Optimale Stereobilder erzeugen im Makro- und Mikrobereich

Begonnen von Stuessi, Juni 08, 2018, 10:51:19 VORMITTAG

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Stuessi

Hallo liebe Stereofreunde,

in diesem Beitrag
https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=31658.0
hat Hubert eine ausführliche und überzeugende Gegenüberstellung der beiden Betrachtungsweisen,
parallel oder konvergierend Fotografieren, gemacht.

Es spricht alles für parallele Ausrichtung der Objektivachsen.

Nun frage ich mich, mit welchem Verfahren oder mit welchem Stereomikroskoptyp ich die besten Stereobilder erhalte.

Ich stelle mir vor, dass hier Erfahrungen mit Beispielen zur Diskussion gestellt werden.

Herzliche Grüße
Rolf


Heribert Cypionka

ZitatEs spricht alles für parallele Ausrichtung der Objektivachsen.

Hallo Rolf,
bin ich sehr gespannt auf Stereo-Mikrofotos mit dem 40er oder 100er Objektiv, die durch Verschiebung des Objektträgers gemacht wurden. Die Stereowippe in der Ölimmersion zum Vergleich wird ein Abenteuer! Ich halte mit Stapelbildern jederzeit dagegen ;)

Das gilt aber auch für den Makrobereich. Mein Vorschlag: Ein Streichholzkopf als Modell. Das hat jeder zu Hause.

Herzlichen Gruß
Heribert

Lupus

Hallo,

zum besseren Verständnis der Probleme ist es vielleicht hilfreich, die Methoden für Stereobeobachtung kurz zusammen zu fassen (soweit ich sie kenne). Die angehängten Fotos enthalten 9 Grafiken zur leichteren Erklärung. Grafik 1 zeigt die eigentlich triviale Funktion des Stereosehens ohne Hilfsmittel. Wichtig ist aber zu erkennen, dass im Vergleich dazu fotografische Stereomethoden schwieriger durchzuführen sind. In der Grafik soll angedeutet werden, dass es für das Auge wegen seines sehr kleinen scharfen Bildfeldes, aber der dafür fortwährend durchgeführten Akkommodation und Blickrichtungsänderungen nicht notwendig ist, über das ganze Bildfeld ein scharfes, verzerrungsfreies Bild zu erzeugen. Die in dem zitierten Thread angesprochenen Verzerrungen bei falscher fotografischer Technik stören hier nicht.
Grafik 2 zeigt die normale Anordnung eines Stereomikroskopes, der einzige Unterschied zum Stereosehen ohne Hilfsmittel ist eigentlich die mit der Vergrößerung stark abnehmende Tiefenschärfe.
Grafik 3 der bekannte Aufbau des Abbe-Types, bei dem durch die parallele Bildlage speziell beim Fotografieren ein Vorteil besteht. Wenn man also die allgemein fehlende Schärfentiefe durch Stacking vermeidet, sollte das bereits ein guter Aufbau sein, allerdings ist der Wechsel der Kamera zwischen den beiden Okularen wenig brauchbar.
Grafik 4 zeigt die Methode, mit Hilfe des Anaglyphenverfahrens eine Trennung der Perspektiven mit einem einzigen Objektiv zu erreichen, indem man die Beleuchtung in der Kondensor-Aperturebene mit roten und grünen(bzw. blauen) Filtern richtungsabhängig einfärbt und dadurch auch die Beugungsordnungen farbcodiert sind. Allerdings ist das nur Pseudostereo, denn eine Voraussetzung für echtes Stereo ist, dass sich nur die Perspektive ändert, nicht gleichzeitig die Beleuchtung. Das Gleiche lässt sich auch farbneutral mit Polfiltern durchführen.
Grafik 5 zeigt die ebenfalls bekannte Methode, die numerische Apertur des Objektives - analog zum Abbe-Typ - selektiv durch Blenden zur Änderung der Perspektive zu verwenden. Bei visueller Beobachtung besteht nur das Problem, dass die Blende in der Austrittspupille des Okulares liegen muss und man dadurch einen unschönen Einblick hat. Man könnte durch eine zusätzliche Optik die Blende besser integrieren (gab es früher). Eine m.E. durchaus brauchbare Alternative ist, diese Methode nur für die Fotografie zu verwenden wie in Grafik 6.
Grafik 7 zeigt die Methode, das Objekt in zwei Winkelstellungen zu kippen, hier ist aber das schon diskutierte Problem der Bildverzerrungen und damit schlechter Deckung der Stereobilder sehr ausgeprägt.
Mit der Methode nach Grafik 8 kann man das Problem umgehen, indem man das Objekt zwischen beiden Aufnahmen leicht verschiebt, das genügt um eine ausreichende Stereobasis zu erhalten.
Schließlich bleibt noch wie in Grafik 9 Stacking als Alternative. Genau genommen ist Stacking auch nur Pseudostereo, weil nur eine Beobachtungsposition besteht, allerdings wird bei der Analyse der Bildbereiche, die scharf abgebildet werden, bei höherer NA auch etwas über den "Rand" hinaus gesehen. Jedenfalls habe ich bei PICOLAY den Eindruck, dass dies so ist.

Nachdem m.E. die größte Einschränkung von Stereomikrofotografie die drastisch verringerte Schärfentiefe ist, dürfte heutzutage Stacking auch die optimale Methode sein, vorausgesetzt die Auswertesoftware macht gute Stereobilder  ;)
Eine Verbesserung dürfte dadurch möglich sein, dass man z.B. die Methoden nach Grafik 6 oder 8 mit Stacking kombiniert, dann gäbe es weniger tote Winkel. Wäre mal einen Versuch wert.

Hubert

Stuessi

#3
Lieber Hubert,

danke für die ausführliche Zusammenstellung.

Ich habe mehrere Testbilder mit meinem Wild M7 (3 in der Zusammenstellung) und der in https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=28172.msg210932#msg210932 erwähnten Kameraführung gemacht. Die Blende wurde um 2 Stufen geschlossen, dadurch sinkt die Auflösung, aber die Resultate sind recht gut und schnell gemacht.

Besser werden aber Makroaufnahmen bei Parallelblick mit einem Balgen mit Shift-Möglichkeit -möglichst auf Objektiv und Kameraseite-.
vgl. 2.6 unten, bei http://www.herbig-3d.de/german/variable_stereobasis.htm.
Bei meinem Minolta-Balgen kann nur das Objektiv seitlich verschoben werden. Um das Objekt mittig zu halten muss der ganze Balgen zusätzlich seitlich verschoben werden.

Die folgenden Bilder wurden mit Cosima-Gui erzeugt.

















Vollständige Schärfentiefe (letztes Bild) ist nicht immer ideal. Mir gefällt das Beispiel davor, Schärfentiefe bis zur Schraubenspitze, besser.

Herzliche Grüße
Rolf


edit:

Die letzten 4 Bilder vergrößert:













plaenerdd

#4
Hallo Rolf,
die beiden letzen Bilder kippen bei mir nach innen, so als würde ich auf ein Halbiertes Innengewinde schauen, oder auf den Abguss einer Madenschraube. Bist Du sicher, dass Du die Teilbilder nicht vertauscht hast oder das fertige Farbanaglyphenbild noch einemal gedreht oder gespiegelt hast? Wenn ich die Anaglyphenbrille falsch herum aufsetze (also rot rechts, statt links wie es eigentlich sein soll), sehe ich es richtig.
LG Gerd
Fossilien, Gesteine und Tümpeln mit
Durchlicht: Olympus VANOX mit DIC, Ph, DF und BF; etliche Zeiss-Jena-Geräte,
Auflicht: CZJ "VERTIVAL", Stemi: MBS-10, CZJ SMXX;
Inverses: Willovert mit Ph

Stuessi

#5
Hallo Gerd,

danke für den Hinweis. Schon geändert, nun schaut es auch besser aus!

Herzliche Grüße
Rolf

plaenerdd

Hallo,
es ist wie bei jeder bildlichen Darstellung: Sie ist immer nur ein Modell der Realität, das verschiedene Aspekte dieser mehr oder weniger gut abbildet. Wie auch bei einem Phasenkontrastbild ist es auch bei einem Stereogramm wichtig zu wissen, wie es erzeugt wurde, wenn man es interpretieren will. So ist z.B. die wohl allen PICOLAY-Nutzern bekannte eindrucksvolle Rotation der Kieselalge Actinoptychus aus meiner Sicht recht zweifelhaft, denn sie geht bei dem berechneten Einzelbildern für dieses Video davon aus, das die Schale dieser Diatomee an allen Stellen gleich dick ist, bzw. gar keine Dicke hat. Fotografiert von nur einer Seite, erzeugt das Programm eine sehr schöne Höhenkarte mit deren Hilfe die Einzelbilder für die Rotation berechnet werden, aber auf die Rückseite schauen kann es auch nicht wirklich. Wenn ich das gleiche Spiel mit einem Käfer treibe, wird sicher nur die der Kamera zugewandte Seite (z.B. die Oberseite) einigermaßen sinnvoll abgebildet. Wenn ich diese Seite dann routieren lasse, bekomme ich sicher keine Käferbeine zu sehen, sondern eine hohle Käferoberseite ohne zusätzliche sinnvolle Detrails. Ich finde die 3D-Möglichkeiten von PICOLAY und anderen Stakingprogrammen ein sehr schönes Werkzeug, das man aber, was die Blickwinkeleinstellungen betrifft lieber sparsam einstellen sollte, wenn man nahe an der Realität bleiben will. Die Kenntnis der einzelnen eingestellten Parameter ist auch wichtig. So muss man schon ein wenig messen und rechnen, um z.B. das Verhältnis von Abstand der Tiefeneben zur Bildhöhe einigermaßen richtig eingeben zu können.
LG Gerd
Fossilien, Gesteine und Tümpeln mit
Durchlicht: Olympus VANOX mit DIC, Ph, DF und BF; etliche Zeiss-Jena-Geräte,
Auflicht: CZJ "VERTIVAL", Stemi: MBS-10, CZJ SMXX;
Inverses: Willovert mit Ph

Lupus

Hallo,

noch eine Ergänzung zu meiner obigen Zusammenstellung:
Die ist natürlich nur sehr allgemein gehalten. Jede Methode hat seine Vor- und Nachteile. Z.B. ist für die optimale Verwendung der Verschiebemethode ein großes Bildfeld des Objektives von Vorteil, da nur dann eine große Stereobasis erreicht werden kann. Also optimal für Makroaufnahmen oder entsprechende Objektive im Bereich geringerer Mikroskopvergrößereungen. Wenn ein normales Mikroskopobjektiv verwendet wird, ist der objektseitige Bildwinkel relativ klein, entsprechend klein ist die maximal mögliche Stereobasis, also weniger für "dramatische" Stereoeffekte geeignet.

Umgekehrt ist die perspektivische Verzerrung bei Änderung des Aufnahmewinkels ("Wippe") relativ gering, wenn man im Gegensatz zu meiner Grafik https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=31658.msg234880#msg234880 den kleinen Bildwinkel eines Mikroskopobjektives verwendet und eventuell auch noch eine kleine Stereobasis. Also durchaus verwendbar, aber eben nicht ideal.

Stacking zur Erhöhung der Schärfentiefe dürfte für Stereo-Mikroskopaufnahmen unverzichtbar sein. Die Erzeugung von 3D-Modellen aus diesem Stacking-Bilderstapel ist dann ein ganz anderes Thema, und hier muss man sicherlich aufpassen, um nicht unrealistische Perspektiven oder sogar Bildrotationen zu generieren, die etwas vorgauckeln was nicht vorhanden ist. Und auch hier muss man darauf achten, dass beim Erzeugen zweier normaler Stereobilder nicht konvergente Blickrichtungen verwendet werden, die die gleichen Bildverzerrungen verursachen wie bei Aufnahmen z.B. mit der Wippe.

Hubert


Heribert Cypionka

Jetzt muss ich mich aber doch noch einmal zu Wort melden.

@Hubert:
Vielen Dank für die schönen Schemazeichnungen!

@Rolf:
Welches von den Bildern ist nun das optimale Stereobild?

@Gerd und Hubert: Zur Projektion bzw. Rotation von Actionoptychus
Da klingt so ein negativer Ton durch
Zitataus meiner Sicht recht zweifelhaft
bzw.
ZitatBildverzerrungen verursachen wie bei Aufnahmen z.B. mit der Wippe
Dazu möchte ich anmerken: PICOLAY erstellt aus dem Bilderstapel eine definierte 3D-Matrix und stellt sie mit bekannten mathematischen Verfahren korrekt dar. "Bildverzerrungen wie bei Wippe" gibt es dabei definitiv nicht (solange die Bilddaten bei gleichbleibenden Fokusabständen aufgenommen wurde etc.). Ich habe hier auch schon einmal ein mit einem 3D-Drucker erstelltes Modell der Zelle gezeigt. [Andere Programme (die ich hier nicht nennen will - HF-Nutzer wissen, welches ich meine) erzeugen gern eigen- bzw. Dali-artig gekrümmte Flächen und sich gummiartig verbiegende 3D-Strukturen]

Dass man in bei Actinoptychus  eine 360°-Rotation zeigen kann, liegt daran dass die (einzelne!) Schale sehr kontrastreiche netzartige und glasartig dünne Strukturen aufweist, die sich in den Original-Aufnahmen nicht überdecken. Ich habe etwas gebraucht, den Algorithmus zu finden, der die bei der Seitenansicht entstehenden Überdeckungen korrekt wiedergibt. Und natürlich zeigt uns der Blick 'von hinten' dieselben Pixel, die wir von vorne aufgenommen haben, aber in der entsprechend gedrehten Position. Bei mehrschichtigen transparenten Objekten, kann man mit PICOLAY aus demselben Bilderstapel korrekte 3D-Ansichten der Vorder- und Rückseiten durch das Hologramm-Verfahren erstellen.

Wenn man ein Käferbild in derselben Weise darstellt, spielt unser Gehirn nicht mit, da es weiß, wie ein Insekt von außen aussieht, nicht aber konkav von innen. (Dabei geht es nicht um die Innereien, sondern um die Panzerform.) Einen Fühler durch den Panzer hindurch zu sehen, wird außerdem schwierig und auch im Hologramm-Verfahren unmöglich. Deshalb sind starke Rotationen objektbedingt nur selten sinnvoll.


Mit besten Grüßen
Heribert Cypionka

Stuessi

Zitat von: Heribert Cypionka in Juni 10, 2018, 21:25:27 NACHMITTAGS
@Rolf:
Welches von den Bildern ist nun das optimale Stereobild?

Hallo Heribert,

meine besten Makro-Stereobilder erhalte ich mit der Parallelverschiebung und dem Shift-Balgen.
Leider erhalte ich bei PICCOLAY nach Berechnung des Tiefenbilds bei der Umwandlung in 3D nach langer Wartezeit immer die Meldung
"Für diesen Befehl ist nicht genügend Speicher verfügbar."
Die Einzelbilder haben 24 MPixel.

Gruß
Rolf


Lupus

Hallo Heribert,

meine Bemerkung, dass bei der Auswertung eines durch Stacking gewonnenen korrekten 3D-Modells je nach Art der Perspektivendarstellung für Stereobilder auch eine vergleichbare Verzerrung entstehen kann bezieht sich keinesfalls auf PICOLAY, sondern war allgemein gemeint.

Hubert

Stuessi

#11
Hallo,

nun sind mir doch mit Picolay erste Stereobilder gelungen, nachdem ich die Bilder von 6000x4000 Pixel auf 4500x3000 Pixel verkleinert habe. In dem Programm gibt es sehr viele Stellschrauben, die ich noch nicht richtig bedienen kann.
Hier mein erstes Ergebnis, Parallelblick im Vergleich zu Picolay:












Gruß
Rolf


Lupus

Hallo,

die anfängliche Frage nach der optimalen Stereo-Mikroskopiemethode kann man sicherlich nicht abschließend beantworten, aber vielleicht ist etwas Theorie dazu hilfreich:

Das Hauptproblem bei Stereofotografie im Makro- und Mikrobereich ist eigentlich die Wahl der richtigen Stereobasisbreite. Der Stereoeffekt beruht bekanntlich darauf, dass gleiche Objektpunkte je nach Entfernung vom Beobachter nicht deckungsgleich im Stereobild erscheinen sondern seitlich verschoben sind (Parallaxe). Bei zu großer Tiefenausdehnung wird diese Verschiebung so groß dass die Bildpunkte nicht mehr ausreichend verschmelzen, sie muss also begrenzt oder die Stereobasis verkleinert werden. Es gibt Untersuchungen über die noch akzeptable Verschiebung, sie ist aber vom Objekt (z.B. Kontrast) und vom individuellen Empfinden abhängig. Als Anhaltspunkt kann man etwa 30' (ein halbes Grad) als zulässigen Winkel der beiden verschobenen Bildpunkte beim Beobachten des Stereobildes annehmen.

Als konkretes Beispiel zur Demonstration des Effektes habe ich den "Standardfall" angenommen, ein Beobachter mit 65 mm Augenabstand und 250 mm Objektabstand. In der Objektebene sind mehrere 10x10 mm große, beschriftete quadratische Ebenen angeordnet. Alle mit 0 mm-Beschriftung liegen in der Referenzebene mit 250 mm Abstand, die anderen sind um den angegebenen Betrag nach hinten verschoben (siehe Abbildung 1). Das Bildfeld sollte bei der Betrachtung mit Anaglyphenbrille etwa 40° wie in einem typischen Okular betragen, das wird erreicht wenn der Beobachtungsabstand vom Monitor etwa die 1.4fache Strecke der Breite des schwarzen Rahmens (180 mm Breite) hat, ist aber nicht so kritisch.

Man sollte hoffentlich erkennen, dass die Quadrate mit 5 mm und 10 mm Verschiebung nach hinten sich noch gut als 3D-Objekte beobachten lassen, während das 15 mm und besonders das 20 mm Quadrat nur noch unangenehm in Bezug auf das 0mm-Quadrat zu betrachten ist, also nicht mehr verschmilzt. Wenn man die Parallaxe dieses Szenarios ausrechnet, ergibt sich für 5 mm 18', für 10 mm 34', für 15 mm 51' und für 20 mm 66' Winkelverschiebung. Das bestätigt in etwa die maximale Verwendung der zitierten 30' Verschiebung.

Abbildung 2 zeigt schematisch das Entstehen der Parallaxe bzw. der Verschiebung h zweier zugeordneter Bildpunkte in Abhängigkeit von der Objekttiefe x (Abstand zur Referenzebene). In dem Beispiel sollte also die Verschiebung 2.2 mm nicht überschreiten, die maximale Objekttiefenausdehnung beträgt dann 8.6 mm.

Daran ändert sich nichts, wenn man zur Fotografie ein Stereomikroskop z.B. nach der Grafik 3 des ersten Beitrages verwendet, da diese Mikroskope etwa mit dem gleichen Konvergenzwinkel der optischen Achsen konstruiert sind wie im beschriebenen Beispiel der Abbildung 1. Der einzige Unterschied besteht nur darin, dass das sichtbare Objektfeld sehr klein ist (z.B. 4 mm bei 5x Objektiv und 20 mm Bildfelddurchmesser, dieses Objektfeld wird dann lediglich etwa 45fach linear vergrößert wenn man es auf dem Monitor mit den oben angegebenen 180 mm Breite beobachtet. Aus der Formel in der Grafik kann man ausrechnen, dass die erreichbare Stereo-Abbildungstiefe ebenfalls etwa 8.6 mm beträgt, sie ist nur von Verhältnis Aufnahmebasisbreite-Gegenstandsweite abhängig. Mit einem Stereomikroskop lässt sich folglich nur ein sehr flaches Objekt abbilden. Sehr ausgeprägtes Stacking ist nicht erforderlich bzw. sogar ungünstig, wenn es über die optimale Abbildungstiefe hinaus geht.

Wenn man alternativ nach Grafik 8 das Objekt unter einem normalen Mikroskop verschiebt, erreicht  man maximal eine viel geringere Stereobasisbreite. Z.B. bei einem 10x Mikroskopobjektiv wird bei 20 mm Bildfelddurchmesser nur 2 mm Objektdurchmesser abgebildet. Die Verschiebung muss deutlich geringer sein, da die nicht auf beiden Aufnahmen sichtbaren Bereiche abgeschnitten werden müssen. Ein naheliegender Kompromiss ist eine Verschiebung um das halbe Objektfeld, z.B. 1 mm. Der Objektabstand zum Projektionszentrum des Objektives beträgt hier etwa 20 mm, also ist der Beobachtungswinkel zwischen beiden Aufnahmen sehr gering, etwa 1/5 des ersten Beispiels. Daraus folgt umgekehrt eine 5-fache beobachtbare Stereo-Objektiefe von etwa 45 mm (bezogen auf die 180 mm Bildbreite auf dem Monitor). Dafür muss in diesem Fall ein größerer Aufwand mit Stacking betrieben werden um diese Tiefe auch ausnutzen zu können.

Fazit: Die optimale Stereoaufnahmemethode hängt auch von der Objekttiefe ab.

Hubert

Stuessi

Hallo,

als neues Beispiel der zerzauste Kopf eines Wattestäbchens:

Parallelblick (zwei Stacks mit 50 µm Schrittweite, 5 mm Stereobasis) und Picolay ( Stack mit 50 µm Schrittweite)





Viele Grüße
Rolf

Lupus

Hallo Rolf,

in PICOLAY lässt sich der Stereo-Blickwinkel einstellen. Die beiden Wattebilder weisen da erkennbar einen großen Unterschied auf und sind insofern nicht vergleichbar, man müsste eigentlich beide Winkel angleichen.

Wie wurden eigentlich die Bilder gestackt, durch Verschieben oder Fokussieren? Irgend etwas kommt mir an manchen Bildern mit Parallelblick seltsam vor, die sind partiell "flach".

Hubert