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 a comprehensive statistical framework that aims at quantifying error, reducing the computational order and enhancing the robustness of DDM analysis. We quantify the error, and propagate an independent noise term to derive a closed-form expression of the expected value and variance of the observed image structure function. Significantly, we propose an unbiased estimator of the mean of the noise in the observed image structure function, which can be determined experimentally and significantly improves the accuracy of applications of DDM. Furthermore, through use of Gaussian Process Regression (GPR), we find that predictive samples of the image structure function require only around 1% 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.


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效果。 DDM在确定动态属性方面大有帮助,包括许多双向相关系统的中间散射功能。尽管它进行了直截了当的分析,但DDDM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。我们提出了一个全面的统计框架,目的是量化错误,减少计算顺序,提高DDDDM分析的稳健性。我们量化错误,并传播一个独立的噪音术语,以得出所观测到的图像结构功能的预期值和差异的封闭式表达。重要的是,我们建议对所观测到的图像结构功能中噪音的平均值进行公正的估计,这可以实验性地确定DDDMD的应用程序的准确性。此外,我们通过使用高压进程回归(GPR),我们发现图像结构功能的预测性样本只需要所观测到的Fourier变异的多度应用程序的1%左右的准确性表示所观察到的图像结构的预期值和差异值值值。 重要,我们通过对DDDDDDDDM的快速的计算法的精确性分析,然后的计算功能会降低成本的计算,同时保持成本的计算值的计算值的计算值,我们作为对数字的计算值的计算性平流值值的计算值的计算值值,同时保持成本值,对数字的精确度的计算法的计算值,对数字的精确度的计算法的计算法的计算值的计算值,对数值是用于的计算值的计算值。

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