eng
Выпуск #3-4/2024
А.И.Ахметова, Д.И.Яминский, И.В.Яминский
"ФЕМТОСКАН ОНЛАЙН": ОБРАБОТКА И ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
"ФЕМТОСКАН ОНЛАЙН": ОБРАБОТКА И ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Просмотры: 1099
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183
Уникальные возможности атомно-силового микроскопа (АСМ), включая получение изображений сверхвысокого разрешения, наноманипулирование и способность работать в физиологических условиях, открыли интересные возможности для исследований в биологии и биомедицине. АСМ-визуализация применительно к биологическм объектам позволяет раскрыть тонкую структуру клеток на наноуровне и то, как они изменяются в процессе жизнедеятельности или под действием препаратов. Зачастую такие динамические события могут вносить дополнительные искажения на изображения, от которых экспериментатор может избавиться с помощью специальных приложений. В данной работе рассмотрены функции ПО "ФемтоСкан Онлайн" применительно к обработке изображений зондовой микроскопии, улучшению качества изображения, уменьшению шумов и повышению информативности данных.
Уникальные возможности атомно-силового микроскопа (АСМ), включая получение изображений сверхвысокого разрешения, наноманипулирование и способность работать в физиологических условиях, открыли интересные возможности для исследований в биологии и биомедицине. АСМ-визуализация применительно к биологическм объектам позволяет раскрыть тонкую структуру клеток на наноуровне и то, как они изменяются в процессе жизнедеятельности или под действием препаратов. Зачастую такие динамические события могут вносить дополнительные искажения на изображения, от которых экспериментатор может избавиться с помощью специальных приложений. В данной работе рассмотрены функции ПО "ФемтоСкан Онлайн" применительно к обработке изображений зондовой микроскопии, улучшению качества изображения, уменьшению шумов и повышению информативности данных.
Получено: 27.04.2024 г. | Принято: 3.05.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183
Научная статья
"ФемтоСкан Онлайн": обработка и фильтрация изображений
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., вед. спец., ORCID: 0000-0002-5115-8030
Д.И.Яминский1, асп., ORCID: 0009-0009-6370-7496
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Уникальные возможности атомно-силового микроскопа (АСМ), включая получение изображений сверхвысокого разрешения, наноманипулирование и способность работать в физиологических условиях, открыли интересные возможности для исследований в биологии и биомедицине. АСМ-визуализация применительно к биологическм объектам позволяет раскрыть тонкую структуру клеток на наноуровне и то, как они изменяются в процессе жизнедеятельности или под действием препаратов. Зачастую такие динамические события могут вносить дополнительные искажения на изображения, от которых экспериментатор может избавиться с помощью специальных приложений. В данной работе рассмотрены функции ПО "ФемтоСкан Онлайн" применительно к обработке изображений зондовой микроскопии, улучшению качества изображения, уменьшению шумов и повышению информативности данных.
Ключевые слова: обработка данных, выравнивание подложки, Фурье-фильтрация, атомно-силовая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия
Для цитирования: А.И. Ахметова, Д.И. Яминский, И.В. Яминский. "ФемтоСкан Онлайн": обработка и фильтрация изображений. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 3–4. С. 178–183. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183.
Received: 27.03.2024 | Accepted: 3.05.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183
Original paper
FEMTOSCAN ONLINE: IMAGE PROCESSING AND FILTERING
A.I.Akhmetova1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Specialist, ORCID: 0000-0002-5115-8030
D.I.Yaminsky1, Post Graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. The unique capabilities of the atomic force microscope (AFM), including super-high-resolution imaging, nanomanipulation, and the ability to operate under physiological conditions, have opened up exciting research opportunities in biology and biomedicine. AFM imaging has helped reveal the fine structure of bacterial cell walls at the nanoscale and how they are altered by antimicrobial treatment. This paper discusses the functions of FemtoScan Online software in relation to processing probe microscopy images, improving image quality reducing noise and increasing the informativeness of data.
Keywords: data processing, substrate alignment, Fourier filtering, atomic force microscopy, scanning probe microscopy, bionanoscopy
For citation: A.I. Akhmetova, D.I. Yaminsky, I.V. Yaminsky. FemtoScan Online: image processing and filtering. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 3–4. PP. 178–183. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183.
ВВЕДЕНИЕ
В зондовой микроскопии обработка экспериментальных данных играет решающую роль в получении новой информации о структуре материи. Зачастую приходится работать с образцами со сложным рельефом, особенности которого нужно охарактеризовать, посчитать, оцифровать. Для этого необходимо использовать многочисленные функции. С этой задачей справляется ПО "ФемтоСкан Онлайн" [1]. Помимо базовых функций по усреденению и вычитанию крупного рельефа, о которых мы рассказывали ранее [2], можно воспользоваться более сложными и более деликатными операциями, позволяющими проанализировать полученное изображение.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Фурье-фильтрация. При вычитании фона приходится сталкиваться с типичной в физике проблемой: фон и сигнал (рельеф интересующей нас микроструктуры) одного порядка. В этом случае поможет альтернативный метод удаления макрорельефа – фурье-фильтрация.
Идея проста – макрорельефу соответствуют тригонометрические функции с низкими частотами, так что если мы удалим из фурье-образа изображения низкочастотную составляющую (небольшой фрагмент около начала координат, рис.1), то эти составляющие изображения будут отфильтрованы: весь микрорельеф останется, а макрорельеф исчезнет.
Для того чтобы удалить шумовую составляющую, не понизив резкость отображения микроструктуры, также можно воспользоваться фурье-фильтрацией. Построив образ Фурье, мы видим (рис.2), что в области высоких частот – дальше от начала координат – присутствуют несколько ярких рефлексов. Это полосы рефлексов вдоль оси X и несколько ярких рефлексов, расположенных рядом от оси Y. Их нужно удалить, тогда после обратного преобразования Фурье шума на изображении станет гораздо меньше. Можно поступить более радикально и удалить все высокие частоты на изображении, как это показано на рис.3. Результат обратного преобразования показан на рис.4.
Можно менять контрастность изображения фурье-образа: для этого в меню Фурье выберите один из трех вариантов команды "Контрастировать": "Больше" (увеличение контрастности), "Меньше" (уменьшение) или "Восстановить" (восстанавливает исходную установку). Если вы выделили некоторую область спектра, то можете обнулить ее внутреннюю или внешнюю часть. Для этого есть команды "Обнулить внутри" и "Обнулить снаружи", доступные по нажатию правой кнопки мыши, а также из меню Фурье. Аналогично можно увеличить или уменьшить вклад выбранных частот с помощью команд "Увеличить" или "Уменьшить".
При усилении, ослаблении и обнулении выбранных частот, изменения в фурье-спектре сразу же отражаются на изображении поверхности. Ослабление низкочастотной составляющей на изображении приводит к удалению макрорельефа.
Гистограмма. Гистограмма часто оказывается неплохим способом быстро оценить высоту пленки или других равномерных объектов. После выполнения команды "Гистограмма" появляется окно, содержащее распределение точек изображения поверхности по высотам.
При перемещении штриховых вертикальных линий в нижней строчке окна отображаются числовые данные (рис.5):
На рис.5 представлена гистограмма изображения Х вируса картофеля: есть четкий левый пик, соответствующий рапределению точек чистой подложки, правый пик (небольшой) характеризует распределение частиц по высоте.
По команде "Обрезать" из меню "Гистограмма" высота каждой точки, оказавшейся снаружи от вертикальных линий, становится равной высоте, указанной соответствующей вертикальной линией. Эти изменения сразу же отражаются на изображении поверхности. Гистограмма также перестраивается заново и может иметь совершенно новый вид.
ВЫВОДЫ
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) и высокоскоростное сканирование значительно продвинули исследование биологических объектов и структур от отдельных молекул до клеточного уровня. Чтобы облегчить интерпретацию изображений с ограниченным разрешением, обработка данных и фильтрация играют все более важную роль для понимания измерений АСМ. Когда с помощью программного обеспечения можно охарактеризовать особенности рельефа поверхности образца, его структуры, посчитать геометрические характеристики, это существенно дополняет вычислительный анализ объектов.
ПО "ФемтоСкан Онлайн" наряду с удобным интерфейсом для обработки изображений и их фильтрации, позволяет получать множество количественных характеристик благодаря умным алгоритмам и качественной визуализации, что, безусловно, способствует пониманию процессов за пределами топографических изображений [3]. Эта работа иллюстрирует возможности ПО "ФемтоСкан Олайн" и подчеркивает важность обработки данных АСМ в дополнение к экспериментальным наблюдениям.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена по госзаданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий". www.nanoscopy.ru
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online software and visualization of nanoobjects in high-resolution microscopy. NANOINDUSTRY. 2018. Vol. 11. No. 6(85). PP. 414–416. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2018.11.6.414.416
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Sovetnikov T.O. FemtoScan Online: 3D visualization and processing of bionanoscopy data. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 3-4. PP. 450–455. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.450.455
Filonov A.S., Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online! Why he? NANOINDUSTRY. 2018. Vol. 84. No. 5. PP. 339–342. https://doi/org/10.22184/1993-8578.2018.84.5.336.342
Научная статья
"ФемтоСкан Онлайн": обработка и фильтрация изображений
А.И.Ахметова1, 2, к.ф.-м.н., вед. спец., ORCID: 0000-0002-5115-8030
Д.И.Яминский1, асп., ORCID: 0009-0009-6370-7496
И.В.Яминский1, 2, д.ф.-м.н., проф., ген. дир., ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Аннотация. Уникальные возможности атомно-силового микроскопа (АСМ), включая получение изображений сверхвысокого разрешения, наноманипулирование и способность работать в физиологических условиях, открыли интересные возможности для исследований в биологии и биомедицине. АСМ-визуализация применительно к биологическм объектам позволяет раскрыть тонкую структуру клеток на наноуровне и то, как они изменяются в процессе жизнедеятельности или под действием препаратов. Зачастую такие динамические события могут вносить дополнительные искажения на изображения, от которых экспериментатор может избавиться с помощью специальных приложений. В данной работе рассмотрены функции ПО "ФемтоСкан Онлайн" применительно к обработке изображений зондовой микроскопии, улучшению качества изображения, уменьшению шумов и повышению информативности данных.
Ключевые слова: обработка данных, выравнивание подложки, Фурье-фильтрация, атомно-силовая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, бионаноскопия
Для цитирования: А.И. Ахметова, Д.И. Яминский, И.В. Яминский. "ФемтоСкан Онлайн": обработка и фильтрация изображений. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 3–4. С. 178–183. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183.
Received: 27.03.2024 | Accepted: 3.05.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183
Original paper
FEMTOSCAN ONLINE: IMAGE PROCESSING AND FILTERING
A.I.Akhmetova1, 2, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Leading Specialist, ORCID: 0000-0002-5115-8030
D.I.Yaminsky1, Post Graduate, ORCID: 0009-0009-6370-7496
I.V.Yaminsky1, 2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., Director, ORCID: 0000-0001-8731-3947 / yaminsky@nanoscopy.ru
Abstract. The unique capabilities of the atomic force microscope (AFM), including super-high-resolution imaging, nanomanipulation, and the ability to operate under physiological conditions, have opened up exciting research opportunities in biology and biomedicine. AFM imaging has helped reveal the fine structure of bacterial cell walls at the nanoscale and how they are altered by antimicrobial treatment. This paper discusses the functions of FemtoScan Online software in relation to processing probe microscopy images, improving image quality reducing noise and increasing the informativeness of data.
Keywords: data processing, substrate alignment, Fourier filtering, atomic force microscopy, scanning probe microscopy, bionanoscopy
For citation: A.I. Akhmetova, D.I. Yaminsky, I.V. Yaminsky. FemtoScan Online: image processing and filtering. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 3–4. PP. 178–183. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.3-4.178.183.
ВВЕДЕНИЕ
В зондовой микроскопии обработка экспериментальных данных играет решающую роль в получении новой информации о структуре материи. Зачастую приходится работать с образцами со сложным рельефом, особенности которого нужно охарактеризовать, посчитать, оцифровать. Для этого необходимо использовать многочисленные функции. С этой задачей справляется ПО "ФемтоСкан Онлайн" [1]. Помимо базовых функций по усреденению и вычитанию крупного рельефа, о которых мы рассказывали ранее [2], можно воспользоваться более сложными и более деликатными операциями, позволяющими проанализировать полученное изображение.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Фурье-фильтрация. При вычитании фона приходится сталкиваться с типичной в физике проблемой: фон и сигнал (рельеф интересующей нас микроструктуры) одного порядка. В этом случае поможет альтернативный метод удаления макрорельефа – фурье-фильтрация.
Идея проста – макрорельефу соответствуют тригонометрические функции с низкими частотами, так что если мы удалим из фурье-образа изображения низкочастотную составляющую (небольшой фрагмент около начала координат, рис.1), то эти составляющие изображения будут отфильтрованы: весь микрорельеф останется, а макрорельеф исчезнет.
Для того чтобы удалить шумовую составляющую, не понизив резкость отображения микроструктуры, также можно воспользоваться фурье-фильтрацией. Построив образ Фурье, мы видим (рис.2), что в области высоких частот – дальше от начала координат – присутствуют несколько ярких рефлексов. Это полосы рефлексов вдоль оси X и несколько ярких рефлексов, расположенных рядом от оси Y. Их нужно удалить, тогда после обратного преобразования Фурье шума на изображении станет гораздо меньше. Можно поступить более радикально и удалить все высокие частоты на изображении, как это показано на рис.3. Результат обратного преобразования показан на рис.4.
Можно менять контрастность изображения фурье-образа: для этого в меню Фурье выберите один из трех вариантов команды "Контрастировать": "Больше" (увеличение контрастности), "Меньше" (уменьшение) или "Восстановить" (восстанавливает исходную установку). Если вы выделили некоторую область спектра, то можете обнулить ее внутреннюю или внешнюю часть. Для этого есть команды "Обнулить внутри" и "Обнулить снаружи", доступные по нажатию правой кнопки мыши, а также из меню Фурье. Аналогично можно увеличить или уменьшить вклад выбранных частот с помощью команд "Увеличить" или "Уменьшить".
При усилении, ослаблении и обнулении выбранных частот, изменения в фурье-спектре сразу же отражаются на изображении поверхности. Ослабление низкочастотной составляющей на изображении приводит к удалению макрорельефа.
Гистограмма. Гистограмма часто оказывается неплохим способом быстро оценить высоту пленки или других равномерных объектов. После выполнения команды "Гистограмма" появляется окно, содержащее распределение точек изображения поверхности по высотам.
При перемещении штриховых вертикальных линий в нижней строчке окна отображаются числовые данные (рис.5):
- Х0 – это высота поверхности, соответствующая левой отметке на гистограмме,
- Х1 – это высота поверхности, соответствующая правой отметке на гистограмме,
- Х1–Х0 – разность между этими двумя уровнями,
- % – процентное отношение количества точек поверхности, высота которых находится между выбранными высотами.
На рис.5 представлена гистограмма изображения Х вируса картофеля: есть четкий левый пик, соответствующий рапределению точек чистой подложки, правый пик (небольшой) характеризует распределение частиц по высоте.
По команде "Обрезать" из меню "Гистограмма" высота каждой точки, оказавшейся снаружи от вертикальных линий, становится равной высоте, указанной соответствующей вертикальной линией. Эти изменения сразу же отражаются на изображении поверхности. Гистограмма также перестраивается заново и может иметь совершенно новый вид.
ВЫВОДЫ
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) и высокоскоростное сканирование значительно продвинули исследование биологических объектов и структур от отдельных молекул до клеточного уровня. Чтобы облегчить интерпретацию изображений с ограниченным разрешением, обработка данных и фильтрация играют все более важную роль для понимания измерений АСМ. Когда с помощью программного обеспечения можно охарактеризовать особенности рельефа поверхности образца, его структуры, посчитать геометрические характеристики, это существенно дополняет вычислительный анализ объектов.
ПО "ФемтоСкан Онлайн" наряду с удобным интерфейсом для обработки изображений и их фильтрации, позволяет получать множество количественных характеристик благодаря умным алгоритмам и качественной визуализации, что, безусловно, способствует пониманию процессов за пределами топографических изображений [3]. Эта работа иллюстрирует возможности ПО "ФемтоСкан Олайн" и подчеркивает важность обработки данных АСМ в дополнение к экспериментальным наблюдениям.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена по госзаданию при финансовой поддержке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова (Регистрационная тема 122091200048-7). ПО "ФемтоСкан Онлайн" предоставлено ООО НПП "Центр перспективных технологий". www.nanoscopy.ru
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online software and visualization of nanoobjects in high-resolution microscopy. NANOINDUSTRY. 2018. Vol. 11. No. 6(85). PP. 414–416. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2018.11.6.414.416
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V., Sovetnikov T.O. FemtoScan Online: 3D visualization and processing of bionanoscopy data. NANOINDUSTRY. 2023. Vol. 16. No. 3-4. PP. 450–455. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.450.455
Filonov A.S., Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. FemtoScan Online! Why he? NANOINDUSTRY. 2018. Vol. 84. No. 5. PP. 339–342. https://doi/org/10.22184/1993-8578.2018.84.5.336.342
Отзывы читателей
