CrysTBox

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
CrysTBox
Logo
VývojářMiloslav Klinger
První vydání9. prosince 2014
Operační systémMicrosoft Windows
Vyvíjeno vMATLAB
Typ softwaruAnalytický, vizualizační
LicenceZdarma pro nekomerční užití
LokalizaceAnglická
Webcrystbox.fzu.cz
Některá data mohou pocházet z datové položky.

CrysTBox (Crystallographic Tool Box) je sada počítačových nástrojů určená pro krystalografickou vizualizaci a analýzu snímků z transmisního elektronového mikroskopu. U vizualizačních nástrojů je kladen důraz na interaktivitu a znázornění vztahů. U analytických nástrojů je využito umělé inteligence a počítačového vidění za účelem automatizace, zrychlení a zpřesnění analýzy.[1] Vzhledem k názornosti a interaktivitě je CrysTBox používán nejen k výzkumu, ale i ke vzdělávání.

CrysTBox je vyvíjen v Laboratoři elektronové mikroskopie na Fyzikálním ústavu Akademie věd České republiky. Pro akademické účely je dostupný zdarma a ke konci roku 2021 byl používán ve více než 80 zemích světa.[2]

Obecné informace[editovat | editovat zdroj]

CrysTBox nabízí dva vizualizační a čtyři analytické nástroje dostupné v rámci jednoho balíku.

Dostupnost[editovat | editovat zdroj]

CrysTBox je na požádání zdarma dostupný pro nekomerční využití nekomerčními subjekty. Komerční využití není možné vzhledem k licenci MATLABu, ve kterém je CrysTBox zkompilován.

Vstupní data[editovat | editovat zdroj]

Základním vstupem společným pro všechny nástroje je zkoumaný materiál definovaný např. pomocí obecně rozšířeného formátu CIF (Cyrstallographic information file). Základní sada několika set materiálů je součástí CrysTBoxu. Další lze získat v databázích jako např. Crystallography Open Database.[3]

Analytické nástroje vyžadují i zadání zpracovávaného snímku (difrakce, snímek s vysokým rozlišením atd.). Podporovány jsou kromě běžných obrázkových formátů jako PNG, JPEG, BMP či TIFF i formáty specializované – DM2 a DM3. Ukázkové snímky jsou opět součástí CrysTBoxu, jsou načteny při spuštění každého analytického nástroje a umožňují seznámení s průběhem analytické procedury.

Propojitelnost[editovat | editovat zdroj]

Nástroje fungují samostatně i zřetězeny do funkčních celků – např. analýza orientace krystalu pomocí diffractGUI a následné zobrazení odpovídajícího uspořádání atomů a simulovaného difrakčního obrazce pomoci cellViewer. Kromě běžného spuštění potřebného nástroje uživatelem dokáže CrysTBox přijímat příkazy pomocí speciálního textového souboru. To umožňuje propojení CrysTBoxu s dalším programovým vybavením. Tímto způsobem je realizováno i propojení s programem DigitalMicrograph 1 a 2.

Vizualizační nástroje[editovat | editovat zdroj]

Vzhledem k důrazu na uživatelskou interaktivitu a provázání různých způsobů zobrazení široce využívaných v krystalografii slouží vizualizační nástroje CrysTBoxu nejen k pochopení experimentálních výsledků, ale i k výuce.

cellViewer[editovat | editovat zdroj]

Nástroj cellViewer přináší interaktivní náhled na zkoumaný materiál ve čtyřech různých zobrazovacích režimech:

  • přímý prostor (znázornění atomární struktury),
  • reciproký prostor (znázornění difrakčního obrazce),
  • stereografická projekce (průmět prostoru krystalografických směrů a rovin do plochy),
  • inverzní pólový obrazec (definovaná část stereografické projekce).

Grafické rozhraní umožňuje uživateli zobrazit vedle sebe vždy dva z výše zmíněných čtyř zobrazovacích režimů, které jsou navzájem funkčně propojené. Otočení krystalickou buňkou v přímém obraze, např. vede (dle nastavení) k zobrazení odpovídajícího obrazce v difrakčním obraze. Když je v difrakčním obrazci označen konkrétní difrakční bod, jsou naopak v přímém obraze vykresleny odpovídající krystalové roviny. Podobná propojení fungují mezi všemi zobrazovacími režimy. Nástroj umožňuje nahlédnout i vztahy mezi jednotlivými zobrazovacími technikami – např. inverzní pólový obrazec (dostupný jako jeden ze zobrazovacích režimů) je možno vizualizovat v přímém obraze i stereografické projekci.

  • Příklady zobrazení hořčíku v jednotlivých zobrazovacích režimech nástroje CrysTBox cellViewer
  • Přímý prostor s vybranými rovinami
    Přímý prostor s vybranými rovinami
  • Difrakční obrazec s vybranými rovinami
    Difrakční obrazec s vybranými rovinami
  • Přímý prostor s inverzním pólovým obrazcem
    Přímý prostor s inverzním pólovým obrazcem
  • Stereografická projekce s inverzním pólovým obrazcem
    Stereografická projekce s inverzním pólovým obrazcem
  • Inverzní pólový obrazec
    Inverzní pólový obrazec

ifaceViewer[editovat | editovat zdroj]

Nástroj ifaceViewer slouží k zobrazení dvou různě natočených vstupních materiálů a jejich společného rozhraní. Může tak sloužit např. k vizualizaci dvojčat či hranic zrn. V uživatelském rozhraní jsou ve třech samostatných náhledech vyobrazeny oba vstupní materiály a jejich společné rozhraní. To může být znázorněno ve čtyřech různých režimech:

  • atomární model srostlých krystalických buněk,
  • drátěný srostlých model buněk,
  • příčný řez rozhraním,
  • znázornění ve větším objemu (do jednotek tisíc atomů).

Všechny tři náhledy jsou svázány jak rotačně (změna orientace obsahu v jednom náhledu se okamžitě promítá i v ostatních náhledech), tak i funkčně – např. výběr krystalografické roviny nebo směru v jednom materiálu vede k zobrazení a indexaci roviny v druhém (misorientovaném) materiálu i v náhledu na společné rozhraní. Dalšími funkcemi jsou např. zvýraznění společné mřížky nebo výpis rovin či směrů, které jsou v obou misorientovaných mřížkách rovnoběžné nebo téměř rovnoběžné. Kromě vizualizace tak ifaceViewer usnadňuje hlubší pochopení vztahů misorientovaných mřížek.

  • Příklady rozhraní dvou mřížek hliníku v misorientaci Σ5 zobrazených v různých režimech nástroje CrysTBox IfaceViewer
  • Atomární model buněk
    Atomární model buněk
  • Drátěný model buněk
    Drátěný model buněk
  • Příčný řez rozhraním
    Příčný řez rozhraním
  • Objemové znázornění
    Objemové znázornění

Analytické nástroje[editovat | editovat zdroj]

Analytické nástroje umožňují automatizovaný výpočet krystalografických veličin na základě snímků z transmisního elektronového mikroskopu. Zpracování snímků lze provést automatizovaně pomocí algoritmů umělé inteligence nebo do něj může uživatel vstoupit a provést vybrané kroky manuálně.

diffractGUI[editovat | editovat zdroj]

Nástroj diffractGUI umožňuje určit orientaci krystalové mřížky, identifikovat jednotlivé difrakční body, vyčíslit mezirovinné úhly nebo mezirovinné vzdálenosti s přesností v řádu pikometrů.[4] Možnými vstupními obrázky jsou např.:

  • bodový difrakční obrazec,
  • snímek s atomárním rozlišením,
  • nanodifrakční snímek,
  • difrakci z konvergentního svazku (CBED).

Automatizované zpracování snímku probíhá v následujících krocích:

  1. Předzpracování dle nastavení a snímku (redukce rozlišení, vyhlazení pro potlačení šumu, Fourierova transformace pro snímky v přímém obraze).
  2. Detekce difrakčních reflexí v různých měřítcích (bodové reflexe typicky pomocí rozdílu gaussiánů, disky pomocí Houghovy transformace).
  3. Výběr 30 nejsilnějších detekcí.
  4. Nalezení pravidelné dvourozměrné mřížky v nejsilnějších detekcích pomocí algoritmu RANSAC.
  5. Určení délek a vzájemných úhlů základních vektorů nalezené dvourozměrné mřížky.
  6. Určení orientace krystalové mřížky a identifikace reflexí na základě teoretických parametrů pro daný materiál.
  • Jednotlivé kroky automatizované procedury nástroje diffractGUI znázorněné na snímku difrakčního obrazce titanu
  • Vstupní snímek
    Vstupní snímek
  • 30 nejsilnějších detekcí difrakčních reflexí
    30 nejsilnějších detekcí difrakčních reflexí
  • Nalezená pravidelná mřížka
    Nalezená pravidelná mřížka
  • Naměření délek a úhlů mezi vektory mřížky
    Naměření délek a úhlů mezi vektory mřížky
  • Identifikované reflexe pro zónu [0 -1 1]
    Identifikované reflexe pro zónu [0 -1 1]

ringGUI[editovat | editovat zdroj]

Nástroj ringGUI slouží ke zpracování kroužkové difrakce získané např. z polykrystalických či práškových vzorků. Ze snímku dokáže určit vzdálenost meziatomových rovin a pomoci tak např. charakterizovat či identifikovat materiál vzorku nebo zkalibrovat mikroskop. Výsledky analýzy umožňuje znázornit řadou způsobů. Automatizované zpracování snímku probíhá v následujících krocích:

  1. detekce beam-stopperu,
  2. zaměření středu difraktogramu,
  3. výpočet difrakčního profilu a křivky jeho pozadí,
  4. identifikace difrakčních kroužků (špiček v naměřeném profilu).

Po provedení výše zmíněných kroků lze výsledky zpracovávat a vizualizovat ve dvou interaktivních, funkčně propojených grafických prvcích, kterými jsou:

  • Interaktivní difrakční snímek – umožňuje v difrakčním snímku mj. odstranit beam-stopper, odečíst pozadí, zvýraznit kroužky či identifikovat odpovídající krystalové roviny.
  • Difrakční profil – radiální průměr intenzit zobrazuje špičky odpovídající naměřeným difrakčním kroužkům spolu s teoretickými hodnotami pro daný materiál a jejich přiřazení k naměřeným hodnotám.

V difrakčním snímku i v profilu může uživatel kliknutím vybrat difrakční kroužek, který se okamžitě zvýrazní v obou grafických prvcích a jsou k němu vypsány podrobnosti. V difrakčním profilu může navíc uživatel vybrat i teoretické krystalografické roviny, po jejichž výběru se v difrakčním obraze zvýrazní odpovídající difrakční kroužek.

  • Příklady dílčích i konečných výsledků analýzy zobrazených pomocí interaktivního difrakčního snímku MgO
  • Vstupní snímek
    Vstupní snímek
  • Detekovaný beam-stopper
    Detekovaný beam-stopper
  • Zaměřený střed difraktogramu
    Zaměřený střed difraktogramu
  • Odstraněné pozadí
    Odstraněné pozadí
  • Odstraněné pozadí a beam-stopper
    Odstraněné pozadí a beam-stopper
  • Odstraněné pozadí a beam-stopper a zvýšený kontrast
    Odstraněné pozadí a beam-stopper a zvýšený kontrast
  • Identifikované difrakční kroužky
    Identifikované difrakční kroužky
  • Porovnání snímku s teoretickou polohou kroužků
    Porovnání snímku s teoretickou polohou kroužků

twoBeamGUI[editovat | editovat zdroj]

Nástroj twoBeamGUI umožňuje odhad tloušťky vzorku z difrakce s konvergentním svazkem (CBED) ve dvousvazkové aproximaci. Tloušťka vzorku je odhadována pomocí intenzitního profilu naměřeného napříč difraktovaným diskem. Automatizovaný odhad tloušťky probíhá v následujících krocích:

  1. stanovení velikosti difrakčních disků pomocí Houghovy transformace v různých měřítcích,
  2. detekce polohy difraktovaného a transmitovaného disku,
  3. vyříznutí a srovnání detekovaných disků a naměření intenzitních profilů,
  4. porovnání naměřeného profilu se sérií profilů nasimulovaných pro daný materiál a tloušťkový rozsah.

Po provedení výše zmíněných kroků je na difraktovaný disk vynesen naměřený profil a profil nasimulovaný pro výslednou tloušťku umožňující vizuální posouzení vzájemné podobnosti. V rámci uživatelského rozhraní je také vykreslena podobnostní funkce v celém tloušťkovém rozsahu, který byl pro analýzu brán k dispozici. Na základě kliknutí do podobnostní funkce je do difraktovaného disku vykreslen profil odpovídající dané tloušťce a uživatel tak může prověřit zda automatizovaný odhad skutečně přináší korektní výsledek.

  • Příklady dílčích i konečných výsledků při automatizovaném odhadu tloušťky titanového vzorku
  • Vstupní snímek
    Vstupní snímek
  • Detekované disky
    Detekované disky
  • Srovnané disky s naměřenými profily
    Srovnané disky s naměřenými profily
  • Porovnání profilu naměřeného a nasimulovaného pro tloušťku 139 nm
    Porovnání profilu naměřeného a nasimulovaného pro tloušťku 139 nm

gpaGUI[editovat | editovat zdroj]

Nástroj gpaGUI poskytuje interaktivní uživatelské rozhraní pro analýzu geometrické fáze (angl. Geometric phase analysis, GPA).[5] Ta umožňuje na základě snímků s vysokým rozlišením mapovat mezirovinné vzdálenosti, krystalové poruchy, deformaci, výchylky poloh atomárních sloupců atd. Metoda je založena na převodu snímků s vysokým rozlišením do frekvenčního spektra pomocí Fourierovy transformace. Tím vzniká frekvenční obraz – jakýsi umělý, výpočetně získaný difraktogram – matematicky se jedná o komplexní matici o rozměrech shodných s původním snímkem v přímém prostoru. Podobně jako skutečný difraktogram zachycuje i frekvenční obraz výkonové špičky v místech odpovídajících krystalovým rovinám zachyceným v přímém obraze.

Frekvenční obraz lze použít k dalším výpočtům. Pokud je v něm např. ponechána pouze informace z oblasti blízké výkonové špičce vybrané krystalové roviny (zbytek informace je odstraněn) zachycuje po zpětné Fourierově transformaci takto vzniklý přímý obraz pouze krystalové roviny odpovídající vybrané špičce – to např. usnadňuje detekci dislokací. Vzhledem ke komplexní povaze frekvenčního obrazu z něj lze vypočítat mj. geometrickou fázi, která společně s vektorem vybrané výkonové špičky (a tedy krystalové roviny) umožňuje výpočet mapy mezirovinné vzdálenosti dané krystalové roviny nebo její složky v ose X a Y. Pokud jsou k dispozici dva vektory intenzitních špiček odpovídajících navzájem nerovnoběžným rovinám, lze s jejich pomocí vygenerovat mapu deformačního tenzoru (složky XX, XY, YX, YY) či vektor výchylky atomárních sloupců (složky X a Y).[6]

Grafické rozhraní nástroje gpaGUI je rozděleno na dvě svislé poloviny, z nichž každá zahrnuje:

  • Náhled na difraktogram umožňující výběr jedné výkonové špičky odpovídající krystalové rovině.
  • Zobrazení jedné veličiny (původního snímku, filtrovaného snímku či některé z výše popsaných map) umožňující bodovou či plošnou analýzu zobrazené veličiny.
  • Výpis detailních informací pro bodovou či plošnou analýzu zobrazené veličiny. Bodová analýza umožňuje na základě kliknutí do obrazu zobrazit hodnoty v místě kliku a jeho těsném okolí (celkem 9 pixelů). Plošná analýza umožňuje vytyčit v obraze polygonální oblast, z níž je vypočtena průměrná hodnota zachycené veličiny, standardní odchylka, minimum, maximum, průměr, medián a celková plocha oblasti.

Rozhraní tedy umožňuje výběr dvou rovin a tím pádem výpočet všech výše popsaných veličin. Při výběru špičky ve frekvenčním obraze je pro správný výsledek důležitá přesnost určení její polohy, která v případě výběru lokalizace myší nemusí být dostatečná. Proto rozhraní nabízí možnost zpracování snímku nástrojem diffractGUI, který lokalizuje špičky přesněji a navíc jednotlivé špičky krystalograficky identifikuje a umožňuje uživateli snadný a přesný, opakovatelný výběr zkoumaných rovin.

  • Ukázka vstupního a filtrovaného snímku hořčíku ve vysokém rozlišení a map vybraných veličin
  • Vstupní snímek
    Vstupní snímek
  • Filtrovaný snímek zachycující (0 1 0)
    Filtrovaný snímek zachycující (0 1 0)
  • Mapa mezirovinné vzdálenosti roviny (0 1 0)
    Mapa mezirovinné vzdálenosti roviny (0 1 0)
  • Mapa komponenty XX deformačního tenzoru
    Mapa komponenty XX deformačního tenzoru
  • Mapa X-ové složky vektoru výchylky atomárních sloupců
    Mapa X-ové složky vektoru výchylky atomárních sloupců

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku CrysTBox na anglické Wikipedii.

  1. ↑ KLINGER, Miloslav. More features, more tools, more CrysTBox. Journal of Applied Crystallography. 2017-08-01, roč. 50, čís. 4, s. 1226–1234. Dostupné online [cit. 2023-02-14]. ISSN 1600-5767. DOI 10.1107/S1600576717006793. 
  2. ↑ CrysTBox - Crystallographic Toolbox [online]. Fyzikální ústav Akademie věd České republiky [cit. 2021-11-16]. Dostupné online. 
  3. ↑ Crystallography Open Database. www.crystallography.net [online]. [cit. 2023-02-14]. Dostupné online. 
  4. ↑ KLINGER, Miloslav; POLÍVKA, Leoš; JÄGER, Aleš; TYUNINA, Marina. Quantitative analysis of structural inhomogeneity in nanomaterials using transmission electron microscopy. Journal of Applied Crystallography. 2016-06-01, roč. 49, čís. 3, s. 762–770. Dostupné online [cit. 2021-11-16]. ISSN 1600-5767. DOI 10.1107/S1600576716003800. 
  5. ↑ HŸTCH, M.J. Geometric phase analysis of high resolution electron microscope images. Scanning Microscopy. 1997, čís. 11, s. 53–66. 
  6. ↑ HŸTCH, M. J.; SNOECK, E.; KILAAS, R. Quantitative measurement of displacement and strain fields from HREM micrographs. Ultramicroscopy. 1998-08-01, roč. 74, čís. 3, s. 131–146. Dostupné online [cit. 2021-11-22]. ISSN 0304-3991. DOI 10.1016/S0304-3991(98)00035-7. (anglicky) 

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=CrysTBox&oldid=23359284“