时间分辨X射线图像评估程序：软件X 15 (2021) 100705

软件X 15（2021）100705原始软件出版物MIEP -时间分辨X射线图像评估程序Felix Grofmann，Nick Trger，Joachim Grfe德国，斯图加特，Heisenbergstraße 3，70569，马克斯·普朗克智能系统研究所ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2020年收到修订版，2021年2月28日接受，2021年保留字：x射线成像时间分辨显微镜傅里叶滤波倒易空间a b st ra ct先进的成像技术在生物学、医学、化学和物理学等研究领域变得越来越重要，并提供有价值的信息。虽然动态现象的时间分辨观测产生了皮秒时间尺度的有价值的见解，但对这些数据集的评估实际上可能是非常具有挑战性的。所提出的软件包提供了一个接口，该接口能够导入、评估和导出时间分辨测量集，同时还支持其用户具有基本实用程序，例如实验室手册功能。此外，它还提供一套全面的静态和时间分辨成像数据分析技术，同时其模块化软件设计确保易于扩展和面向未来。通过为时间分辨数据集的处理提供快速可靠的解决方案，该程序可以更轻松快速地揭示测量特征。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本2020-08-21用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00029代码海洋计算胶囊法律代码许可证MIT使用git的代码版本控制系统使用的软件代码语言、工具和服务MATLAB编译要求、操作环境依赖性MATLAB 2020a如果可用，链接到开发人员文档/手册https://mathworks.com/help/matlab/问题支持电子邮件graefe@is.mpg.de，fgross@is.mpg.de软件元数据当前软件版本1.0此版本可执行文件的永久链接https://gitlab.gwdg.de/MoKeteam/MIEP/-/tree/Binary/MIEP/for_redistribution法律软件许可证MIT计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求依赖关系MATLAB 2020a运行时间如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://gitlab.gwdg.de/moketeam/miep/-/tree/master/tutorial问题支持电子邮件graefe@is.mpg.de，fgross@is.mpg.de*通讯作者。电子邮件地址：fgross@is.mpg.de（Felix Groovy），graefe@is.mpg.de（Joachim Gräfe）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.1007051. 动机和意义科学和技术的无数进步都是通过复杂的成像技术实现的，这些技术为物理、化学、生物和医学领域的研究人员提供了深入的见解。现代方法如原子力2352-7110/©2021作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxFelix Grofmann、Nick Träger和JoachimGräfe软件X 15（2021）1007052图1.一、软 件 架构示意图。该软件围绕SXM数据对象构建，该对象管理数据导入，评估和存储。这意味着可以实时评估和可视化测量数据，并使用户能够对即将到来的测量扫描的焦点做出明智的决定。另一个用例是在完成同步加速器测量后对测量数据集进行深入评估，以深入了解成像实验中观察到的空间和时间特征。2. 软件描述下面的部分将首先描述面向对象的软件体系结构和它的灵活结构与可能的扩展。之后，基本的软件功能图二、 时间快速傅立叶算法的说明：傅立叶变换在时域中通过每个单独的像素的测量允许获得每个频率分量的幅度和相对相位显微镜[1]能够实现个位数的电子密度分辨率，这允许观察单个原子范围内的电子密度特征。将高分辨率成像技术与高时间分辨率相结合，可以探索与时间相关的现象和动力学。虽然静态成像数据的评估已经证明是具有挑战性的，但时间分辨数据的评估变得更加困难。对于基于同步加速器或自由电子激光器的测量设置，测量时间是稀缺资源，并且应不惜一切代价避免浪费用于数据评估的时间。然而，为了确定即将到来的测量集的参数，初步评估有时是虽然现有的软件包[2]已经为静态图像集和光谱提供了在这项工作中，我们提出了一个用户友好的图像和视频评估接口，它提供了所有常用的评估算法在一个软件包。该软件允许轻松快速的数据可视化，提供全面的评估功能和实验室手册实用程序，并包括时间分辨数据集的多功能导出选项。该软件已经成功地为科学出版物[3一种操作模式是在同步加速器实验旁边运行软件，例如BESSYII X射线光源处的UE46 MAXYMUS光束线。这使得前所未有的及其接口。2.1. 软件构架MAXYMUS图像评估程序（MIEP）的数据结构是用三个独立的代码块来编写的，因此易于扩展其实用程序。三个主要功能（导入、存储和评估数据）中的每一个都独立于其他两个功能。软件架构的示意图如图所示。1 .一、该软件主要围绕扫描X射线显微镜（SXM）数据对象，负责后台运行的所有SXM数据对象的导入实用程序完全在DATA函数中实现。DATA功能可以从硬盘中导入所有常用的扫描透射X射线显微 镜 （ STXM ） 数 据 格 式 ， 如 头 文 件 （ *.hdr ） 、 图 像 文 件（*.xim）、时间分辨图像（*.bbx）和光谱（*.xsp）。根据数据格式的不同，评估（EVAL）评估功能允许不同的实用程序，如计算空间和时间傅立叶变换或频谱。DATA和EVAL函数的实现方式是，它们只导入和评估以前没有导入或评估过的数据。导入或计算数据后，结果存储在对象内的数据数组中，以后可以访问导出功能提供基本的导出实用程序，例如逗号分隔的人类可读文本文件（*.csv）和所有类型数据的图形导出到 *.jpg。对于时间分辨的数据集，MIEP还提供了导出为.mp4视频格式的选项，或者如果机器上安装了POV-Ray引擎，则可以直接在名为POV-Ray的3D光线跟踪程序中渲染电影。Felix Grofmann、Nick Träger和JoachimGräfe软件X 15（2021）1007053图三. 频率滤波器算法的说明：时间FFT提供相对相位和幅度作为计算频率滤波电影的输入。此外，倒易空间可以计算，这提供了有关自旋波的有价值的信息以及计算实空间图像Iij，如等式（1）所示。（1）和图。3.第三章。Iij=Aij·sinij（1）另外，对于包含自旋波的电影，例如图2中显示的电影，自旋波的互易波矢量的幅度和方向通常是感兴趣的。这可以通过计算相位的正弦的空间FFT来实现见图4。时间相关自旋波测量的3D渲染帧：自旋波快照显示在其动态表示的顶部。可以看到短波向图片的左边和右边传播。MIEP可以通过创建可使用POV-Ray执行的脚本，在SXM数据对象之上，MIEP提供了一个干净的图形用户界面（MIEP GUI），它可视化了所有实用程序，使它们易于访问，同时也充当了文件浏览器。构建GUI的对象不仅管理用户输入和输出，还管理保存文件，并附带其他图像分析工具以及选项设置和实验室手册功能。处理的文件存储在一个.miep缓存格式，并从硬盘驱动器读取，如果再次访问，以节省处理时间。同时，文件及其设置在MIEPtable .xls文件中保持跟踪。所有类和函数的嵌入式结构允许轻松地将存储，评估和导出功能扩展到任何其他文件格式或评估技术。2.2. 软件功能对于所有类型的STXM扫描，包括光谱扫描、图像和时间分辨测量，MIEP提供基本实用程序，如导入和查看测量数据或添加注释。它还允许调整其颜色代码。附加功能取决于测量类型。MIEP的主要功能围绕时间分辨测量（即电影）的这种电影的原始数据通常由7到2047个不同的帧组成，如图所示。 二、每一帧显示被测样品在外部激励的不同点处的状态EVAL功能允许对时间分辨数据集采用不同的评估技术 通过沿着每个单独的像素执行时间快速傅里叶变换（FFT）（图11），2）电影可以转换到频域，因此可以用幅度和相对相位表示[3]。此外，MIEP还提供了关于每个频率分量中包含的总功率的信息。通过取相应频率分量的逐像素幅度Aij和相位Δij信息（图）3）。因此，MIEP还提供关于每个时间分辨测量的倒易空间的信息。使用用于电影重建的频率滤波数据允许用户利用MIEP作为渲染程序POV-Ray的接口[14]。它自动创建和输入文件，该文件由软件解释，并允许在3D视频中演示动态磁化。这样的视频的示例快照可以在图1中看到。 四、虽然MIEP提供了X射线吸收光谱（XAS）分析功能，但测量和评估光谱既不是时间分辨STXM的主要焦点，也不是软件的主要焦点。尽管如此，它仍然为静态数据集提供了基本的实用程序，例如并排显示两个光谱以进行比较，或者从两个相反极性的XAS计算X射线磁性圆二色性（XMCD）光谱。此外，MIEP提供了一个工具来计算两个测量图像的XMCD图像，包括图像对齐。3. 说明性实例MIEP用户界面的快照如图所示。五、测量列表允许在一个文件夹中快速切换加载的测量文件。不同的功能，如XMCD工具或数据集的导入和导出都封装在实用程序部分。区域选择器允许在不同扫描区域之间切换。通过改变标签，用户可以在直接STXM图像、电影标签、功率谱和倒易空间之间切换。表示选择器在不同的电影表示（诸如原始电影、频率滤波版本以及静态相位和幅度表示）之间改变。频率选择器在从FFT获得的不同频率之间切换。在数据显示区域下方，用户可以为每次测量记录笔记。4. 影响在同步加速器和自由电子激光器等辐射源上进行的科学实验通常是有限的，因此是一种稀缺资源。预先表征感兴趣的样品减少了进行实验所需的时间，这增加了可用于测量的有效时间。然而，数据评估往往只能进行一次Felix Grofmann、Nick Träger和JoachimGräfe软件X 15（2021）1007054图五. MIEP用户界面的快照。实用程序部分允许用户通过点击几下鼠标来导入和导出数据。测量部分左边显示文件夹中当前可用的文件。主选项卡允许以不同模式（原始，过滤，. . .）及记录有关数据。实验完成，因此，在仍然进行实验的同时改进测量参数可能是具有挑战性的。MIEP专注于直接在实验装置旁边进行实时数据评估。能够将数据集导入到该软件并自动将其处理成真实的空间和时间域电影，将评估数据的工作从仪器用户转移到自动化软件。多重分析方法（例如时间和空间中的傅立叶变换）允许通过增强信噪比来检测原始数据中不可见的潜在感兴趣的测量特征。这些分析功能可以节省时间并专注于更重要的任务，例如决定下一组测量。该软件还提供先进的评估技术，如倒易空间分析或频率滤波。这些评估功能可以在测量本身完成后，例如在以后评估数据时，对测量数据集进行更深入的了解。此外，使用3D射线跟踪程序自动绘制数据集的能力允许前所未有地可视化时间分辨测量数据。我们希望该软件对UE46 MAXYMUS光束线的实验人员非常有用，该软件将分发给感兴趣的研究人员。然而，也使用高级光源（ALS）STXM软件[15]的其他光束线也可以部署该软件，以便为其用户提供相同的优势。此外，该软件在数据格式和评估技术方面很容易扩展。面向对象的软件体系结构允许将相同的评估技术应用于任何类型的数据集，只要实现用于数据文件的适当的导入算法。因此，该软件不仅对时间分辨的STXM用户感兴趣复杂的分析技术是感兴趣的各种不同的时间分辨实验使用类似的测量设置。例如，该软件可以很容易地适应时间分辨的磁光克尔效应测量，常用于研究皮秒范围内的自旋波动力学。虽然目前该软件只处理有限数量的原始数据格式，但其架构确保了其未来的可靠性，不仅适用于STXM数据集，还适用于各种时间分辨测量数据。5. 结论MIEP允许快速可靠的导入和评估时间分辨测量数据。根据原始数据文件的不同，它为用户提供了不同的功能，如可视化和比较XMCD测量或时间分辨傅立叶评估。它结合了傅立叶滤波算法和图像分析技术，可以快速评估时间分辨测量值，为用户提供有关倒易空间、频率响应和空间分辨相位信息的有价值信息。该软件提供了一个用户友好的界面，结合SXM数据对象管理所有用户输入和后台操作。其模块化软件架构确保了对其他文件格式和实验设置的轻松适应性以及对未来评估方法的可扩展性。我们希望该软件包能够将各种时间分辨测量设置的用户体验提升到前所未有的可靠分析、速度和舒适度水平。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢作 者 感 谢 Bernd Ludescher 、 Ul- rike Eigenthaler 、 MichaelBechtel 、 Markus Weigand 、 Umut Sanli 、 Kahrik Keskinbora 、Robert Sauter和Max Birch对测量结果的贡献。感谢HZB的拨款Felix Grofmann、Nick Träger和JoachimGräfe软件X 15（2021）1007055同步辐射光束时间的最大值。我们感谢德国联邦教育和研究部在DynaMAX（项目编号05K18EYA）框架内提供的财政支持。引用[1] 杨伟杰，王伟杰，王伟杰. 原子力显微镜。 物理评论快报1986;56（9）：930http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.930，URLhttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10033323。[2] aXis 2000-X 射 线 图 像 和 光 谱 分 析 2021 年 ， 网 址 http ： //unicorn.mcmaster.ca/aXis2000.html。[2021年2月12日]。[3] Grown F，Träger N，Förster J，Weigand M，Schütz G，Gräfe J.坡莫合金中自旋波偏转角的纳米级检测。应用物理学通讯2019;114（1）：012406。http://dx.doi.org/10.1063/1.5074169网站。[4] Grown F ， Zelent M ， Träger N ， Förster J ， Sanli UT ， Sauter R ， et al.Building blocks for magnon optics：Emission and conversion of short spinwaves.ACSNano2020;14（12）：17184-93。http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07076，URLhttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/33253544。[5] Gräfe J，Weigand M，Waeyenberge BV，Gangwar A，Grown F，LisieckiF，et al. 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