基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法及系统

技术特征：
1.一种基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：s1初始相位数据生成：高频脉冲电子束通过光栅和磁透镜打到用于训练的不同样品上分别形成电镜衍射图，得到用于训练的电镜衍射图像集，计算电镜衍射图像集中每张电镜衍射图成像迭代次数最小的初始相位，建立电镜衍射图-初始相位的映射；s2增强自编码网络训练和初始相位测试：通过所述电镜衍射图-初始相位的映射训练增强自编码网络的内参及隐码，训练完成后在测试阶段通过码本检索建立隐码-最优初始相位的映射；s3低剂量衍射成像：将高频脉冲电子束通过光栅和磁透镜打到样品上得到样品的电镜衍射图，通过所述增强自编码网络得到隐码，并根据隐码-最优初始相位的映射预测初始相位；s4算法加速：通过cuda gpu并行计算提升电镜衍射图与电荷反转复合迭代的算法速度，得到晶体结构成像。2.根据权利要求1所述的基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法，其特征在于：步骤s1中计算电镜衍射图成像迭代次数最小的初始相位时，使用等间距采样选取初始相位，记录不同初始相位条件下采用电荷反转复合迭代算法正确成像的迭代次数，计算每张电镜衍射图迭代次数最小的最优初始相位。3.根据权利要求2所述的基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法，其特征在于：步骤s1计算每张电镜衍射图迭代次数最小的最优初始相位采用贪心算法实现，具体步骤包括：
①
取n
ij
中的最小迭代次数n1和次小迭代次数n2，其中，n
ij
为对应初始相位p
ij
正确成像的迭代次数，n1为对应初始相位p1的最小迭代次数，n2为对应初始相位p2的次小迭代次数；
②
令p3=(p1 p2)/2，输入电荷反转复合迭代成像算法，得到迭代次数n3；
③
如果满足条件n3>n
1 并且 n3>n2，则进入步骤
④
；如果不满足，则令p2=p1，p1=p3，并重复步骤
②
；
④
得到最优初始相位p
prev
=p1。4.根据权利要求2所述的基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法，其特征在于：步骤s2中训练增强自编码网络的内参及隐码的具体步骤包括：将随机噪声g至输入电镜衍射图x∈r
w
×
h
，并保持重建目标不变：（1）式中，编码器φ和解码器ψ都是神经网络，x’、z
’ꢀ
表示由编码器生成的衍射图和对应掩码，参数都在损失函数l(i)最小化下训练，i表示输入电镜衍射图像集的索引：（2）式中，i表示电镜衍射图像id，x
i
表示第i张衍射图，g(x
i
) 表示x
i
的随机噪声函数。5.根据权利要求1所述的基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法，其特征在于：步骤s2中码本检索通过余弦相似性和k近邻搜索得到最优初始相位。
6.根据权利要求4所述的基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法，其特征在于：步骤s2中码本检索的具体步骤为：首先将电镜衍射图做二次裁剪和大小调整以匹配编码器的输入大小，通过编码器得到测试图像隐码，计算隐码与训练集隐码间的余弦相似性，测试衍射图的隐码z
test
∈r
128 ，通过k近邻搜索加速；（3）式中，cos
i
表示训练集中第i张衍射图与测试衍射图的余弦相似度，z
i
表示第i张衍射图的隐码；余弦相似度最高的隐码z
prev
将通过映射f返回的最优初始相位p
prev
作为网络预测的初始相位：（4）式中，p
test
为网络预测的初始相位，f()为映射，mincos(z
test
)为余弦相似度最小的隐码，p
prev
为最优初始相位。7.根据权利要求1所述的基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法，其特征在于：步骤s4中的具体步骤包括：采用cuda技术改进原有代码，通过cuda指令完成迭代算法中的傅里叶变换、正空间符号翻转和倒空间振幅约束。8.一种基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建系统，其特征在于：所述系统包括电子束输出模块、初始相位数据生成模块、增强自编码网络和算法加速模块；所述电子束输出模块包括电子枪、光栅、磁透镜，电子枪输出高频脉冲电子束通过光栅和磁透镜打到样品上得到样品的电镜衍射图；所述初始相位数据生成：用于计算电镜衍射图成像迭代次数最小的初始相位，建立电镜衍射图-初始相位的映射；所述增强自编码网络：通过所述电镜衍射图-初始相位的映射训练增强自编码网络的内参及隐码，训练完成后在测试阶段通过码本检索建立隐码-最优初始相位的映射；所述算法加速模块：用于通过cuda gpu并行计算提升电镜衍射图与电荷反转复合迭代的算法速度，得到晶体结构成像。9.根据权利要求8所述的一种基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建系统，其特征在于：所述增强自编码网络采用余弦相似性和k近邻算法进行码本检索。10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种基于增强自编码的电子衍射晶体结构加速重建方法和系统，所述方法包括S1初始相位数据生成，S2增强自编码网络训练和初始相位测试，S3低剂量衍射成像，S4算法加速。本发明针对低剂量衍射成像中电子衍射晶体结构重建速度提升的需求，通过传统Fienup杂化输入输出的电荷反转复合迭代成像算法引入增强自编码器训练电镜衍射图到最优初始相位的映射，结合余弦相似性和K近邻算法预测新衍射图的初始相位，并采用CUDA GPU并行计算改进原始代码，实现晶体结构重建速度的显著提升。本发明具有自监督学习、去噪效果好和易于增量训练的优点，能有效预测最佳初始相位，显著提升电子衍射晶体结构重建的速度。电子衍射晶体结构重建的速度。电子衍射晶体结构重建的速度。


技术研发人员：袁景凌 俞洋 麦立强 朱登基
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.03.02
技术公布日：2022/4/12