eng
Выпуск #5/2018
А.Филонов, И.Яминский, А.Ахметова, Г.Мешков
"ФемтоСкан Онлайн"! Почему он?
"ФемтоСкан Онлайн"! Почему он?
Просмотры: 3943
Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" позволяет проводить обработку, анализ и построение изображений в сканирующей зондовой микроскопии, а также управлять сканирующим зондовым микроскопом в том числе удаленно – через Интернет. "ФемтоСкан Онлайн" воспринимает более 100 различных форматов записи данных от существующих и уже исчезнувших компаний, микроскопы которых используются в лабораториях мира. ПО удобно применять для анализа больших снимков, так как на экран монитора выводятся два изображения: обзорное со скользящим окном и увеличенное отображение содержимого скользящего окна. Также реализована возможность просмотра трехмерных изображений на стереомониторе. ПО успешно используется в учебной и образовательной работе в вузах, школах и в ЦМИТ "Нанотехнологии".
УДК 004.932; ВАК 05.11.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.336.342
УДК 004.932; ВАК 05.11.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.336.342
Теги: electron microscopy image processing and analysis optical microscopy scanning probe microscopy обработка и анализ изображений оптическая микроскопия сканирующая зондовая микроскопия электронная микроскопия
"И был на всей земле один язык со словами немногими"
Ветхий Завет, Книга Бытия
В 1996 году появилась первая версия "ФемтоСкан Онлайн" – программного обеспечения, которое позволяет проводить обработку, анализ и построение изображений в сканирующей зондовой микроскопии, а также управлять сканирующим зондовым микроскопом, в том числе удаленным образом через Интернет. В настоящее время это ПО можно считать "стандартом де-факто" для обработки изображений и данных в сканирующей зондовой микроскопии.
Так сложилось, что практически каждая компания, выпускавшая сканирующие зондовые микроскопы, создавала свой оригинальный формат записи данных. Избежать вавилонского смешения языков удалось благодаря "ФемтоСкан Онлайн", который внес определенный порядок в разношерстное и неорганизованное сообщество сканирующей зондовой микроскопии. Если фирмы-разработчики возникали и исчезали, то форматы данных продолжали поддерживаться этим ПО.
В 2016 году проводящая передовые исследования и прекрасно оборудованная лаборатория сканирующей зондовой микроскопии профессора Ю.Л.Любченко в Медицинском центре Небраски (США) купила микроскоп компании JPK с новым форматом записи данных. Проблему обработки изображений успешно решил "ФемтоСкан Онлайн" благодаря встроенному автоматическому конвертору файлов. Привыкший к удобству не захочет от него отказываться – это правило в полной мере справедливо и для специалистов, работающих в области сканирующей зондовой микроскопии. Современный сканирующий зондовый микроскоп становится высокопроизводительным и быстродействующим прибором, выдающим на-гора тысячи тонн байтовой "руды". Ее обработка может стать бесконечно длительным и утомительным занятием, если под рукой не найдется соответствующего инструмента наивысшей производительности.
Почему именно "ФемтоСкан Онлайн" стал таким инструментом? "Кто хочет быть первым, будь из всех последним и всем слугою", – сказано в Евангелие от Марка. "ФемтоСкан Онлайн" может быть всем слугою. В настоящее время он воспринимает более 100 различных форматов записи данных от как существующих, так и уже исчезнувших компаний, микроскопы которых успешно работают в лабораториях мира. В их числе Digital Instruments, Veeco, Bruker, Molecular Imaging, NT-MDT, Asylum Research, Advanced Technologies Center [1]. Вряд ли удастся сделать один язык и один стиль для различных форматов файлов, но создать эффективный переводчик – задача вполне реальная, и решена она именно в "ФемтоСкан Онлайн".
Кнопки, всплывающие окна, иконки, клики мыши – неотъемлемые атрибуты любого ПО. Чем меньше действий требуется выполнить для достижения заданной цели, тем лучше для пользователя. В "ФемтоСкан Онлайн" оптимизация таких последовательностей проводилась в тесном контакте с реальными исследователями-пользователями для большинства операций при обработке, анализе и построении изображений.
Большая часть функций "ФемтоСкан Онлайн" интуитивно понятны. Получив начальный опыт применения ПО, можно обратиться к руководству пользователя для детального и глубокого осмысления алгоритмов программы (русская версия – http://www.nanoscopy.net/downloads/FemtoScan/FsOnlineManual_ru.pdf, английская версия – http://www.nanoscopy.net/downloads/FemtoScan/FSOnlineManual_en.pdf).
Рассмотрим несколько примеров использования ПО "ФемтоСкан Онлайн". Изображения большого размера (более 512 Ч 512 точек измерения), как правило, содержат много полезной информации и одновременно являются трудоемкими для обработки. В "ФемтоСкан Онлайн" на экран монитора выводятся два изображения: обзорное со скользящим окном (рис.1a) и увеличенное детальное отображение содержимого скользящего окна (рис.1b). Передвигая выбранную область (скользящее окно, выделенное пунктиром на обзорном кадре рис.1а), пользователь в детальном изображении (рис.1b) видит важные особенности образца при заранее выбранном увеличении. При перемещении выбранной области – скользящего окна – синхронно изменяются детальное изображение, сечение вдоль пунктирной линии и Фурье-образ детального изображения. При этом на детальном изображении можно выбирать не одно, а сразу несколько сечений вдоль различных направлений. Исходное и увеличенное изображения можно представлять в различных цифровых палитрах. Эта функция позволяет существенно сократить время анализа экспериментальных данных неоднородных поверхностей.
Возможность смотреть трехмерные изображения на стереомониторе также реализована в "ФемтоСкан Онлайн". В стереорежиме можно выполнить "обзорный пролет" над трехмерными объектами, например, бактерией кишечной палочки. Для построения такого стереофильма в ПО выбирается последовательность трехмерных изображений, полученных в разных ракурсах при различных перспективе и увеличении. На основе этих кадров "ФемтоСкан Онлайн", используя плавные повороты и масштабирование, строит визуальный ряд изображений стереофильма.
Одна из важных задач в области обработки изображений, не только применительно к зондовой микроскопии, – это распознавание (нахождение) объектов интересующей исследователя формы. Человеческий глаз быстро находит интересующую частицу определенной, например, цилиндрической формы на изображении, однако для автоматизации этого процесса нужны четкие математические критерии. В случае нанесения объектов на ровную гладкую поверхность (стандартные подложки для зондовой микроскопии – слюда или графит) изображение имеет однородный фон, при котором автоматический поиск легко реализуется математическими алгоритмами, встроенными в большинство программ для обработки изображений оптической, электронной и зондовой микроскопии. Однако, в случае более сложных подложек, например полимерных пленок или аморфных твердых тел, элементы рельефа поверхности могут иметь сходство с интересующими исследователя частицами, и автоматическое выделение последних не всегда возможно. Трудности возникают и при попытке статистической обработки деталей, являющихся неотъемлемой частью поверхности. Если глаз легко выделяет на изображении участки поверхности, содержащие объекты исследования, то математического критерия обработки пока не удается создать.
На рис.3 приведен пример достаточно сложного образца – частиц вируса табачной мозаики (ВТМ) из водного раствора, нанесенных на слюду. Частицы ВТМ являются стандартным образцом для калибровки различных типов микроскопов, например, в Российской Федерации утвержден такой стандартный образец на подложке из высокоориентированного пиролитического графита (ГСО 10299-2013). Алгоритм автоматического поиска успешно находит подходящие по высоте частицы на поверхности подложки (на левом изображении на рис.3 они отмечены стрелками), но глаз человека видит, что из найденных программой более 150 объектов имеется всего шесть частиц ВТМ, имеющих цилиндрическую форму. В таких случаях удобно использовать функцию "Анализ объектов" (меню "Математика / Анализ объектов"), которая позволяет вручную выделить объекты, вычислить их пространственные характеристики, а также проанализировать их с помощью гистограммы. Слева на рис.3 представлен пример анализа одиночного объекта с использованием функции "Рассмотреть" (скользящее окно), работа которой была описана выше (рис.1).
"ФемтоСкан Онлайн" позволяет легко и быстро составить таблицу характеристик интересующих объектов. Для этого сначала производится поиск объектов подходящего размера, как показано слева на рис.3. Затем, перемещая скользящее окно размером примерно с объект по кадру большого масштаба (рис.3 слева) и наводя его на интересующие частицы, получаем серию изображений отдельных объектов (рис.4 слева), которые по нажатию на кнопку "Добавить объект" сразу заносятся в таблицу для статистики. Таким образом, "ФемтоСкан Онлайн" позволяет совместить автоматический поиск объектов с их ручным распознаванием.
Скачать ПО "ФемтоСкан Онлайн" можно по следующим ссылкам:
• http://www.nanoscopy.net/femtoscanonline/ru/download – русская версия;
• http://www.nanoscopy.net/femtoscanonline/en/download – английская версия.
"ФемтоСкан Онлайн" активно используется в учебной и образовательной деятельности – в практикумах для студентов высших образовательных учреждений, например в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, а также в средних школах на уроках дополнительного образования. В Центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" (www.startinnovation.com) ПО "ФемтоСкан Онлайн" является ключевым элементом нескольких учебно-практических курсов по сканирующей зондовой микроскопии и биосенсорам.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований №17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY. 2016. No. 2 (64): 42–46.
Ветхий Завет, Книга Бытия
В 1996 году появилась первая версия "ФемтоСкан Онлайн" – программного обеспечения, которое позволяет проводить обработку, анализ и построение изображений в сканирующей зондовой микроскопии, а также управлять сканирующим зондовым микроскопом, в том числе удаленным образом через Интернет. В настоящее время это ПО можно считать "стандартом де-факто" для обработки изображений и данных в сканирующей зондовой микроскопии.
Так сложилось, что практически каждая компания, выпускавшая сканирующие зондовые микроскопы, создавала свой оригинальный формат записи данных. Избежать вавилонского смешения языков удалось благодаря "ФемтоСкан Онлайн", который внес определенный порядок в разношерстное и неорганизованное сообщество сканирующей зондовой микроскопии. Если фирмы-разработчики возникали и исчезали, то форматы данных продолжали поддерживаться этим ПО.
В 2016 году проводящая передовые исследования и прекрасно оборудованная лаборатория сканирующей зондовой микроскопии профессора Ю.Л.Любченко в Медицинском центре Небраски (США) купила микроскоп компании JPK с новым форматом записи данных. Проблему обработки изображений успешно решил "ФемтоСкан Онлайн" благодаря встроенному автоматическому конвертору файлов. Привыкший к удобству не захочет от него отказываться – это правило в полной мере справедливо и для специалистов, работающих в области сканирующей зондовой микроскопии. Современный сканирующий зондовый микроскоп становится высокопроизводительным и быстродействующим прибором, выдающим на-гора тысячи тонн байтовой "руды". Ее обработка может стать бесконечно длительным и утомительным занятием, если под рукой не найдется соответствующего инструмента наивысшей производительности.
Почему именно "ФемтоСкан Онлайн" стал таким инструментом? "Кто хочет быть первым, будь из всех последним и всем слугою", – сказано в Евангелие от Марка. "ФемтоСкан Онлайн" может быть всем слугою. В настоящее время он воспринимает более 100 различных форматов записи данных от как существующих, так и уже исчезнувших компаний, микроскопы которых успешно работают в лабораториях мира. В их числе Digital Instruments, Veeco, Bruker, Molecular Imaging, NT-MDT, Asylum Research, Advanced Technologies Center [1]. Вряд ли удастся сделать один язык и один стиль для различных форматов файлов, но создать эффективный переводчик – задача вполне реальная, и решена она именно в "ФемтоСкан Онлайн".
Кнопки, всплывающие окна, иконки, клики мыши – неотъемлемые атрибуты любого ПО. Чем меньше действий требуется выполнить для достижения заданной цели, тем лучше для пользователя. В "ФемтоСкан Онлайн" оптимизация таких последовательностей проводилась в тесном контакте с реальными исследователями-пользователями для большинства операций при обработке, анализе и построении изображений.
Большая часть функций "ФемтоСкан Онлайн" интуитивно понятны. Получив начальный опыт применения ПО, можно обратиться к руководству пользователя для детального и глубокого осмысления алгоритмов программы (русская версия – http://www.nanoscopy.net/downloads/FemtoScan/FsOnlineManual_ru.pdf, английская версия – http://www.nanoscopy.net/downloads/FemtoScan/FSOnlineManual_en.pdf).
Рассмотрим несколько примеров использования ПО "ФемтоСкан Онлайн". Изображения большого размера (более 512 Ч 512 точек измерения), как правило, содержат много полезной информации и одновременно являются трудоемкими для обработки. В "ФемтоСкан Онлайн" на экран монитора выводятся два изображения: обзорное со скользящим окном (рис.1a) и увеличенное детальное отображение содержимого скользящего окна (рис.1b). Передвигая выбранную область (скользящее окно, выделенное пунктиром на обзорном кадре рис.1а), пользователь в детальном изображении (рис.1b) видит важные особенности образца при заранее выбранном увеличении. При перемещении выбранной области – скользящего окна – синхронно изменяются детальное изображение, сечение вдоль пунктирной линии и Фурье-образ детального изображения. При этом на детальном изображении можно выбирать не одно, а сразу несколько сечений вдоль различных направлений. Исходное и увеличенное изображения можно представлять в различных цифровых палитрах. Эта функция позволяет существенно сократить время анализа экспериментальных данных неоднородных поверхностей.
Возможность смотреть трехмерные изображения на стереомониторе также реализована в "ФемтоСкан Онлайн". В стереорежиме можно выполнить "обзорный пролет" над трехмерными объектами, например, бактерией кишечной палочки. Для построения такого стереофильма в ПО выбирается последовательность трехмерных изображений, полученных в разных ракурсах при различных перспективе и увеличении. На основе этих кадров "ФемтоСкан Онлайн", используя плавные повороты и масштабирование, строит визуальный ряд изображений стереофильма.
Одна из важных задач в области обработки изображений, не только применительно к зондовой микроскопии, – это распознавание (нахождение) объектов интересующей исследователя формы. Человеческий глаз быстро находит интересующую частицу определенной, например, цилиндрической формы на изображении, однако для автоматизации этого процесса нужны четкие математические критерии. В случае нанесения объектов на ровную гладкую поверхность (стандартные подложки для зондовой микроскопии – слюда или графит) изображение имеет однородный фон, при котором автоматический поиск легко реализуется математическими алгоритмами, встроенными в большинство программ для обработки изображений оптической, электронной и зондовой микроскопии. Однако, в случае более сложных подложек, например полимерных пленок или аморфных твердых тел, элементы рельефа поверхности могут иметь сходство с интересующими исследователя частицами, и автоматическое выделение последних не всегда возможно. Трудности возникают и при попытке статистической обработки деталей, являющихся неотъемлемой частью поверхности. Если глаз легко выделяет на изображении участки поверхности, содержащие объекты исследования, то математического критерия обработки пока не удается создать.
На рис.3 приведен пример достаточно сложного образца – частиц вируса табачной мозаики (ВТМ) из водного раствора, нанесенных на слюду. Частицы ВТМ являются стандартным образцом для калибровки различных типов микроскопов, например, в Российской Федерации утвержден такой стандартный образец на подложке из высокоориентированного пиролитического графита (ГСО 10299-2013). Алгоритм автоматического поиска успешно находит подходящие по высоте частицы на поверхности подложки (на левом изображении на рис.3 они отмечены стрелками), но глаз человека видит, что из найденных программой более 150 объектов имеется всего шесть частиц ВТМ, имеющих цилиндрическую форму. В таких случаях удобно использовать функцию "Анализ объектов" (меню "Математика / Анализ объектов"), которая позволяет вручную выделить объекты, вычислить их пространственные характеристики, а также проанализировать их с помощью гистограммы. Слева на рис.3 представлен пример анализа одиночного объекта с использованием функции "Рассмотреть" (скользящее окно), работа которой была описана выше (рис.1).
"ФемтоСкан Онлайн" позволяет легко и быстро составить таблицу характеристик интересующих объектов. Для этого сначала производится поиск объектов подходящего размера, как показано слева на рис.3. Затем, перемещая скользящее окно размером примерно с объект по кадру большого масштаба (рис.3 слева) и наводя его на интересующие частицы, получаем серию изображений отдельных объектов (рис.4 слева), которые по нажатию на кнопку "Добавить объект" сразу заносятся в таблицу для статистики. Таким образом, "ФемтоСкан Онлайн" позволяет совместить автоматический поиск объектов с их ручным распознаванием.
Скачать ПО "ФемтоСкан Онлайн" можно по следующим ссылкам:
• http://www.nanoscopy.net/femtoscanonline/ru/download – русская версия;
• http://www.nanoscopy.net/femtoscanonline/en/download – английская версия.
"ФемтоСкан Онлайн" активно используется в учебной и образовательной деятельности – в практикумах для студентов высших образовательных учреждений, например в Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, а также в средних школах на уроках дополнительного образования. В Центре молодежного инновационного творчества "Нанотехнологии" (www.startinnovation.com) ПО "ФемтоСкан Онлайн" является ключевым элементом нескольких учебно-практических курсов по сканирующей зондовой микроскопии и биосенсорам.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований №17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Yaminsky I.V., Filonov A.S., Sinitsyna O.V., Meshkov G.B. FemtoScan Online software. NANOINDUSTRY. 2016. No. 2 (64): 42–46.
Отзывы читателей
