使用开源软件以 3D 方式可视化纳米技术

新的开源项目 tomviz 正在帮助纳米技术的 3D 可视化。

现代计算机是使用纳米技术构建的。一个处理器包含数十亿个晶体管，每个晶体管大约 14 纳米。硬盘驱动器上的单个信息位被限制在 10 纳米域中，在一个以每小时 75 英里速度旋转的盘片上。我们智能手机中的加速度计包含纳米弹簧，用于测量重力以确定方向。

计算是纳米科学，程序员在每一行代码中都使用它。

然而，我们无法直接看到纳米技术。一纳米比你体内的红细胞小 7,000 倍——存在于光波波长太大而无法测量其存在的尺度。为了看到纳米级物体，需要高能电子。 电子显微镜 利用能够分辨材料中每个原子的电子束。

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纳米材料的 3D 成像对于开发各种新技术是必要的，包括清洁能源汽车中使用的氢燃料电池。

纳米材料的 3D 成像对于开发各种新技术是必要的，包括清洁能源汽车中使用的氢燃料电池。

最近，以所有三个维度 (3D) 对纳米级物体进行成像已成为一项重要任务。在计算领域，新型器件（例如 FINFET 晶体管）正在以复杂的 3D 结构制造。提高计算速度和维持摩尔定律需要在所有维度上进行完整的表征。

电子显微镜可以使用称为电子断层扫描的实验技术对纳米技术进行 3D 成像。在概念上类似于医学 CT 扫描（仅在纳米尺度上执行），围绕样本拍摄的一系列投影图像允许对物体进行完整的体积重建。然而，这是一个复杂的过程，在从 3D 重建到可视化的每个步骤都严重依赖软件。对于电子断层扫描，几乎没有软件存在，并且迫切需要一个开源平台。

今年，美国能源部的一笔拨款启动了 tomviz 项目，用于纳米技术的高级断层扫描重建和可视化。在这个用户友好的跨平台应用程序中，可以渲染、动画、切片和分析大型体积数据集。该平台提供了一个强大的图形界面，可以在其中组合使用多个数据集、颜色图和其他可视化设置，并且可以将这些对象保存为图像或动画视频文件。可以通过直方图、多相关统计、多个过滤器和用户自定义的 python 脚本进一步分析收集的数据。实验数据的断层扫描重建在 tomviz 中也是可能的。

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电子断层扫描使用许多投影图像来重建 3D 纳米级物体。

电子断层扫描使用许多投影图像来重建 3D 纳米级物体。

在可视化方面，开源软件的透明度和可重复性对于开放科学非常重要。在发布 3D 科学数据时，最终表示取决于用户选择的过滤器和阈值。即使可以平等地访问数据集，也很难重现科学期刊中出现的 3D 可视化效果。确保断层扫描分析的可重复性需要一个开放的可视化平台，该平台能够保存工作区和数据处理管道。

tomviz 通过在 BSD 许可证下发布来支持开放科学。允许为任何用途（学术、工业或教育）进行广泛分发。

借助 tomviz，每个人都可以访问 3D 重建和可视化。通过使用状态/跟踪文件，该应用程序提供将工作流程管道明确保存到引用所有输入数据的文件的功能。这实现了完全可重复的结果——对于研究人员与同事共享数据或向专家提出查询的领域具有重大意义。这些管道文件可以帮助发布结果并改进开放科学方法。

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tomviz 可以重建和可视化复杂的物体，例如这种超支化纳米颗粒。通过纳米颗粒切取的切片显示为亮橙色，并突出显示颗粒的内核。

tomviz 可以重建和可视化复杂的物体，例如这种超支化纳米颗粒。通过纳米颗粒切取的切片显示为亮橙色，并突出显示颗粒的内核。

在其最终形式中，tomviz 将成为纳米材料 3D 成像的完整工具集——从重建到可视化。该新兴项目利用开源 3D 库（VTK 和 ParaView），为断层扫描数据分析提供了必要的工具。带有 NumPy 接口的 Python 将使研究人员开发的复杂数据处理和重建方法的轻松实现和共享成为可能。为了配合该软件，真实纳米技术的数据集将以知识共享许可协议发布，以展示该平台并鼓励该领域的新发展。

科学家、程序员和好奇者可以下载编译版本的 tomviz。开发人员可以在 GitHub 上访问源代码。

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tomviz v0.2 图形界面的屏幕截图。

tomviz v0.2 图形界面的屏幕截图。

致谢

tomviz 项目由 美国能源部科学办公室 SBIR #DE-SC0011385 资助。还要感谢 VTK 和 Paraview 为我们提供了有用的源代码基础。感谢 Elliot Padgett 提供纳米催化剂数据集；Robinson 小组提供超支化颗粒；FIJI 和 serialEM 提供了出色的显微镜开放科学图像工具。