电影帧与运动校正

现代探测器拍的是一段电影 —— 对齐帧、加权剂量、再求和，是一切处理的第一步

这是「软件与数据处理」管线的第一道工序。本页假设你刚拿到显微镜存下来的原始数据，从零讲起：那一堆文件到底是什么、为什么是电影、运动校正在做什么、它的输入输出各是什么。

一帧到底是什么

先把物理图像理清楚。直接电子探测器是一块能逐个电子计数的传感器；曝光时电子穿过样品打在它上面，它以很高的速度连续读出，一次曝光就被切成 $N$ 个时间片，每个时间片是一帧 (frame)——本质上是一张二维像素图，记录这一小段时间里落在每个像素上的电子数。把这 $N$ 帧按时间顺序叠在一起，就是一个帧栈 (frame stack)，也叫一段电影。它通常是一个多页的 .mrc/.tif 文件：一个倾角，一个电影文件。

单独一帧曝光极短、电子极少，因此噪声大得几乎看不出内容——这很正常，它本来就不是用来单独看的。有用的信号要靠把所有帧加起来才显现。问题在于，简单相加之前，得先把帧与帧之间的位移收拾干净。

为什么是电影，不是一张图

把帧栈直接相加，等于假设曝光期间样品纹丝不动——但它没有。两个来源让它动：

• 束致运动 (beam-induced motion)：电子束的能量沉积让冰层和样品发生形变、起跳，尤其在曝光最初的几帧最剧烈。这是样品本身在动。
• 样品台漂移 (stage drift)：机械与热漂移在整段曝光里缓慢平移整个视野。这是承载样品的台子在动。

每一帧本身是个噪声很大的低剂量快照，但帧之间的相对位移是可以测出来的。把这些位移测准、补回去，再相加，得到的图就和”样品没动过”时几乎一样锐利。这就是为什么要存电影：动被留在了帧与帧之间，于是还有机会改回来；若一开始就攒成一张图，动就被永久糊死了。

运动校正在做什么

校正的核心是帧间对齐 (frame alignment)：估计每一帧相对于参考的平移，把它们移回对齐，再求和成一张运动校正后的图（micrograph）。对齐有两种粒度，对应上面两种运动：

• 整帧对齐 (whole-frame alignment)：每一帧只估一个全局平移向量。这能很好地纠正样品台漂移——整个视野一起平移。
• 分块对齐 (patch-based alignment)：把视野切成网格，对每个区块单独估一条随时间变化的轨迹，再插值出一个平滑的局部运动场。这能纠正束致运动——画面不同位置动得并不一样，需要逐区块地补。

实际处理一般两者都用：先整帧对齐压住整体漂移，再分块对齐处理画面内的不均匀形变。常用工具有 MotionCor2、IMOD 的 alignframes、以及 RELION 与 Warp 自带的运动校正。

剂量分帧与剂量加权

把曝光拆成帧还带来第二件事：剂量分帧 (dose fractionation)。总电子剂量被均分到各帧上——第一帧只受了一小份照射，最后一帧则累积了全部剂量。辐射损伤是累积的，所以越晚的帧，样品被破坏得越厉害，而且损伤先吃掉高频（精细结构）。

直觉上为什么是”先吃高频”：精细结构对应原子尺度上密集的密度变化，最脆弱，最先被电离损伤打乱；而大尺度轮廓（低频）要稳健得多，受了不少剂量仍大体保留。所以一帧的高频可不可信，取决于它累积到了多少剂量。

如果不加区分地把所有帧等权相加，晚期帧里已经损坏的高频就会污染最终图像。剂量加权 (dose weighting) 据此对每一帧、每个空间频率施加一个权重：低剂量的早期帧在高频上保留得多，高剂量的晚期帧的高频被压下去——但晚期帧的低频信息仍然有用，照样保留。换句话说，加权是频率相关的，按”这一帧的这个频率还可信吗”来分配权重。

一步步怎么做

把上面合到一条最小流程里（每个倾角各跑一次，倾转序列里有多少个倾角就跑多少次）：

1. 准备输入。 一个倾角的原始帧栈（多页 .mrc/.tif 电影），加上配套的增益参考和该曝光的总剂量（用来算剂量加权）。
2. 应用增益参考。 除掉逐像素的灵敏度差异，把探测器自身的固定花样从图里剔出去。
3. 整帧对齐。 估每一帧的全局平移，压住样品台漂移。
4. 分块对齐。 在网格上估局部运动场，纠正画面内不均匀的束致运动。
5. 剂量加权求和。 按每帧累积的剂量给各帧、各频率加权，再相加成一张图。
6. 得到输出。 一张运动校正、剂量加权后的二维图（micrograph）——这个倾角”假如样品没动过”会拍成的样子。

把整个倾转序列的每个倾角都这么跑一遍，你就得到一摞干净的二维图，正好作为下一步倾转序列对齐的输入。

下面是一个通用命令形状（占位符全部大写，需按你的数据和工具文档替换，这里不写任何具体参数值）：

# 形状示意：一个倾角的电影 -> 一张运动校正、剂量加权的图
motioncor-tool \
  -InMovie   RAW_MOVIE.mrc \
  -Gain      GAIN_REF.mrc \
  -OutImage  MOTIONCORR.mrc \
  -PatchGrid <横块数> <纵块数> \
  -TotalDose <该曝光总剂量> \
  -DoseWeight

具体可执行的命令与参数请以你所用工具（MotionCor2 / IMOD / RELION / Warp）的官方文档为准——不同工具的开关名并不一样。

偶/奇拆分从这里开始

电影帧还顺手给了我们一份”免费”的独立性来源：把帧栈按奇偶（或前后两半）拆成两组，分别求和，就得到同一次曝光的两个独立半图。它们看到的是同一个样品、同一份信号，但噪声实现互相独立。这是后续做无偏分辨率评估、以及很多自监督去噪/重构方法（见 偶/奇拆分）的基础——而这一切的前提，就是当初探测器存的是电影而不是一张图。

它在管线里的位置

运动校正是最前面的一步：

倾转序列（每个倾角一段电影）→ 运动校正 + 剂量加权（每段电影 → 一张清晰加权图）→ 倾转序列对齐 → 断层重构 → 下游分析。

只有先把每一帧的运动收拾干净、把损伤的高频压住，后面的对齐和重构才有锐利、可信的输入。重构出来的体里之所以仍带着 缺失楔形，是采样几何的问题，与这里的帧内运动无关——两者是管线里不同环节的不同毛病。

管线上一步：管线总览 · 下一步：倾转序列对齐。相关：倾转序列 · 偶/奇拆分

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