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DigitalMicrograph
软件入门(DM3文件)
陈嵘课题组
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DigitalMicrograph软件入门
在电子显微学界GatanDigitalMicrograph(DM)是一个为人皆知的软件。DM具有采集
图像,图像处理和分析,数据管理和报告打印等多种功能。为了使广大用户能够更好
地熟悉和掌握DM的多种功能,我们特别编辑了这本练****册。由于DM软件的功能五
花八门,丰富多彩,我们不可能对它的每一项功能作详细的介绍。本练****册汇集了一
些代表性很强的练****每一个练****都有详细的步骤说明。希望以此能够将读者带进
门,以便日后自学提高对DM软件的理解和操作使用能力。从而更好地满足用户在数
字电子显微学方面的需求。
数字暗室
同传统的底片技术相比,数字图像最突出的优点在于图像可以很容易地通过计算机软
件进行多种操作与变换。很多同暗室相关的实验步骤都可以通过软件在计算机中很容
易地实现。比如,调节图像的亮度或衬度,选区放大,图像的非均匀亮度调节(遮挡
曝光),图像粘贴,贴字和测量等。上面所举的例子构成了数字暗室的基础。
数字暗室图像技术可以大大地提高工作效率。通过使用计算机软件,很多繁琐,重复
性高和费力的工作步骤可以被大大地简化。这一点仅从获取一张洗印好的图片所需经
过的全过程就可以清楚地说明(底片冲洗,暗室放大,贴字等)。
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DigitalMicrograph工作环境全貌
(DMMenu)菜单:多种操作指令按照其功能分类。
(DMTool)工具;这些可移动窗口包括标准工具以及多种与被显示图像有关的信息。
(Image)图像:图像在DM软件里被显示的位置。
(Results)结果:这个文字窗口包含DM软件在运行中的一些输出信息。比如图像分
析和测量的结果。窗口里面的文字可以被拷贝或以文件格式存储。
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练****一
图像亮度与衬度的调节是保证图像质量的重要一环。DM可以很容易地对图像的亮度
和衬度进行调节。为了更好地说明DM调节亮度和衬度的原理,我们首先讲解一下计
算机屏幕显示的原理。一般来讲,屏幕显示器的灰度为8位(黑白)24位(彩色)。
Gatan数码相机最低是12位(最高16位)。一个12位的数字图像含有4096个强度
值。屏幕显示器的灰度分辨率为256(8位)。因为图像的强度分辨率大于显示器的灰
度级别,所以我们必须首先确定怎样使用有限的显示器灰度来显示图像中更高数目的
强度。换句话说,我们可以在图像中任选两个强度值,指定较低的强度为屏幕显示器
的黑色(灰度=0),较高的强度为屏幕显示器的白色(灰度=255)。由此我们定义
了一个图像(4096个强度值)与显示器(256灰度)之间的相互关系。
图像亮度与衬度的调节实际上就是改变上述图像与显示器的相互关系。
操作步骤:
在计算机桌面的文件夹(GatanSchool)里,打开(单击)图像””.
DigitalMicrograph软件启动并显示图像。
这是一个衬度较低的图像。图像中的铜网像(黑)大大地影响了样品真实图像的显
示。请按照以下的步骤说明来调节图像的亮度和衬度。
-在显示窗口中,使用亮度和衬度划尺来优化图像的显示。
-双击”Contrast”或”Brightness”可以复原亮度或衬度的初值。(请练****并学会使用)。
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-强度直方图”Histogram”窗口(如下),用鼠标选择位于右边的强度峰(点击峰的
左端,按下鼠标并拖至峰的右端)。这个操作改变了上面提到的图像与显示器之间的
相互关系。从而改变了图像的显示。
Å双击此处
-双击直方图窗口下端的灰度横带可以复原直方图的初始显示值。(请练****并学会使
用)。
-使用在显示窗口中的”gamma”划尺也可以改变图像的显示。双击”Gamma”可以复
原其初始值。(请练****并学会使用)。
强度直方图窗口中的曲线称为“衬度变换曲线”(它就是我们上面提到的图像与显示
器之间的强度对应关系)。在线性模式里,它是一条直线。在”gamma”显示模式中,
它变为非线性关系。此外通过选择ImageDisplay…(在Object菜单下),也可以把线性
模式变为非线性。
具体步骤如下:
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在图像显示的对话窗口中(上右图),用鼠标点击衬度(Contrast)。然后在其右面的模式
(Mode)选择项中,选取均匀化(Equalized)。最后点击OK退出。用划尺调节亮度或衬
度,并观察图像的变化。此时强度直方图中的曲线已经不再是直线了。
现在我们再回到原先的线性模式(ImageDisplay…,选择Linearmode).在考察(survey)设
定选择中,练****选择cross-wire。用鼠标选择自动考察(AutoSurvey)。然后用鼠标点击
存储键(SaveDefaults)。点击OK。观察图像的变化。
重复练****sparse,wholeimage,和reduction,观察图像的变化。
下表列出了显示图像变化的原因。
图像:=2595,最小值=-2。
Min(黑)Max(白)
Cross-
Wholeimage-
上面的表格列出了不同的考察(survey)设定选择对图像显示所依据的最大和最小值的影
响。从中不难看出为什麽显示图像会因考察方式而变化。
(伪色)
一般来说,电子显微镜图像应该用黑白模式显示。但有的时候有必要用伪彩来特别突
出图像中的某些细节,或者增加一些显示的特殊效果。在用伪彩显示时,屏幕显示器
的256个灰度(8数位)同一个彩色配置表建立一一对应关系,从而将一幅黑白图像
转换成彩***像。
操作步骤:
在计算机桌面的文件夹(GatanSchool)里,打开(单击)图像”Latheturningsat
”.
在Object菜单下,选择ImageDisplay…
在左面直框内(下图)Display下,选择彩色(Color)。在彩色配置表(ColorTable)下,
选择彩虹(Rainbow),点击OK退出。此时图像在伪彩模式下显示。下图中的彩色方块
矩阵就是上面所说的黑白-彩色配置表。
用亮度或衬度划尺来改变图像的显示效果。
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再回到图像显示(ImageDisplay…).选择彩色(Color)。在彩色配置表(ColorTable)下,选
择温度(Temperature),点击OK退出。注意现在的彩色方块矩阵(黑白-彩色配置表)
已经变了。点击OK退出。复原亮度和衬度值。
自定义’黑白-彩色配置表’
回到图像显示(ImageDisplay…).选择彩色(Color)。在彩色配置表(ColorTable)下,选择
温度(Temperature)或彩虹(Rainbow)。
在彩色方块矩阵中,左上角的彩块代表图像中最低的强度值。强度由左向右递增。右
下角的彩块代表图像中最高的强度值。
用鼠标点击选择整个(或部分)彩色方块矩阵。选择后,出现一个对话窗口(见下
图)。此时你可以选择任意的颜色来代表图像中的最低的强度值,然后任意选择另外
一个颜色来代表最高的强度值。
上面所选的两个颜色在连续彩***表中(见下图)用两个小圆圈来表示。在两个圆圈
之间连一条线。在这条线上的所有颜色就构成了一个’黑白-彩色配置表’.这个自定义配
置表可以很方便地被储存起来(点击Save健)备将来使用。
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图像注释通常包括在图像中加入一些文字说明,箭头标记,和其他几何图形(例如,
长方或圆形等等)。DM软件里有很多这方面的功能可供用户选用。图像注释使用的工
具可以在标准工具盘(StandardTool–通常位于DM软件窗口的左上角)上面找到。
下图显示的是图像注释工具(虚线框内)。
文字加入
在计算机桌面的文件夹(GatanSchool)里,打开任何一张图像。
首先用鼠标点击“文字注释”图标(上图中A图标)。然后点击图像中的任何一点,
此时出现一条竖直短线,键入所需要的文字。再用鼠标点击图像中的一点即可终止文
字输入模式(竖直短线消失)。
用鼠标点击刚刚输入的文字,按下并移动鼠标即可改变文字在图像中的位置。
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改变字形
用鼠标点击选择图像中的文字(文字块的四角变为绿色)。然后在物体(Object)菜
单下,选择字形(TextFont)。
改变字体大小
同上。在物体(Object)菜单下,选择字体大小(TextSize)。
改变字体类型
同上。在物体(Object)菜单下,选择字体类型(TextStyle)。
改变字体背景
同上。在物体(Object)菜单下,选择字体背景(Background)。
画线段和箭头
用鼠标点击“线段”图标(文字图标右侧)。选择图像中的任何一点,按下并移动鼠
标即可任意在图像中画线。释放鼠标,即终止画线模式。
在画线时,同时按下键盘上的移动键“Shift”,可以把直线的方向限制在0,45,和90
度。
在画线时,如果同时按下键盘上的“Alt”键,可以把直线变成单箭头线。如果同时按下
键盘上的控制“Cltr”键,直线变成双箭头线。
试试看:如果同时按下键盘上的”Shift”和“Alt”,或”Shift”和“Cltr”键,会出现什麽结
果?
改变线段的类型
首先用鼠标单击图像中的线段(此时线段的两个端点变为绿色)。在物体(Object)
菜单下,选择背景(Object->Background)。DM软件里一共有四种不同的背景可供选
择。
画矩形或方形
用鼠标点击“方形”图标。选择图像中的任何一点,按下并移动鼠标即可在图像中画
出任意的矩形。释放鼠标,即终止模式。
在画矩形时,如果同时按下键盘上的移动键“Shift”,矩形变为正方形。
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改变矩形或方形的类型
同上,首先用鼠标单击图像中矩形的任何一个边(此时图形的四个端点变为绿色)。
在物体(Object)菜单下,选择背景(Object->Background)。DM软件里一共有四种不
同的背景可供选择。
试试看:选择填充(Filled)或不填充(NotFilled),会出现什麽结果?
画椭圆形或园形
用鼠标点击“园形”图标。选择图像中的任何一点为椭圆或圆的中心,按下并移动鼠
标即可在图像中画出任意的椭圆图形。释放鼠标,即终止模式。
在画椭圆时,如果同时按下键盘上的移动键“Shift”,椭圆变为园形。
改变椭圆的类型
类似直线和方形,先用鼠标点击图像中的椭圆或园形(此时在图形的四周出现四个绿
色端点)。在物体(Object)菜单下,选择背景(Object->Background)。
试试看:选择填充(Filled)或不填充(NotFilled),会出现什麽结果?
图像中的各种注释物体(例如文字,或几何图形,例如线段,方形,园形,等等),
经常有必要将它们做有规则的排列。在DM软件中可以将这些注释物体按水平中心
线,竖直中心线,或中心点排列。
具体步骤如下:
用鼠标选择所有的注释物体(按下鼠标画一个虚设的方形区来包围所有的注释物体,
或按下移动键“Shift”,用鼠标点击来选择每个注释物体)。被选择后的注释物体,端
点变为绿色。
在物体(Object)菜单下,选择排列(Object->Align)的类型。
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如果图像中有很多的注释物体,在规则排列做完后,为了便于保持它们之间的排列关
系,最好将这些注释物体合并变成一个综合注释物体。反过来也可以把一个综合注释
物体拆成许多原始的注释物体。
用鼠标选择所有的注释物体,在物体(Object)菜单下,选择合并(Object->Group)。
如果要拆散的话,则选择拆散(Object->Ungroup)。
在DM软件中可以非常容易地把图像中的重要部分剪裁出来,并在一个新的图像窗口
中显示。
具体步骤如下:
在计算机桌面的文件夹(GatanSchool)里,打开任何一张图像。
使用“矩形区域选择工具”(ROI工具块中的虚线矩形图标,见下图)在图像中选择要
裁剪的区域(在预选区域的左上角点击并按下鼠标。移动鼠标至区域的右下角。释放
鼠标。此时,选择的区域被一个虚线矩形框标出。
同时按下键盘上的“Ctrl”和字母C键。拷贝选择区域。
然后,同时按下键盘上的“Ctrl”,“Alt”和字母V键。在一个新的图像窗口中显示选择
区域。
在DM软件里,有两种模式可以用来显示图像。第一种模式叫图像模式(Image),第
二种叫文件模式(Page)。在目标(Target)移动窗口中(见下图),有两个钮扣键。实心
键显示当前的显示模式。
在图像模式中,图像显示窗口与图像尺寸大小一样。在文件模式中,图像显示窗口则
与文件(纸张)的大小一样。在该显示模式中,我们可以清楚地看到图像在纸张上的显
示位置和打印尺寸。此外,还可以在文件中添加其它的图像。
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练****br/>在计算机桌面的文件夹(GatanSchool)里,打开任何一张图像。
你可以看到图像是在图像显示模式里(打开图像时的显示模式取自于该图像最后一次
被存储时的显示模式)。用鼠标点击文件(Page)钮扣键。(如果找不到目标-Target-移动
窗口,可以按照下面的步骤来找。Windows菜单下,Floatingwindows->Target.)。此
时可以看到图像在文件模式中显示。用鼠标点击图像(Image)钮扣键,回到原先的图
像显示模式。
文件显示模式看起来很象文字处理程序中的预展功能。它可以显示图像在纸张上的位
置和打印尺寸(下一个练****br/>用鼠标点击图像中的任何一点(此时图像的四个顶点变为绿色),保持鼠标按下状态,
移动鼠标可以改变图像在纸张上的位置。如果用鼠标点击四个绿色顶点的其中一个,
保持鼠标按下状态,移动鼠标可以改变图像的大小。
在文件上添加第二张图像
首先确认当前的图像是在文件显示模式中。在该图像中剪裁一张小区域图像(你还记得
怎样做吗?),或使用另一张图像。
点击刚剪裁图像的窗口(或另一张图像)。同时按下键盘上的“Ctrl”和字母C键。拷贝
图像。然后,点击第一张图像的窗口(处于文件显示模式)。同时按下键盘上的“Ctrl”
和字母V键。添加图像任务完成。用鼠标可以随意改变图像的位置。
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此外也可以随意改变图像的显示尺寸,甚至可以随意改变图像的亮度和衬度而不影像
文件中的其它图像。当然也可以规则排列这两张图像,或者把它们合并(Group)等等。
打印高质量的图像与拍摄高质量的图像同等重要。图像可以由DM软件在所连接的打
印机上直接打印。为了保证图像的打印质量,这里有必要介绍一下打印图像时的几个
要素。
数字图像与胶片图像的最大区别在于前者不能无限制地放大。如果数字图像的放大倍
数过大,就会出现所谓的”像素化”现象,即在打印的数字图像中可以看见一个一个的
小方块。这些小方块实际就是数字图像中的像素。为什麽放大胶片图像时不会出现”像
素化”现象呢?原因在于感光胶片中的感光颗粒尺寸大小不一。所以在放大时不会出现
尺寸大小完全一样的像素。
那麽应该怎样避免”像素化”现象的出现呢?一般来讲,如果打印的图像每英寸具有
144或更多的像素,”像素化”现象就会减小到最小程度或者完全消失。这样一来,我
们可以很容易地确定一幅数字图像的最大打印尺寸。例如,一幅1024x1024的数字图
像,其最大打印尺寸大约为1024/144~7英寸(~18cm)。
在图像的文件显示模式中,用鼠标点击图像中的任何一点(图像的四个顶点变为绿
色)。此时图像的打印尺寸在控制移动窗口(Control)内显示(见下图)。字母W和H分
别代表打印图像的宽度和高度。(如果找不到控制-Control-移动窗口,可以按照下面
的步骤来找。Windows菜单下,Floatingwindows->Control)。、
(打印尺寸为7英寸长7英寸宽)
数字图像的基本单元叫做像素。图像中每一点和该点上的强度由像素坐标(x,y)以及强
度值I(x,y)来表示。在DM软件中,如果鼠标在被显示的图像内移动时,鼠标所在的
像素位置(x,y)以及该点的强度值I(x,y)可以很容易地在”图像状态”(ImageStatus)窗口
中读出(见下图)。
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DM软件可以用两种不同的坐标系来显示一幅图像,即校正坐标(Calibrated)和非校正
坐标(Uncalibrated)。在校正坐标系中,坐标的显示单位通常是m,nm或其他的实空
间的单位。在非校正坐标系中,坐标的显示单位则是一对无量纲的整数。坐标系的原
点在图像的左上角。
校正坐标(Calibrated)非校正坐标(Uncalibrated)
”目标”(Target)窗口中的标尺图标(上图)代表校正坐标。用鼠标点击标尺图标后,标尺
变成一条短线。此时图像使用非校正坐标显示。反过来,我们以也可以用鼠标从非校
正坐标变回校正坐标。
标尺对于电子显微图像来说至关重要。使用预先储存的电镜放大倍数校正表,DM软
件对从CCD相机采集的每一幅图像进行自动校正。如果电镜的放大倍数没有被预先
校正(即不存在放大倍数校正表),DM软件则会对图像进行错误的校正。所以在使用
CCD相机采集图像时,一定要先校正电镜的放大倍数。
因为图像已经被校正,所以DM软件可以正确显示图像的标尺。
一般来讲,DM软件自动显示图像的标尺。但是如果被显示的图像没有带标尺,可以
按照下面的步骤来显示标尺。菜单Edit->Databar->AddScaleMarker.
标尺的自动显示:
在使用CCD相机采集图像时,使用下面的设定可以使每一张图像都带有标尺。
菜单File->GlobalInfo…。单击DataBar并选择自动添加图标(AddScaleMarkerAfter
Acquisition)(见下图)。
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对于一张从未被校正过的图像(比如经过图像处理后的图像)来说,使用上面所说的方
法(菜单Edit->Databar->AddScaleMarker.),会产生下面的错误。
我们首先要校准图像。具体步骤如下:
-选择线ROI(虚线)工具。
-选定图像中任何已知两点。
-菜单Analysis->Calibrate….
-在对话栏中,首先选择适当的单位(如µm),然后键入所选两点的间距。选择OK退
出。
(2005年5月)15:.
上面的步骤已经完成了图像的校准。选择菜单Edit->Databar->AddScaleMarker.
在做图像分析时,有时会希望得到图像中强度沿某条指定直线上的分布。下图显示的
是DM软件的标准工具库。用鼠标点击”线分布”图标(正旋曲线)。然后用鼠标点击图
像中的起始点(并保持鼠标的按下状态),移动鼠标到终点并释放鼠标。图中的蓝白线
表示刚刚画过的直线。它的强度分布图在另外一个窗口中显示。
如果用鼠标双击图像中的蓝白线,会出现一个对话窗口(见下图)。该窗口显示起点和
终点的坐标位置,以及线强度的积分宽度(默认值为1)。如果键入一个大于1的积分宽
度值,强度分布图会自动更新。增加积分宽度有利于增加强度分布图的信噪比。
(2005年5月)16:.
DM软件支持多种标准图像储存格式。如果没有做特别设定,图像的默认储存格式为
Gatan特殊格式(.dm3)。与其它格式不同之处在于用Gatan特殊格式存储的图像只
能用DM软件打开。其他的标准商用软件(比如,Photoshop)不能直接阅读Gatan特殊
存储格式。所以打不开用Gatan特殊格式存储的图像。
Gatan特殊存储格式究竟有什麽好处呢?首先这种特殊格式保留了所有同GatanCCD
相机有关的参数。比如,图像的曝光时间,处理模式,电镜的放大倍数,样品名称,
以及操作者名字等等。此外,DM软件许多特有功能的相关参数(例如,图像在纸张上
的显示位置)也在Gatan特殊存储格式存储。
如果用户需要使用其它的格式来存储图像时,比如,TIFF或JPEG,需要特别加以注
意。下面是常会出现的错误。
使用早期的GMS软件版本()时,使用”SaveAs…(TIFF)”。结果导致图
像分辨率的损失.
为什麽使用”SaveAs…(TIFF)”会损失图像分辨率呢?
在使用这种存储格式时,DM软件仅以屏幕显示器的分辨率对所显示的图像进行存储
(TIFF)。一般屏幕显示器的分辨率设置在1024x768或1280x1024。这样如果图像的
分辨率(像素)是1024x1024,那麽就会出现分辨率损失。
练****br/>在计算机桌面的文件夹(GatanSchool)里,打开图像“”。
这张图像的分辨率(像素)1024x1024可以在图像状态”(ImageStatus)窗口中读出。
在文件(File)菜单下选择SaveAs…。然后在存储格式的选择中选TIFF格式。键入文
件名字”TiNbOxSaveAsTiff”并将该文件存入计算机桌面的文件夹GatanSchool里。关
掉图像”TiNbOxSaveAsTiff”。
重新打开图像”TiNbOxSaveAsTiff”,此时注意到图像的分辨率已经减为512x512或更
小。
从这个练****可以清楚地看到,要想保留原始的图像分辨率,千万不能使用“SaveAs…
(TIFF)”。
正确的方法是使用“Export…(TIFF)”。
使用这种方法(见下图)可以把原来的图像以标准的8位TIFF格式存储并保留原图像的
分辨率。
(2005年5月)17:.
这个方法也适用于其他的存储格式。具体步骤是,在文件(File)菜单下选择Export
Image。然后选择所需要的存储格式。
重新打开图像“”。练****上面介绍的图像Export方法并确认在转换图像存
储格式时,没有分辨率损失。
值得指出的是,使用目前的GMS版本(),应当使用下面的方法来存储图像
(TIFF,JPEG,BMP)。
-选择File->SaveDisplayAs…。
-选择图像存储格式。
-在对话栏中,选择(1)”ActualResolution”;(2)SaveAsGreyScale.
(2005年5月)18:.
如果选择“ScreenResolution”,图像的分辨率与计算机显示频幕的分辨率相同。这样
就会造成图像分辨率的损失(如前节所述)。
(2005年5月)19:.
常用的键盘指令和操作小结
*打开图像显示对话窗口
同时按下键盘上的“Ctrl”和字母D键。
*拷贝(选择区域)到一个新的图像窗口
同时按下键盘上的“Ctrl”和字母C键。然后同时按下键盘上的“Ctrl”,”Alt”和字母V
键。
*在文件模式下移动图像
用鼠标点击图像(并保持按下状态),移动鼠标。
*正方形区域选择
选用区域选择工具(ROI工具盘中的虚正方形)。点击图像中任何一点(作为区域选择的左上角),按
下键盘上的"Shift”键,同时按下并移动鼠标。
*2的次方区域选择
选用区域选择工具(ROI工具盘中的虚正方形)。点击图像中任何一点(作为区域选择的左上角),按
下键盘上的"Alt”键,同时按下并移动鼠标。
*画0,45,和90度直线
在画直线时,按下键盘上的"Shift”键。
*画园形图案
在画椭圆时,按下键盘上的"Shift”键。
*画正方形图案
在画矩形时,按下键盘上的"Shift”键。
*画带箭头的直线
单向箭头:在画直线时,按下键盘上的"Alt”键。
双向箭头:在画直线时,按下键盘上的"Ctrl”键。
*改变线强度分布的积分宽度
用鼠标双击图像中的蓝白线。在对话窗口中,键入新的积分宽度值,
*强制图像关闭(不存储数据变化)
在点击文件关闭图标(文件右上角的X)的同时,按下键盘上的"Alt”键。
(2005年5月)20:.
练****二
图像处理与分析
电子显微图像的处理和分析是电镜工作的一个重要组成部分。图像处理和分析的益处
如下。
改善图像质量
修正图像中的缺陷
从图像中获取某些特定的信息
图像的定量分析
图像的定量比较
本节练****包括下面的练****内容。
图像的背底消除
刀痕消除
快速付里叶变换(FFT)–增强图像的周期信息
图像锐化
DM软件汇编语言
DM软件的功能之一是它有一套完整的自身汇编语言(Scripting)。DM软件的汇编语言
看起来很像计算机程序设计中的C或C++语言。
DM软件的汇编语