クリスTボックス

クリスTボックス

スクリーンショット
開発者	ミロスラフ・クリンガー
初回リリース	2014年12月9日; 10年前 ( 2014-12-09 )
書かれた	マテリアライズド
オペレーティング·システム	マイクロソフトウィンドウズ
利用可能	英語
タイプ	科学的
ライセンス	非商用利用は無料
Webサイト	翻訳元

CrysTBox ( Crystallographic Tool Box )は、高精度の自動分析とインタラクティブな視覚化により、透過型電子顕微鏡画像に基づく材料研究を加速するように設計されたコンピュータツールスイートです。人工知能とコンピュータビジョンを活用したCrysTBox は、日常的な結晶構造解析を人間の評価者に比べて簡単、迅速、かつ正確にします。高度な自動化とサブピクセル精度^[1]およびインタラクティブな視覚化により、結晶学者以外の人でも定量的な結晶構造解析が可能になり、学際的な研究が可能になります。同時に、経験豊富な材料科学者は、包括的な分析のための高度な機能を利用できます。

CrysTBoxは、チェコ科学アカデミー物理学研究所の電子顕微鏡研究室で開発されています。学術目的では無料で利用できます。2022年現在、このスイートは90か国以上の研究教育施設に導入されており^[2]、ETHチューリッヒ^[3] 、 [ ^4]、マックスプランク研究所[ ^5]、中国科学院^[6]、フラウンホーファー研究所^[7]、オックスフォード大学^[8]の研究をサポートしています。

科学ツールとして、CrysTBoxスイートは学術目的で無料で利用可能であり、コミュニティで広く使用されている ファイル形式をサポートし、他の科学ソフトウェアとの相互接続を提供します。

CrysTBox は、非営利目的の非営利目的であれば、オンデマンドで自由に利用できます。CrysTBox インストーラーをダウンロードする唯一の安全な方法は、公式 Web サイトのリクエスト フォームを使用することです。^{[注 1] CrysTBox のコンパイルに使用されている}MATLABのライセンスにより、商用利用は許可されていません。^[2]

教育以外にも、CrysTBoxは主に研究に使用されており、その応用分野は核研究^[9]から考古学や古生物学^[10]にまで及びます。このスイートは、積層造形（3Dプリントされた生分解性合金^{[7] 、} 金属ガラス^[11]、高エントロピー合金^[12]を含む）、耐性コーティング^{[13] 、} [レーザーショックピーニング] 、^[14]、水質浄化技術^[15]、5000万年前のフリントの特性評価^[10]などの開発に利用されています。

CrysTBox の研究支援を受けた機関には、ETH チューリッヒ^[3] 、カリフォルニア大学^[16] 、ウプサラ大学^{[13] 、} オックスフォード大学^[8] 、ウォータールー大学^[15] 、インド工科大学 [ ^17] 、南洋理工大学^[12]、東京大学^[18]などの教育施設のほか、マックス・プランク研究所^[12] 、中国科学院^{[6] 、} フラウンホーファー研究所^[7]などの研究機関、またはオークリッジ NL [9] 、ローレンス・バークレー NL [ ^4] 、アイダホ NL ^{[9] 、}ローレンス・リバムーア NL ^[14]などの米国国立研究所 (NL) が含まれます。

CrysTBox は、MATLABコンパイラを使用してスタンドアロンインストーラーにコンパイルされます。そのため、1 ～ 2 GBの MATLABライブラリがツールボックスと一緒にインストールされます。

cellViewer で使用される回折シミュレーションは、運動学的回折理論に基づいています。これにより、ユーザーの操作にリアルタイムで応答できますが、複数の電子と物質の相互作用によって引き起こされるいくつかの現象 (たとえば、菊池線) が CrysTBox によって視覚化されるにもかかわらず、動的回折理論でカバーされる二重回折などの高度な回折機能はカバーされません。

解析ツールはスケールのキャリブレーションの不完全さを補正しますが、楕円歪みなどの画像歪みの調整は行いません。高精度の測定が必要な場合や歪みが標準レベルを超える場合は、解析前に 適切なツール^{[19]を適用する必要があります。}

機能関係を視覚化し、実験データをより良く理解できるようにするために、グラフィカル インターフェイスはユーザーの対話性と機能の相互接続性を重視しています。スイートには 2 つの視覚化ツールがあります。1 つは単一の材料を描写し、もう 1 つは 2 つの異なる材料の相互成長に焦点を当てています。

CellViewer を使用すると、材料研究で広く使用されている 4 つのモードでサンプル材料を視覚化できます。

• 原子構造の3Dモデル（直接空間）、
• シミュレートされた回折パターン（逆格子空間）、
• 立体投影（結晶面と方向の3D空間を2Dに投影する）、
• 逆極図（立体投影の定義部分）。

グラフィカル ユーザー インターフェイスは、ユーザーに 2 つの対話型ビューを並べて提供します。これらのビューは、前述の 4 つの視覚化モードを任意に組み合わせて表示し、それらの相互関係を認識できます。たとえば、直接空間での原子構造の回転は (設定されている場合)、シミュレートされた回折パターンの即時更新につながります。任意の回折スポットが選択されると、対応する結晶面が単位セル内に表示されます。このような相互接続は、使用可能な 4 つの視覚化モードの各ペアに対して実装されています。電子視覚化により、逆極点図などの広く使用されているが直感的ではない表現の理解が容易になります。たとえば、逆極点図の色付き三角形を立体投影またはより直感的な 3D 原子構造に描画します。^[1]

• マグネシウムをサンプル材料として可視化モードのさまざまな使用例
• 
  選択した平面の3D原子構造
• 
  選択された反射（平面）による回折パターン
• 
  逆極点図による3D原子構造
• 
  逆極点図法による立体投影
• 
  逆極点図

ifaceViewer を使用すると、2 つの配向のずれた材料と、結晶双晶や粒界などのそれらの界面を視覚化できます。ユーザー インターフェイスには 3 つのビューがあります。2 つの小さいビューはそれぞれ、選択した材料と配向の 1 つの単位セルを示し、1 つの大きいビューは 2 つの構造の適切な界面を示します。インターフェイスは 4 つのモードで視覚化できます。

• 両方のユニットセルの3Dモデル、
• 両方のユニットセルのワイヤーフレームモデル、
• インターフェースの断面、
• バルク表現（数百原子まで）。

ユーザーインターフェースの 3 つのビューはすべて機能的に相互接続されています。ユーザーが 1 つのビューのコンテンツを回転させると、他のビューもそれに従います。1 つのビューで結晶面または方向を選択すると、他のビューにも表示され、対応する結晶インデックスが表示されます。このツールでは、一致するサイト格子を強調表示したり、2 つの配向ずれした材料で平行またはほぼ平行である面と方向のリストを計算したりすることもできます。^[1]

• CrysTBox IfaceViewer の 4 つの表示モードで表示される、Σ5 方向のずれがある 2 つのアルミニウム格子のインターフェース
• 
  両方のユニットセルの3Dモデル
• 
  両方のユニットセルのワイヤモデル
• 
  インターフェース断面
• 
  バルク表現

CrysTBox は、回折パターンと高解像度透過型電子顕微鏡画像の自動処理ツールを提供します。ツールは人工知能とコンピューター ビジョンのアルゴリズムを採用しているため、オペレーターの労力を最小限に抑え、手動評価に比べて高い精度を実現できるように設計されています。4 つの分析ツールを使用して、回折パターンのインデックス作成、格子定数(距離と角度)、サンプルの厚さなどの測定を行うことができます。高度な自動化にもかかわらず、ユーザーはプロセス全体を制御でき、必要に応じて個々の手順を手動で実行できます。

DiffractGUIは、単結晶または限られた数の結晶の回折パターンと高解像度画像の自動分析を可能にします。結晶の方向を決定し、個々の回折スポットをインデックス化し、面間の角度と距離をピコメートル精度で測定することができます。^[20]入力画像には以下が描かれます。

• 選択領域回折パターン、
• 高解像度画像、
• ナノ回折パターンまたは
• 収束電子回折。

入力画像は次の手順で処理されます。

1. 設定と画像の性質に応じた前処理（解像度とノイズ低減、直接空間画像のフーリエ変換など）。
2. 様々なスケールでの回折反射の検出^[21]（スポット検出に通常使用されるガウス分布の差、 CBEDディスク検出^[24]のためのハフ変換^{[22] [23]}）。
3. スケール空間全体にわたって最も強い検出が選択されます。
4. RANSAC ^[25]アルゴリズムを使用して、最も強い検出の集合に正規格子を適合させる。
5. 格子基底ベクトルの長さと角度を測定します。
6. 試料材料の理論的パラメータを用いて結晶格子の向きを決定し、回折反射を識別する。^{[26] [27]}

人間による評価と比較して、diffractGUIは一度に数十または数百の回折スポットを考慮するため、サブピクセルの精度でパターンを特定することができます。^[20]

• 自動化手順の個々のステップをチタンの回折パターン上に図示
• 
  入力画像
• 
  最も強い反射30個を検出
• 
  規則格子
• 
  格子基底と測定パラメータ
• 
  ゾーン軸の反射が特定されました [0 -1 1]

RingGUI を使用すると、多結晶または粉末サンプルのリング回折画像の自動処理が可能になります。これを使用して、回折リングを識別し、面間距離を定量化し、サンプル材料を特徴付けたり識別したりできます。既知の材料を使用すると、顕微鏡のキャリブレーションに役立ちます。入力画像は次のように処理されます。

1. ビームストッパー検出、
2. リング中心の位置特定、
3. 回折プロファイルの定量化とその背景強度の推定、
4. 画像内のリング^{[27]の識別（プロファイルのピーク）。}

結果は、機能的に相互接続された 2 つのインタラクティブなグラフィカル要素でさらに処理および視覚化できます。

• インタラクティブな回折画像 - ビームストッパーを除去したり、背景を減算したり、かすかなリングや斑点のあるリングを明らかにしたり、表示されたリングの結晶学的識別を行うことで、回折画像の読みやすさを向上させることができます。
• 回折プロファイル - 画像強度の円形平均は、リングに対応するピークと、特定のサンプル材料に対して知られている理論値との一致を示します。

回折画像と回折プロファイルの両方を使用して、マウスをクリックして回折リングを選択できます。対応するリングは両方のグラフィック表示で強調表示され、詳細がリストされます。^[1]

• MgOのインタラクティブな回折画像で提示された部分的および最終結果の例
• 
  入力画像
• 
  ビームストッパーを検出しました
• 
  リングの中心が特定される
• 
  背景を削除しました
• 
  ビームストッパーを取り外しました
• 
  背景とビームストッパーが取り除かれ、かすかなリングが現れる
• 
  リングが特定された
• 
  実験リングと理論リングの比較

サンプルの厚さは、2ビーム近似による収束ビーム電子回折パターン（CBED）からtwoBeamGUIを使用して推定することができます。 ^{[26] [28]}この手順は、回折ディスク全体の強度プロファイルを次の手順で自動的に抽出することに基づいています。

1. 回折ディスク半径はマルチスケールハフ変換を用いて決定される。^[24]
2. 透過および回折ディスクは局所化され、反射はインデックス化される、^{[26] [27]}
3. ディスクは水平に整列され、切り取られ、ディスク全体のプロファイルが測定されます。
4. 回折ディスク全体のプロファイルは、与えられた材料、反射、指定された厚さの範囲で自動的にシミュレートされた一連のプロファイル^[26]と一致します。

手順が完了すると、測定されたプロファイルと最も類似したシミュレーションプロファイルが回折ディスクを背景にして表示されます。これにより、ユーザーは自動推定値の正確さを確認し、指定された厚さ範囲内の他の強度プロファイルの類似性を簡単に確認できます。^[1]

• チタンサンプルの自動厚さ推定の個々のステップ
• 
  入力画像
• 
  ディスクが検出されました
• 
  測定されたプロファイルに整列したディスク
• 
  厚さ139 nmの測定プロファイル（青）とシミュレーションプロファイル（緑）の比較

gpaGUIと呼ばれるツールは、幾何学的位相解析のための対話型インターフェースを提供します。高解像度画像を使用して、さまざまな結晶学的量の2Dマップを生成することができます。^{[29] [30]}

幾何学的位相解析は周波数領域で実行されるため、高解像度の画像をフーリエ変換を使用して周波数表現に変換する必要があります。数学的には、周波数画像は元の画像と同じサイズの複雑な 行列です。結晶学的には、元の画像に存在する結晶面に対応する強度ピークを示す元の画像の人工的な回折パターンとして見ることができます。必要な計算を実行した後、逆フーリエ変換を使用して周波数表現を元の空間領域に戻すことができます。

周波数画像を使用して、さまざまな結晶構造解析を行うことができます。特定の回折スポットに近い領域の情報のみが使用されるようにフィルタリングすると（残りはゼロに設定）、逆フーリエ変換によって取得されたフィルタリングされた直接画像は、選択された回折スポットに対応する面のみを描画します。さらに、周波数画像は複雑な性質を持っているため、振幅と位相を計算するために使用できます。画像に描かれた1つの結晶面のベクトルと一緒に、それらを特定の面の面間距離の2Dマップを生成するために使用できます。^[29]平行でない面の2つのベクトルがわかっている場合は、この方法を使用してひずみと変位のマップを生成できます。^[30]

gpaGUI のグラフィカル ユーザー インターフェイスは垂直に 2 つの部分に分かれており、それぞれに次のものが含まれています。

• 回折図形のプレビューにより、結晶面に対応する 1 つの回折スポットを選択できます。
• 選択した量（入力画像、フィルタリングされた画像、または上記のマップのいずれか）を視覚化して、さらに分析するために関心のあるポイントまたは関心のある領域を選択できるようにします。
• 関心のあるポイントまたは領域の詳細分析の結果。ポイント分析では、視覚化されたマップの任意のピクセルを選択して、特定のピクセルとその最も近い近傍の正確な値を表示できます。より広い領域の分析が必要な場合は、マップに多角形領域を囲んで、その統計詳細（平均、標準偏差、中央値、最小値、最大値、および多角形の合計面積）を列挙できます。

インターフェースの各半分では1つの結晶面を指定できるため、gpaGUIでは、2つのベクトルを必要とするものも含め、前述のすべての結晶学的量を計算できます。分析全体の精度と再現性は、回折ピークの位置特定精度に依存します。手動ピーク位置特定（マウスクリック）の不正確さを克服するために、gpaGUIでは、入力画像をdiffractGUIで処理して、ピークを正確に位置特定してインデックス付けする可能性を提供しています。^[1]

• gpaGUI を使用してマグネシウムの高解像度画像から生成された 2D マップの例。
• 
  入力画像
• 
  飛行機のフィルター画像 (0 1 0)
• 
  (0 1 0) d間隔のマップ
• 
  ひずみテンソルのXX成分のマップ
• 
  変位ベクトルのX成分のマップ

ウィキメディア・コモンズには、 CrysTBoxに関連するメディアがあります。

• 公式サイト
• CrysTBox を入手するためのリクエストフォーム 2021-11-21 にWayback Machineでアーカイブされました
• チェコ科学アカデミー
• チェコ科学アカデミー物理学研究所
• 結晶学オープンデータベース
• 無機結晶構造データベース