This paper addresses the problem of detecting and estimating the anisotropy of a stationary real-valued random field from a single realization of one of its excursion sets. This setting is challenging as it relies on observing a binary image without prior knowledge of the field's mean, variance, or the specific threshold value. Our first contribution is to propose a generalization of Cabaña's contour method to arbitrary dimensions by analyzing the Palm distribution of normal vectors along the excursion set boundaries. We demonstrate that the anisotropy parameters can be recovered by solving a smooth and strongly convex optimization problem involving the eigenvalues of the empirical covariance matrix of these normal vectors. Our second main contribution is a new, model-agnostic statistical test for isotropy in dimension two. We introduce a statistic based on the contour method which is asymptotically distributed as a chi-squared variable with two degrees of freedom under the null hypothesis of quasi-isotropy. Unlike existing methods based on Lipschitz-Killing curvatures, this procedure does not require knowledge of the random field's covariance structure. Extensive numerical experiments show that our test is well-calibrated and more powerful than model-based alternatives as well as that the estimation of the anisotropy parameters, including the directions, is robust and efficient. Finally, we apply this framework to test the quasi-isotropy of the Cosmic Microwave Background (CMB) using the Planck data release 3 mission.


翻译:本文研究从平稳实值随机场的单一游程集实现中检测并估计其各向异性的问题。该设定具有挑战性,因为它依赖于观测二值图像,且无需预先获知随机场的均值、方差或特定阈值。我们的首要贡献是通过分析游程集边界上法向量的Palm分布,将Cabaña的轮廓方法推广至任意维度。我们证明,通过求解涉及这些法向量经验协方差矩阵特征值的光滑强凸优化问题,可以恢复各向异性参数。第二个主要贡献是提出了一种新的、与模型无关的二维各向同性统计检验方法。我们引入了一种基于轮廓方法的统计量,在原假设为拟各向同性的条件下,该统计量渐近服从自由度为二的卡方分布。与基于Lipschitz-Killing曲率的现有方法不同,此过程无需预先知晓随机场的协方差结构。大量数值实验表明,我们的检验方法校准良好,且比基于模型的替代方法更具效力;同时,各向异性参数(包括方向)的估计具有鲁棒性和高效性。最后,我们应用该框架,利用Planck第三版数据发布任务,对宇宙微波背景(CMB)的拟各向同性进行了检验。

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