TEM照片处理软件 Digital Micrograph的基础操作

rustum

1 引言

在电子显微学界，“TEM”图像可曾困扰你？
你是否也被“.dm3”文件所折磨？
只需一款软件：Digital Micrograph（DM）便可帮你解决这些科研难题。
众所周知，在透射电子显微镜（TEM）（图1）上，不但能进行基本的形貌和结构表征，而且能实现晶体学分析、成分分析等多种分析手段，精度可以达到原子级，从而得到关于材料结构和成分的全方位信息。因此，对TEM分析软件（DM）的掌握变得至关重要。下面，笔者将结合自己的科研经验对DM软件的基本操作进行详细的介绍。



图1 Digital Micrograph软件

2 软件介绍

Digital Micrograph是一款电子显微镜辅助软件，主要用于透射电镜的数据采集和分析；在材料领域，电子显微镜（电镜）的应用是非常广泛的，它比常规光学显微镜在放大倍数和清晰度上增强了1万倍以上，是现代材料科学必不可少的工具；有了电子显微镜，必须要有相关的软件搭配，Digital Micrograph就是其中之一。
这款由Gatan公司（图2）开发的软件，支持图像采集、图像处理和数据分析，能够对目标物进行更准确的定点定位、化学研究，同时还能对分析报告进行打印，适用于材料、化学、生物医学工程等相关领域的从业者。



图2 Digital Micrograph软件官网

3 软件的基本功能介绍

DM安装成功后，我们打开常见“dm3”文件即可看到图3所示的工作界面，对该工作区域可以进行如下划分：
1. 菜单（DM Menu）：多种操作指令按照其功能分类。
2. 工具（DM Tool)）：这些可移动窗口包括标准工具以及多种与被显示图像有关的信息。
3. 图像（Image）：图像在 DM 软件里被显示的位置。
4. 结果（Results）：这个文字窗口包含 DM 软件在运行中的一些输出信息。比如图像分析和测量的结果。窗口里面的文字可以被拷贝或以文件格式存储。



图3 Digital Micrograph的工作界面

当然，大家也可以根据自己的习惯任意拖动工具栏快捷方式的位置来对其进行调整。
注意：当不小心删除了快捷工具时，可以点击菜单栏中的Window，在下拉菜单中选择Basic Tools，然后点击Show All 即可（图4）。



图4 Digital Micrograph显示快捷工具

3.1 图像的亮度与衬度

图像亮度与衬度的调节是保证图像质量的重要一环，DM可以很容易地对图像的亮度和衬度进行调节。为了更好地说明DM调节亮度和衬度的原理，首先讲解一下计算机屏幕显示的原理。一般来讲，屏幕显示器的灰度为8位（黑白）24位（彩色），而Gatan数码相机最低是12位（最高16位）。一个12位的数字图像含有4096个强度值，屏幕显示器的灰度分辨率为256（8位）。因为图像的强度分辨率大于显示器的灰度级别，所以必须确定怎样使用有限的显示器灰度来显示图像中更高数目的强度。换句话说，可以在图像中任选两个强度值，指定较低的强度为屏幕显示器的黑色（灰度=0），较高的强度为屏幕显示器的白色（灰度=255）。由此可以定义一个图像（4096个强度值）与显示器（256灰度）之间的相互关系。对图像亮度与衬度的调节实际上就是改变上述图像与显示器的相互关系。
如图5，我们可以通过快捷工具栏中的 Display Control 使用亮度和衬度划尺来优化图像的显示。此外，双击”Contrast”或”Brightness”或“Gamma”文字（红框中）可以复原亮度或衬度的初值。



图5 优化图像显示操作

图6为强度直方图“Histogram”窗口，用鼠标选择位于右边的强度峰（点击峰的左端，按下鼠标并拖至峰的右端）。这个操作改变了上面提到的图像与显示器之间的相互关系，从而改变了图像的显示。双击直方图窗口下端的灰度横带（红框中）可以复原直方图的初始显示值。



图6 强度直方图“Histogram”窗口

强度直方图窗口中的曲线称为“衬度变换曲线”（即上面提到的图像与显示器之间的强度对应关系）。在线性模式里，它是一条直线，在“gamma”显示模式中，它变为非线性关系。此外通过选择 Image Display（也可以通过快捷键Ctrl+D），也可以把线性模式变为非线性。
在图像显示的对话窗口中，选择“object”下的“Image Display”，再点击衬度（Contrast），然后在其右面的模式（Mode）选择项中，选取均匀化（Equalized），最后点击OK退出。用划尺调节亮度或衬度，并观察图像的变化，此时强度直方图中的曲线已经不再是直线了（图7）。
再回到原先的线性模式（Image Display，选择Linear mode）。在考察（survey）设定选择中，练习选择cross-wire。用鼠标选择自动考察（AutoSurvey），然后用鼠标点击存储键（Save Defaults），点击OK，观察图像的变化。



图7 改变强度直方图“Histogram”窗口模式

3.2 彩色显示（伪色）

一般来说，电子显微镜图像应该用黑白模式显示。但有的时候有必要用伪彩来特别突出图像中的某些细节，或者增加一些显示的特殊效果。在用伪彩显示时，屏幕显示器的256个灰度（8数位）同一个彩色配置表建立一一对应关系，从而将一幅黑白图像转换成彩色图像。
如图8所示，在“Object”菜单下，选择“Image Display”，再选择“Display”下的“Color”。在彩色配置表（Color Table）下，选择彩虹（Rainbow），点击OK退出。此时图像在伪彩模式下显示。图中的彩色方块矩阵就是上面所说的黑白-彩色配置表，可以用亮度或衬度划尺来改变图像的显示效果。再回到图像显示“Image Display”，选择“Display”下的“Color”，选择温度“Temperature”，点击 OK 退出。注意现在的彩色方块矩阵（黑白-彩色配置表）已经变了。



图8 突出图片细节

3.3 图像注释

图像注释通常包括在图像中加入一些文字说明， 箭头标记，和其他几何图形（例如，长方或圆形等等）。DM软件里有很多这方面的功能可供大家选用。图像注释使用的工具可以在标准工具盘“Standard Tool”上面找到（图9红框）。



图9 图像注释工具

具体功能介绍如下：
（1）文字加入：随意打开一张图像，点击“文字注释”图标（上图中“A”图标），然后点击图像中的任何一点，即可输入所需文字，再点击图像中的任意位置可终止文字输入模式。此外，用鼠标点击刚刚输入的文字，可拖动文字从而改变其在图像中的位置。
（2）改变字形：点击图像中的文字（文字块的四角变为绿色）。然后在物体“Object”菜单下，选择字形“Text Font”即可改变字形。
（3）改变字体大小：同上。在物体“Object”菜单下，选择“Text Size”即可改变字体大小。
（4）改变字体类型：同上。在物体“Object”菜单下，选择“Text Style”即可改变字体。
（5）改变字体背景：同上。在物体“Object”菜单下，选择“Background”即可改变背景。
（6）画线段和箭头：用鼠标点击“线段”（“A”图标右侧）。选择图像中的任何一点，按下并移动鼠标即可任意在图像中画线，释放鼠标，即终止画线模式。在画线时，同时按下键盘上的移动键 “Shift”，可以把直线的方向限制在0，45，和90度。此外，如果同时按下键盘上的“Alt”键 , 可以把直线变成单箭头线。如果同时按下键盘上的控制“Ctrl”键, 直线可以变成双箭头线。
（7）改变线段的类型：首先用鼠标单击图像中的线段。在物体“Object”菜单下，选择“Background”，即可选择不同线段类型。
（8）画矩形或方形：用鼠标点击“方形”图标（图9红框左边）。选择图像中的任何一点，按下并移动鼠标即可在图像中画出任意的矩形，释放鼠标，即终止模式。若在画矩形时同时按下键盘上的移动键 “Shift”，矩形变为正方形。
（9）改变矩形或方形的类型：同上，在物体“Object”菜单下，选择“Background”，即可选择不同图形类型。
此外，画椭圆或者圆形以及改变图形类型操作与上文类似，读者可自行摸索。
3.4 注释物体的规则排列和组合

图像中的各种注释物体（例如文字，或几何图形，例如线段，方形，圆形等等），经常有必要将它们做有规则的排列。在DM软件中可以将这些注释物体按水平中心线，竖直中心线，或中心点排列。如图10所示，选择所有的注释物体（按下鼠标画一个虚设的方形区来包围所有的注释物体；或按下移动键“Shift”, 点击来选择每个注释物体），被选择后的注释物体，端点变为绿色。在物体“Object”菜单下，选择“Align”的类型，即可选择排列方式。



图10 注释物体的排列

如果图像中有很多的注释物体，在规则排列做完后，为了便于保持它们之间的排列关系，可以将这些注释物体合并变成一个综合注释物体。反过来也可以把一个综合注释物体拆成许多原始的注释物体。即在“Object”菜单下，选择“Group”，若要解除组关系，选择“Ungroup”。
3.5 图像裁剪

在 DM 软件中可以非常容易地把图像中的重要部分剪裁出来，并在一个新的图像窗口中显示。如图11所示，对任何一张图像可使用“矩形区域选择工具”（图中红框内虚线框）在图像中选择要裁剪的区域，在预选区域的左上角点击并按下鼠标，移动鼠标至区域的右下角，释放鼠标，选择的区域会被一个虚线矩形框标出。
同时按下键盘上的“Ctrl+C”即可复制选择区域，同时按下“Ctrl+Alt+V”，即可在一个新的图像窗口中显示选择区域。



图11 图像裁剪功能

3.6 图像显示与文件显示

在 DM 软件里，有两种模式可以用来显示图像。第一种模式叫图像模式（Image），第二种叫文件模式（Page）。如图12所示，在“Target”移动窗口中有两个钮扣键，实心键为当前的显示模式。在图像模式中，图像显示窗口与图像尺寸大小一样，而在文件模式中，图像显示窗口则与文件（纸张）的大小一样。在该显示模式中，我们可以清楚地看到图像在纸张上的显示位置和打印尺寸。此外，还可以在文件中添加其它的图像。



图12 图像显示模式

3.7 图像显示的坐标系

数字图像的基本单元叫做像素。图像中每一点和该点上的强度由像素坐标（x,y）以及强度值“Value”来表示。在DM软件中，如果鼠标在被显示的图像内移动时，鼠标所在的像素位置以及该点的强度值可以很容易地在”图像状态” “Image Status”窗口中读出（图13）。



图13 图像显示的坐标系

3.8 图像的标尺系

标尺对于电子显微图像来说至关重要。使用预先储存的电镜放大倍数校正表，DM软件会对从CCD相机采集的每一幅图像进行自动校正。图像被校正后，DM软件自动显示图像的标尺。但是如果被显示的图像没有带标尺，可以按照下面的步骤来显示标尺（图14）。



图14 图像标尺显示

如果电镜的放大倍数没有被预先校正（即不存在放大倍数校正表），DM软件则会对图像进行错误的校正。所以在使用CCD相机采集图像时，一定要先校正电镜的放大倍数。首先选择“ROI Tools”中的虚线工具，在图像中画一条线，随后选择菜单中的“Analysis”，选择“Calibrate”，在弹出来的对话栏中，选择适当的单位，然后选择OK退出。校正完毕，重复图14步骤，即可显示标尺。
3.9 图像的储存格式

DM软件支持多种标准图像储存格式。如果没有做特别设定，图像的默认储存格式为Gatan特殊格式（.dm3）。与其它格式不同之处在于用 Gatan 特殊格式存储的图像只能用DM软件打开。
其他的标准商用软件不能直接阅读Gatan特殊存储格式，所以打不开用Gatan特殊格式存储的图像。这种特殊格式保留了所有同Gatan CCD相机有关的参数，比如图像的曝光时间、处理模式、电镜的放大倍数、样品名称以及操作者名字等。如果需要使用其它的格式来存储图像，比如TIFF或JPEG等，则可能会出现分辨率损失的情况。
以上就是Digital Micrograph的基本操作。认真看完的你，学会了吗？

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