EBSP Indexer - An open-source alternative to commercial EBSD software

Abstract

Elektron tilbakesprednings diffraksjon (EBSD) er blitt en godt etablert metode for å undersøke krystallstrukturer og -orienteringer i krystallografiske materialer, og som resultat har interessen for å presse begrensingene av EBSD økt. Dictionary Indexing (DI) has vist seg å være et verdifult alternativ i tilfeller der Hough Indexing (HI) ikke har mulighet til å gi god nok presisjon. Dette er fordi HI er avhengig av ekstraksjon av Kikuchi bånd i bilder, mens DI benytter seg av dynamisk simulerte EBSD mønstre (EBSPs) som inneholder presise intensitetsfordelinger. Mange kommersielle programvarer tilbyr indiserings metoder basert på DI, men det er en mangel på slike løsninger som er gratis og i form av en tradisjonell skrivebords applikasjon. Derimot finnes det en del åpen-kilde kode løsninger som tilbyr EBSD verktøy for prosessering, indisering og analysering av EBSPs, som vanligvis er tilgjengelige gjennom et applikasjonsprogrammeringsgrensesnitt (API). To slike løsninger er Python bibliotekene kikuchipy og PyEBSDIndex.

EBSP Indexer ble utviklet som en åpen-kilde applikasjon, som benytter seg av et grafisk brukergrensesnitt (GUI) for å forbedre tilgjengelighet av EBSD verktøy fra kikuchipy og PyEBSDIndex. Utvikling av applikasjonen har tatt hensyn til prinsipper innenfor interaksjon design, og sikter på å forbedre brukervennlighet mot studenter og andre nybegynnere innen EBSD. En brukervennlighets test ble gjennomført for å gi en indikasjon på ytelse, kompatibilitet, og brukeropplevelse, som deltagerne ga en gjennomsnitts score på 8.4 av 10. Observasjoner under testen og data fra et egetlaget spørreskjema, ble brukt til å forbedre og videreutvikle funksjonalitet, som resulterte i at versjon 0.1.0 ble gitt ut på nett. Applikasjonen ble pakket sammen og distribuert som installasjonsfil for Windows og som app for macOS, der begge ble gjort tilgjengelige for nedlasting på Zenodo og SourceForge. I tillegg ble det laget og publisert en rekke utviklerresurser for å etablere et åpen-kilde samfunn, som skal kunne gi mulighet til videreutvikling og vedlikehold av kildekoden.

Denne oppgaven bygger på arbeidet som ble gjort i prosjektoppgaven, ved å bidra med følgende: - Tilføyelse av ny programvare funksjonalitet, i tillegg til fornying av eksisterende implementasjoner. - Utførelse av brukervennlighets test av en forhånds-utgivelse av programvaren - Distribuere og publisering av den første offisielle utgivelsen av EBSP Indexer - Utviklingsressurs i form av retningslinjer, opplæring og dokumentasjon - Innlevering av sammendrag og forskningsplakat til Den 20. Internasjonale Mikroskopikongress (IMC20)

Oppdatering v0.1.1 av applikasjonen er allerede under utvikling, og vil inneholde små feilrettinger som ble utsatt eller oppdaget etter første utgivelse. Fremtidig arbeids består av å forbedre stabilitet på Mac, fornye kode design, implementasjon av enhetstesting, og muligheten for Hybrid Indexing, som kombinerer DI og HI for å øke indiserings-hastighet og samtidig beholde høye presisjon.

Electron backscatter diffraction (EBSD) has become a well-established technique for investigating microstructures within crystalline materials, and so the interest in pushing the limitations of EBSD has grown. Dictionary Indexing (DI) has proven to be a valuable alternative when Hough Indexing (HI) fails to yield accurate crystallographic information. This is due to HI relying on image feature extraction, whereas DI takes advantage of dynamically simulated EBSD patterns (EBSPs) that reproduce accurate intensity distributions. Many commercial EBSD software features indexing routines based on DI, but no free alternative in the form of a traditional desktop application exists. There do however exist open-source solutions which offer EBSD tools for processing, indexing and analyzing EBSPs, usually accessible through an Application Programming Interface (API). Two such solutions are the Python libraries kikuchipy and PyEBSDIndex.

EBSP Indexer was developed as an open-source application, which uses a Graphical User Interface (GUI) to increase accessibility to EBSD tools offered by kikuchipy and PyEBSDIndex. The application was developed using principles of interaction design and aims to improve usability for students and material scientists who are new to EBSD. A usability test was conducted to indicate the performance, compatibility and overall user experience of the application, which received an average score of 8.4 out of 10 from participants. Observations made during the test and data from a questionnaire were used to further improve features, which resulted in version 0.1.0 being released online. The application was packaged as an installer for Windows and an app for macOS, which were made available to download through Zenodo and SourceForge. Additional developer resources were made in an attempt to establish an open-source community, which provides the possibility for future development and maintenance of the source code.

This thesis continues the work of the pre-study by contributing the following: - Addition of new software features, and overhauling of existing ones - Carrying out a usability test of a pre-release version of the software - Distributing and publishing the first official release of EBSP Indexer - Developer resources in the form of guidelines, tutorials and documentation - Submission of an abstract and a research poster to The 20th International Microscopy Congress (IMC20)

Patch v0.1.1 of EBSP Indexer is already in development, and aims to fix minor issues which were postponed or discovered after release. Future work consists of improving stability on Mac, overhauling the existing code design, implementing unit tests, and the possibility of Hybrid Indexing, which combines DI and HI to increase indexing speed while retaining high levels of accuracy.