A Transformer-based deep direct sampling method is proposed for solving a class of boundary value inverse problem. A real-time reconstruction is achieved by evaluating the learned inverse operator between carefully designed data and the reconstructed images. An effort is made to give a case study for a fundamental and critical question: whether and how one can benefit from the theoretical structure of a mathematical problem to develop task-oriented and structure-conforming deep neural network? Inspired by direct sampling methods for inverse problems, the 1D boundary data are preprocessed by a partial differential equation-based feature map to yield 2D harmonic extensions in different frequency input channels. Then, by introducing learnable non-local kernel, the approximation of direct sampling is recast to a modified attention mechanism. The proposed method is then applied to electrical impedance tomography, a well-known severely ill-posed nonlinear inverse problem. The new method achieves superior accuracy over its predecessors and contemporary operator learners, as well as shows robustness with respect to noise. This research shall strengthen the insights that the attention mechanism, despite being invented for natural language processing tasks, offers great flexibility to be modified in conformity with the a priori mathematical knowledge, which ultimately leads to the design of more physics-compatible neural architectures.


翻译:为解决某类边界值反向问题,建议采用基于变压器的深度直接取样方法来解决某类边界值反向问题。通过对经过仔细设计的数据和经过重建的图像之间所学的逆向操作器进行评估,实现了实时重建。努力对一个基本和关键问题进行个案研究:是否以及如何从数学问题的理论结构中受益,以开发面向任务和结构的深神经网络?在对反向问题直接取样方法的启发下,1D边界数据先用一个部分差异方程式特征图进行处理,以在不同频率输入渠道产生2D相容扩展。然后,通过引入可学习的非本地内核,直接取样的近似值被重新排入一个修改的注意机制。然后,拟议方法将被用于阻碍电学成问题,这是一个众所周知的极不正确且与结构相符的不直线性问题。新方法在对前身和当代操作者学习者具有较高的准确性,并显示对噪音的稳健性。这一研究将加强人们的洞察力,即注意机制,尽管被发明用于自然语言处理任务,但直接取样的近似,但最终可以使物理结构得到修改。

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