Ny metode forbedrer nøjagtigheden af ​​billeddannelsessystemer

Ny forskning giver forskere, der ser på enkeltmolekyler eller ind i dybt rum, en mere præcis måde at analysere billeddannelsesdata, der er fanget af mikroskoper, teleskoper og andre enheder.

Den forbedrede metode til at bestemme placeringen af ​​objekter fanget af billeddannelsessystemer er resultatet af ny forskning fra forskere ved University of Chicago. Fundene, udgivet 26. december i Procedurer fra National Academy of Sciences , giver en mekanisme-kendt som en-pixel indvendig påfyldningsfunktion, eller SPIFF - til at opdage og rette systematiske fejl i data- og billedanalyse, der bruges på mange områder inden for videnskab og teknik.

"Enhver, der arbejder med billeddannelsesdata på bittesmå objekter-eller objekter, der fremstår som bittesmå-og som ønsker at bestemme og spore deres positioner i tid og rum, vil drage fordel af metoden til indretning af enkeltpikselfyldningsfunktion, "sagde medforstander Norbert Scherer, en kemi -professor i UChicago.

Forskere på tværs af videnskaberne bruger billeddannelse til at lære om objekter på skalaer lige fra de helt små, såsom nanometer, til det helt store, såsom astrofysiske skalaer. Deres arbejde omfatter ofte sporing af bevægelse af sådanne objekter for at lære om deres adfærd og egenskaber.

Mange billeddannelsessystemer og billedbaserede detektorer består af pixels, såsom med en mega-pixel mobiltelefon. Såkaldt partikelsporing gør det muligt for forskere at bestemme et objekts position ned til en enkelt pixel og endda udforske lokalisering af sub-pixel til bedre end en tiendedel af en pixelnøjagtighed. Med et optisk mikroskops opløsning på omkring 250 nanometer og en effektiv pixelstørrelse på omkring 80 nanometer, partikelsporing giver forskere mulighed for at lokalisere midten eller placeringen af ​​et objekt inden for få nanometer, forudsat at der måles nok fotoner.

Men sådan sub-pixel opløsning afhænger af algoritmer til at estimere placeringen af ​​objekter og deres baner. Brug af sådanne algoritmer resulterer ofte i fejl i præcision og nøjagtighed på grund af faktorer som nærliggende eller overlappende objekter i billedet og baggrundsstøj.

SPIFF kan rette fejlene med lidt ekstra beregningsomkostninger, ifølge Scherer. "Indtil dette arbejde, der var ingen enkle måder at afgøre, om sporing og lokalisering af subpixel var nøjagtig og for at rette fejlen, hvis den ikke var det, " han sagde.

Gælder for mange discipliner

"At analysere et billede for at få et groft skøn over et objekts position er ikke for svært, men at udnytte alle oplysninger i et billede optimalt for at opnå den bedst mulige sporingsinformation kan være virkelig udfordrende, "sagde David Grier, professor i fysik ved New York University, som ikke var involveret i forskningen. "I betragtning af hvor bredt billedbaseret partikelsporing er trængt ind i fysikken, kemi, biologi og mange tekniske discipliner, denne metode bør anvendes meget bredt. "

Sub-pixeldataanalyse kan være forudindtaget af subtile funktioner i billeddannelsesprocessen, ifølge Grier, og disse forspændinger kan forskyde en banes tilsyneladende position med så meget som en halv pixel i forhold til dens sande position. "Til følsomme målinger af sarte fysiske processer, det er en katastrofe, "Sagde Grier.

"Metoden beskrevet i PNAS -papiret, imidlertid, forklarer, hvordan man opdager disse skævheder og hvordan man retter dem, derved med til at bekræfte, at sporingsoplysningerne er pålidelige, " han tilføjede.

Forskningen beskrevet i papiret anvendte SPIFF på eksperimentelle data om faste stoffer (dvs. kolloide kugler) suspenderet i en væske, men forskerne har nu anvendt deres metode på mange andre datasæt, herunder nanoskalaegenskaber i celler (f.eks. vesikler), metalliske nanopartikler og endda enkelte molekyler, Scherer sagde, tilføjer, at SPIFF -metoden kan anvendes på alle sporingsalgoritmer.

"Vi tror på, at SPIFF vil være vigtigt for mange studier inden for biologi og nanovidenskab og, selvom vi ikke har arbejdet med billeder fra teleskoper, SPIFF kan endda hjælpe med at bestemme og rette fejl i stjernesporingsdata, "Sagde Scherer.