提高成像系统精度的新方法

新研究为寻找单个分子或深空的科学家提供了一种更准确的分析显微镜，望远镜和其他设备捕获的成像数据的方法。确定成像系统捕获物体位置的改进方法是芝加哥大学科学家的新研究成果。该研究结果于12月26日发表在美国国家科学院院刊上，提供了一种称为单像素内部填充功能(SPIFF)的机制，用于检测和纠正在许多科学和工程领域中使用的数据和图像分析中的系统误差。

“任何想要在时间和空间上确定和跟踪其位置的微小物体上的成像数据的人都将受益于单像素内部填充功能方法，”UChicago化学教授联合首席研究员Norbert Scherer说。跨越科学的研究人员使用成像来学习从非常小的(如纳米)到非常大的物体(如天体物理尺度)上的物体。他们的工作通常包括跟踪此类对象的移动以了解其行为和属性。

许多成像系统和基于图像的检测器由像素构成，例如用百万像素蜂窝电话。所谓的粒子追踪允许研究人员确定物体在单个像素下的位置，甚至可以探索亚像素定位，精度高于十分之一像素。光学显微镜的分辨率约为250纳米，有效像素尺寸约为80纳米，粒子跟踪使研究人员能够将物体的中心或位置定位在几纳米范围内，前提是有足够的光子进行测量。

这种子像素分辨率取决于估计物体位置及其轨迹的算法。由于诸如图像中的附近或重叠物体和背景噪声之类的因素，使用这样的算法经常导致精度和准确度的误差。根据Scherer的说法，SPIFF可以在几乎不增加计算成本的情况下纠正错误。“在这项工作之前，没有简单的方法可以确定跟踪和子像素定位是否准确，如果不是，则纠正错误，”他说。

“分析图像以获得对象位置的粗略估计并不太困难，但是最佳地利用图像中的所有信息来获得最佳的跟踪信息可能非常具有挑战性，”物理学教授David Grier说。在纽约大学，没有参与这项研究。“鉴于基于图像的粒子追踪有多广泛地渗透到物理学，化学，生物学和许多工程学科，这种方法应该被广泛采用。”

根据Grier的说法，亚像素数据分析可能会受到图像形成过程的微妙特征的影响，并且这些偏差可以使轨迹的视在位置相对于其真实位置移动多达半个像素。“对于精细物理过程的敏感测量，这是一场灾难，”格里尔说。“然而，PNAS论文中描述的方法解释了如何检测这些偏差以及如何纠正这些偏差，从而有助于确认跟踪信息是否可靠，”他补充说。

本文所述的研究将SPIFF应用于悬浮在液体中的固体(即胶体球)的实验数据，但研究人员现已将其方法应用于许多其他数据集，包括细胞(如囊泡)的纳米级特征，金属纳米颗粒和Scherer说，甚至单个分子，并补充说SPIFF方法适用于所有跟踪算法。

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