Machine learning techniques are attractive options for developing highly-accurate automated analysis tools for nanomaterials characterization, including high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). However, successfully implementing such machine learning tools can be difficult due to the challenges in procuring sufficiently large, high-quality training datasets from experiments. In this work, we introduce Construction Zone, a Python package for rapidly generating complex nanoscale atomic structures, and develop an end-to-end workflow for creating large simulated databases for training neural networks. Construction Zone enables fast, systematic sampling of realistic nanomaterial structures, and can be used as a random structure generator for simulated databases, which is important for generating large, diverse synthetic datasets. Using HRTEM imaging as an example, we train a series of neural networks on various subsets of our simulated databases to segment nanoparticles and holistically study the data curation process to understand how various aspects of the curated simulated data -- including simulation fidelity, the distribution of atomic structures, and the distribution of imaging conditions -- affect model performance across several experimental benchmarks. Using our results, we are able to achieve state-of-the-art segmentation performance on experimental HRTEM images of nanoparticles from several experimental benchmarks and, further, we discuss robust strategies for consistently achieving high performance with machine learning in experimental settings using purely synthetic data.


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机器学习(Machine Learning)是一个研究计算学习方法的国际论坛。该杂志发表文章,报告广泛的学习方法应用于各种学习问题的实质性结果。该杂志的特色论文描述研究的问题和方法,应用研究和研究方法的问题。有关学习问题或方法的论文通过实证研究、理论分析或与心理现象的比较提供了坚实的支持。应用论文展示了如何应用学习方法来解决重要的应用问题。研究方法论文改进了机器学习的研究方法。所有的论文都以其他研究人员可以验证或复制的方式描述了支持证据。论文还详细说明了学习的组成部分,并讨论了关于知识表示和性能任务的假设。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ml/
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