む / dx, dy が非正。
• kind が "areal"・"radial" 以外。

詳しい使い方ガイド

• surface_roughness ファミリ ガイド

参考(サンプルデータ・文献)

• サンプルデータ カタログ(DL URL / ライセンス) — 2-D は skimage.data(BSD/public)+ 合成、3-D は実データ源(Stanford/PDS 等)の DL URL。
• 演算子の来歴・参考文献 — この op 族の元になった研究/手法の出典。
• アルゴリズムの正典(著者・年)と用途は上記ファミリ使い方ガイドに記載。

実行できる例(この op を実際に呼ぶ検証済みサンプル)

• poc_surface_roughness — py -3.11 examples/poc_surface_roughness.py

型が繋がる次の op(pairs を入力に取れる)

—

同カテゴリ(measure)

surface_params · profile_params

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Provenance: roughness.py — ROUGHNESS operator registry. この per-op ノートは tools/opdocs.py md が自動生成(手編集しない)。

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