CrysTBox

CrysTBox
Deweloperzy Milosław Klinger
Pierwsze wydanie 9 grudnia 2014 ; 8 lat temu ( 09.12.2014 )
Napisane w MATLAB
System operacyjny Microsoft Windows
Dostępne w język angielski
Typ Naukowy
Licencja Darmowy do użytku niekomercyjnego
Strona internetowa crystalbox.fzu.cz

CrysTBox ( Crystalographic Tool Box ) to zestaw narzędzi komputerowych zaprojektowanych w celu przyspieszenia badań materiałowych w oparciu o obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego za pomocą bardzo dokładnej automatycznej analizy i interaktywnej wizualizacji. Opierając się na sztucznej inteligencji i wizji komputerowej , CrysTBox sprawia, że ​​rutynowe analizy krystalograficzne są prostsze, szybsze i dokładniejsze w porównaniu do oceniających ludzi. Wysoki stopień automatyzacji wraz z subpikselową precyzją i interaktywną wizualizacją sprawia, że ​​ilościowa analiza krystalograficzna jest dostępna nawet dla nie-krystalografów, co pozwala na prowadzenie badań interdyscyplinarnych . Jednocześnie doświadczeni materiałoznawcy mogą korzystać z zaawansowanych funkcjonalności do kompleksowych analiz.

CrysTBox jest rozwijany w Laboratorium mikroskopii elektronowej Instytutu Fizyki Czeskiej Akademii Nauk . Do celów naukowych jest udostępniany bezpłatnie. Od 2022 roku pakiet został wdrożony w placówkach badawczych i edukacyjnych w ponad 90 krajach, wspierając badania ETH Zurich , Lawrence Berkeley National Laboratory , Max Planck Institutes , Chinese Academy of Sciences , Fraunhofer Institutes czy Oxford University .

Zestaw

Jako narzędzie naukowe, pakiet CrysTBox jest swobodnie dostępny do celów akademickich, obsługuje formaty plików powszechnie używane w społeczności i oferuje połączenia z innym oprogramowaniem naukowym.

Dostępność

CrysTBox jest bezpłatnie dostępny na żądanie do użytku niekomercyjnego przez podmioty niekomercyjne. Jedynym bezpiecznym sposobem pobrania instalatorów CrysTBox jest skorzystanie z formularza na oficjalnej stronie internetowej. Komercyjne wykorzystanie jest niedozwolone ze względu na licencję MATLAB- a użytego do kompilacji CrysTBox.

Wybitne badania i użytkownicy

Poza edukacją, CrysTBox jest używany głównie w badaniach z dziedzinami zastosowań rozciągającymi się od badań jądrowych po archeologię i paleontologię . Pakiet został między innymi wykorzystany do rozwoju wytwarzania przyrostowego (w tym drukowanych w 3D stopów biodegradowalnych , szkła metalicznego lub stopów o wysokiej entropii ), odpornych powłok, laserowego śrutowania , technologii oczyszczania wody czy charakteryzowania krzemienia sprzed 50 milionów lat .

Instytucje, których badania były wspierane przez CrysTBox, to placówki edukacyjne, takie jak ETH Zurich , University of California , Uppsala University , Oxford University , University of Waterloo , Indian Institute of Technology , Nanyang Technological University czy University of Tokyo , a także instytuty badawcze, takie jak Max Planck Institutes , Chińska Akademia Nauk , Instytuty Fraunhofera lub krajowe laboratoria USA (NL), takie jak Oak Ridge NL , Lawrence Berkeley NL , Idaho NL i Lawrence Livermoore NL .

Ograniczenia i wady

CrysTBox jest kompilowany do samodzielnych instalatorów przy użyciu MATLAB Compiler. Dlatego razem z przybornikiem instaluje się 1-2 GB bibliotek MATLAB .

Symulacja dyfrakcji stosowana w cellViewer opiera się na teorii dyfrakcji kinematycznej . Pozwala to na reakcję w czasie rzeczywistym na interakcję użytkownika, ale nie obejmuje zaawansowanych funkcji dyfrakcji, takich jak podwójna dyfrakcja, objętych teorią dynamicznej dyfrakcji , mimo że niektóre zjawiska spowodowane przez wielokrotne interakcje elektron-materia są wizualizowane przez CrysTBox – na przykład linie Kikuchi .

Narzędzia analityczne zapewniają korekcję niedoskonałości kalibracji skali , ale nie zapewniają korekty zniekształceń obrazu , takich jak zniekształcenie eliptyczne. Jeśli wymagany jest pomiar o wysokiej dokładności lub zniekształcenie przekracza standardowe poziomy, przed analizą należy zastosować odpowiednie narzędzia.

Narzędzia do wizualizacji krystalograficznej

Aby zwizualizować relacje funkcjonalne i zapewnić lepsze zrozumienie danych eksperymentalnych , interfejs graficzny kładzie nacisk na interaktywność użytkownika i wzajemne powiązania funkcjonalne. W pakiecie znajdują się dwa narzędzia do wizualizacji: jedno przedstawiające pojedynczy materiał, a drugie skupiające się na przeroście dwóch różnych materiałów.

cellViewer - wizualizacja pojedynczego kryształu

Interfejs użytkownika cellViewer.

CellViewer pozwala na wizualizację próbki materiału w czterech trybach szeroko stosowanych w badaniach materiałowych:

Graficzny interfejs użytkownika zapewnia użytkownikowi dwa interaktywne widoki obok siebie. Widoki te mogą wyświetlać dowolne kombinacje czterech wyżej wymienionych trybów wizualizacji, pozwalające dostrzec ich wzajemne relacje. Na przykład obrót struktury atomowej w bezpośredniej przestrzeni prowadzi (jeśli jest tak ustawiony) do natychmiastowej aktualizacji symulowanego obrazu dyfrakcyjnego. Jeśli wybrana zostanie jakakolwiek plamka dyfrakcyjna, odpowiednie płaszczyzny krystalograficzne zostaną pokazane w komórce elementarnej itp. Takie wzajemne połączenia są realizowane dla każdej pary z czterech dostępnych trybów wizualizacji. Wizualizacja elektroniczna pozwala uprościć zrozumienie powszechnie używanych, ale mniej intuicyjnych reprezentacji, takich jak odwrotna figura biegunowa. Na przykład poprzez narysowanie kolorowego trójkąta figury odwrotnego bieguna w projekcji stereograficznej lub w bardziej intuicyjnej trójwymiarowej strukturze atomowej.

ifaceViewer - wizualizacja przerostu

Interfejs użytkownika ifaceViewer.

ifaceViewer pozwala na wizualizację dwóch niewłaściwie zorientowanych materiałów i ich interfejsów, takich jak kryształowe bliźniaki lub granice ziaren . Interfejs użytkownika zapewnia trzy widoki: dwa mniejsze widoki, z których każdy przedstawia jedną komórkę elementarną wybranego materiału i orientacji oraz większy widok przedstawiający odpowiedni interfejs dwóch struktur. Interfejs można wizualizować w czterech trybach:

Wszystkie trzy widoki w interfejsie użytkownika są ze sobą funkcjonalnie połączone. Jeśli zawartość jednego widoku zostanie obrócona przez użytkownika, inne widoki zostaną obrócone. Jeżeli płaszczyzna lub kierunek krystalograficzny jest wybrany w jednym widoku, jest on pokazany w innych widokach i podane są odpowiednie wskaźniki krystalograficzne . Narzędzie pozwala również wyróżnić siatkę zbieżnych miejsc lub obliczyć listę płaszczyzn i kierunków, które są równoległe lub prawie równoległe w dwóch źle zorientowanych materiałach.

Zautomatyzowana analiza obrazów TEM

CrysTBox oferuje narzędzia do automatycznego przetwarzania obrazów dyfrakcyjnych i obrazów z transmisyjnego mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości. Ponieważ narzędzia wykorzystują algorytmy sztucznej inteligencji i wizji komputerowej , są zaprojektowane tak, aby wymagały minimalnego wysiłku operatora, zapewniając wyższą dokładność w porównaniu z oceną ręczną. Cztery narzędzia analityczne mogą służyć do indeksowania wzorów dyfrakcyjnych, pomiaru stałych sieciowych (odległości i kątów), grubości próbki itp. Pomimo wysokiego poziomu automatyzacji, użytkownik ma możliwość kontrolowania całego procesu i wykonywania poszczególnych kroków ręcznie w razie potrzeby.

diffractGUI - HRTEM i przetwarzanie dyfrakcyjne

Interfejs użytkownika diffractGUI.

DiffractGUI pozwala na zautomatyzowaną analizę wzorów dyfrakcyjnych i obrazów o wysokiej rozdzielczości pojedynczego kryształu lub ograniczonej liczby krystalitów . Jest w stanie określić orientację kryształów , indeksować poszczególne plamy dyfrakcyjne oraz mierzyć kąty i odległości międzypłaszczyznowe z pikometryczną precyzją. Obraz wejściowy może przedstawiać:

Obraz wejściowy jest przetwarzany w następujących krokach:

  1. Przetwarzanie wstępne zgodnie z ustawieniami i charakterem obrazu ( rozdzielczość i redukcja szumów , transformata Fouriera dla bezpośrednich obrazów przestrzennych itp.).
  2. Detekcja odbić dyfrakcyjnych w różnych skalach ( różnica Gaussów typowo używana do detekcji punktowej, transformata Hougha do detekcji dysku CBED ).
  3. Najsilniejsze detekcje są wybierane w przestrzeni skali .
  4. Regularna krata jest dopasowana do zbioru najsilniejszych detekcji za pomocą algorytmu RANSAC .
  5. Mierzone są długości i kąty wektorów bazowych sieci .
  6. Określa się orientację sieci krystalicznej i identyfikuje odbicia dyfrakcyjne za pomocą teoretycznych parametrów materiału próbki.

W porównaniu z oceną wykonywaną przez człowieka, diffractGUI uwzględnia jednocześnie dziesiątki, a nawet setki plam dyfrakcyjnych, dzięki czemu może zlokalizować wzór z subpikselową precyzją.

ringGUI - analiza dyfrakcji pierścieniowej

Interfejs użytkownika ringGUI.

RingGUI pozwala na zautomatyzowane przetwarzanie obrazów dyfrakcji pierścieniowej próbek polikrystalicznych lub proszkowych. Można go użyć do identyfikacji pierścieni dyfrakcyjnych, ilościowego określenia odległości międzypłaszczyznowych, a tym samym do scharakteryzowania lub identyfikacji materiału próbki. Dzięki znanemu materiałowi może pomóc w kalibracji mikroskopu . Obraz wejściowy jest przetwarzany w następujący sposób:

  1. wykrywanie przerwania wiązki,
  2. lokalizacja centrum pierścienia,
  3. kwantyfikację profilu dyfrakcyjnego i oszacowanie natężenia jego tła,
  4. identyfikacja słojów na obrazie (szczyty w profilu).

Wyniki mogą być dalej przetwarzane i wizualizowane w dwóch interaktywnych, połączonych funkcjonalnie elementach graficznych:

  • Interaktywny obraz dyfrakcyjny – pozwala użytkownikowi poprawić czytelność obrazu dyfrakcyjnego poprzez usunięcie blokady wiązki, odjęcie tła, odsłonięcie słabych lub plamistych pierścieni lub krystalograficzną identyfikację przedstawionych pierścieni.
  • Profil dyfrakcyjny – średnia kołowa intensywności obrazu przedstawia piki odpowiadające pierścieniom i ich zgodność z wartościami teoretycznymi znanymi dla danego materiału próbki.

Zarówno obraz dyfrakcyjny, jak i profil dyfrakcyjny można wykorzystać do wybrania pierścieni dyfrakcyjnych jednym kliknięciem myszy. Odpowiedni pierścień jest następnie podświetlany w obu reprezentacjach graficznych i wyszczególniane są szczegóły.

twoBeamGUI - oszacowanie grubości próbki

Interfejs użytkownika twoBeamGUI.

Grubość próbki można oszacować za pomocą twoBeamGUI na podstawie wzoru dyfrakcji elektronów zbieżnej wiązki (CBED) w przybliżeniu dwóch wiązek. Procedura opiera się na zautomatyzowanej ekstrakcji profilu intensywności na ugiętym dysku w następujących krokach:

  1. promień dysku dyfrakcyjnego jest określany za pomocą wieloskalowej transformaty Hougha ,
  2. transmitowane i dyfrakcyjne dyski są zlokalizowane, a odbicie indeksowane ,
  3. dyski są wyrównane poziomo, przycięte, a profile są mierzone w poprzek dysków,
  4. profil na ugiętym dysku jest dopasowywany do serii profili automatycznie symulowanych dla danego materiału, odbicia i określonego zakresu grubości.

Po zakończeniu procedury zmierzony profil i najbardziej podobny symulowany profil są wyświetlane z ugiętym dyskiem w tle. Pozwala to użytkownikowi zweryfikować poprawność zautomatyzowanego oszacowania i łatwo sprawdzić podobieństwo innych profili intensywności w określonym zakresie grubości.

gpaGUI - geometryczna analiza faz

Interfejs użytkownika gpaGUI.

Narzędzie o nazwie gpaGUI zapewnia interaktywny interfejs do analizy faz geometrycznych . Pozwala na generowanie map 2D różnych wielkości krystalograficznych przy użyciu obrazów o wysokiej rozdzielczości.

Ponieważ analiza fazy geometrycznej jest wykonywana w dziedzinie częstotliwości , obraz o wysokiej rozdzielczości musi zostać przekształcony w reprezentację częstościową za pomocą transformaty Fouriera . Z matematycznego punktu widzenia obraz częstościowy jest złożoną macierzą o rozmiarze równym obrazowi oryginalnemu. Krystalograficznie można to postrzegać jako sztuczny wzór dyfrakcyjny oryginalnego obrazu przedstawiający piki intensywności odpowiadające płaszczyznom krystalograficznym obecnym na oryginalnym obrazie. Po wykonaniu żądanych obliczeń częstościowa reprezentacja może zostać przekształcona z powrotem do pierwotnej domeny przestrzennej za pomocą odwrotnej transformaty Fouriera.

Za pomocą obrazu częstościowego można przeprowadzić różne analizy krystalograficzne. Jeśli jest filtrowany w taki sposób, że wykorzystywana jest tylko informacja z obszaru bliskiego konkretnej plamce dyfrakcyjnej (reszta jest ustawiona na zero), przefiltrowany obraz bezpośredni uzyskany przez odwrotną transformatę Fouriera przedstawia wtedy tylko płaszczyzny odpowiadające wybranemu plamce dyfrakcyjnej. Ponadto, ze względu na swoją złożoność, obraz częstościowy może być wykorzystany do obliczenia amplitudy i fazy . Wraz z przedstawionym na obrazie wektorem jednej płaszczyzny krystalograficznej można je wykorzystać do wygenerowania mapy 2D odległości międzypłaszczyznowej danej płaszczyzny. Jeśli znane są dwa wektory płaszczyzn nierównoległych, metoda ta może być wykorzystana do wygenerowania map odkształceń i przemieszczeń .

Graficzny interfejs użytkownika gpaGUI jest podzielony pionowo na dwie połowy, z których każda zawiera:

  • Podgląd dyfraktogramu umożliwiający wybór jednego punktu dyfrakcyjnego odpowiadającego płaszczyźnie krystalograficznej.
  • Wizualizacja wybranej wielkości (obraz wejściowy, obraz filtrowany lub jedna z wyżej wymienionych map) pozwalająca na wybranie interesującego miejsca lub regionu do dalszej analizy.
  • Wyniki szczegółowej analizy punktu lub obszaru zainteresowania. Analiza punktowa pozwala użytkownikowi wybrać dowolny piksel zwizualizowanej mapy, aby zobaczyć dokładne wartości danego piksela i jego najbliższego sąsiedztwa . Jeśli potrzebna jest analiza szerszego obszaru, na mapie można nakreślić region wielokątny , aby wyliczyć jego szczegóły statystyczne: średnią , odchylenie standardowe , medianę , minimalną, maksymalną i całkowitą powierzchnię wielokąta.

Ponieważ każda połowa interfejsu pozwala na określenie jednej płaszczyzny krystalograficznej, gpaGUI pozwala obliczyć wszystkie wyżej wymienione wielkości krystalograficzne, w tym te, które wymagają dwóch wektorów. Precyzja i powtarzalność całej analizy zależy od dokładności lokalizacji pików dyfrakcyjnych. Aby przezwyciężyć niedokładność ręcznej lokalizacji pików (za pomocą kliknięcia myszką), gpaGUI zapewnia możliwość przetwarzania obrazu wejściowego za pomocą diffractGUI w celu dokładnego zlokalizowania i indeksowania pików.

Zobacz też

Notatki

Linki zewnętrzne