Differential dynamic microscopy (DDM) is a form of video image analysis that combines the sensitivity of scattering and the direct visualization benefits of microscopy. DDM is broadly useful in determining dynamical properties including the intermediate scattering function for many spatiotemporally correlated systems. Despite its straightforward analysis, DDM has not been fully adopted as a routine characterization tool, largely due to computational cost and lack of algorithmic robustness. We present statistical analysis that quantifies the noise, reduces the computational order and enhances the robustness of DDM analysis. We propagate the image noise through the Fourier analysis, which allows us to comprehensively study the bias in different estimators of model parameters, and we derive a different way to detect whether the bias is negligible. Furthermore, through use of Gaussian process regression (GPR), we find that predictive samples of the image structure function require only around 0.5%-5% of the Fourier transforms of the observed quantities. This vastly reduces computational cost, while preserving information of the quantities of interest, such as quantiles of the image scattering function, for subsequent analysis. The approach, which we call DDM with uncertainty quantification (DDM-UQ), is validated using both simulations and experiments with respect to accuracy and computational efficiency, as compared with conventional DDM and multiple particle tracking. Overall, we propose that DDM-UQ lays the foundation for important new applications of DDM, as well as to high-throughput characterization. We implement the fast computation tool in a new, publicly available MATLAB software package.


翻译:不同动态显微镜(DDM)是一种视频图像分析的形式,它结合了散射的敏感性和显像性显微镜的直接可视化效益。 DDM在确定动态属性方面大有帮助,包括许多相交系统的中间散射功能。尽管它进行了直截了当的分析,但DDM尚未完全被采纳为常规定性工具,这主要是由于计算成本和缺乏算法的稳健性。我们提供了统计分析,对噪音进行了量化,减少了计算顺序,并加强了DDDM分析的稳健性。我们通过Fourier分析传播图像噪音,使我们能够全面研究不同模型参数估测的偏差,我们从不同的角度来检测偏差。此外,尽管DDDDMDM没有被完全采纳,但通过使用Gaus进程回归(GPR),我们要求将图像结构的预测样本大约0.5%-5%的四倍变换数量进行量化。这极大地降低了计算成本,同时保留了新的利益量信息,例如图像散射功能的夸度,让我们对DDDDMDM数据进行快速的精确性分析,我们用DDDDM的快速的模拟来进行快速的模拟,我们用DMDDM的快速的模拟来进行常规的模拟,我们用DMDMDMDM的快速的模拟来进行新的分析。

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