Background and Objective: The contrast of cryo-EM images vary from one to another, primarily due to the uneven thickness of ice layers. The variation of contrast can affect the quality of 2-D class averaging, 3-D ab-initio modeling, and 3-D heterogeneity analysis. Contrast estimation is currently performed during 3-D iterative refinement. As a result, the estimates are not available for class averaging and ab-initio modeling. However, these methods require good initial estimates of 3-D volumes and 3-D rotations of molecules. This paper aims to solve the contrast estimation problem in the ab-initio stage, without estimating the 3-D volume. Methods: The key observation underlying our analysis is that the 2-D covariance matrix of the raw images is related to the covariance of the underlying clean images, the noise variance, and the contrast variability between images. We show that the contrast variability can be derived from the 2-D covariance matrix and use the existing Covariance Wiener Filtering (CWF) framework to estimate it. We also demonstrate a modification of CWF to estimate the contrast of individual images. Results: Our method improves the contrast estimation by a large margin, compared to the previous CWF method. Its estimation accuracy is often comparable to that of an oracle that knows the ground truth covariance of the clean images. The more accurate contrast estimation also improves the quality of image denoising as demonstrated in both synthetic and experimental datasets. Conclusions: This paper proposes an effective method for contrast estimation directly from noisy images without using any 3-D volume information. It enables contrast correction in the earlier stage of single particle analysis, and may improve the accuracy of downstream processing.


翻译:背景和目标:冷冻-EM图像的对比因冰层厚度不均而异,主要因为冰层厚度不均。对比差会影响平均2D级、3Dab-initio模型模型和3D异异性分析的质量。对比估算目前是在3D迭接改进过程中进行的。因此,对类平均和 ab-initio模型的估算不可用。但这些方法需要3D卷和分子的3D旋转的精确度进行良好的初步估计。本文旨在解决AB-initio阶段的对比估算问题,而没有估计3D级的数值。方法:我们分析的关键观察是原始图像的2D异性矩阵与基本清洁图像的共变异性、噪音差异和图像之间的对比。我们显示对比变异性可以来自2D变异性矩阵,并且使用现有的Wiener 过滤(CWFS) 框架来估算它的准确度。我们还展示了比差的准确性估算,我们用CFFFS的大幅比值来比较先前的图像。

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