Einleitung
Einführung in  
 Kompaktkameras
Technische Grundlagen
Vorteile der 
 Digitalfotografie
Schwarz-Weiss- 
 Digitalfotografie
Praktischer Einsatz  
 von Kompaktkameras
Erprobte Modelle
Bewertung von 
 Kompaktkameras
Einführung in  
 Spiegelreflexkameras
Vor- u. Nachteile v. 
 Spiegelreflexkameras
Adaptation von  
 Spiegelreflexkameras
Erprobung von  
 Spiegelreflexkameras
Bewertung von  
 Spiegelreflexkameras
Verwendung von  
 Elektronenblitzgeräten
Empfehlungen zur  
 Auswahl einer Kamera
Einführung in 
 Stacking-Software
Optische Steigerung 
 der Tiefenschärfe
Funktionsweise von 
 Stacking-Software
Erprobte Programme
Ergebnisse der  
 Software-Tests
Bewertung der  
 Stacking-Software
Einführung in  
 Astro-Filter
Getestete Astro-Filter
Ergebnisse  
 der Filtertests
Bewertung  
 der Astro-Filter
Einführung in  
 Ringartefakte
Beschreibung der 
 Ringartefakte
Physikalische Aspekte  
 von Ringartefakten
Schlussfolgerungen  
 über Ringartefakte
Großflächige Objekte
Literatur,  
 Quellennachweis
Eigene Publikationen 
 zur Mikroskopie
Links
Impressum, Kontakt
Erprobte Programme

Übersicht:

Im einzelnen wird auf die folgenden Programme eingegangen: Combine Z 5, Helicon Focus, Picolay, AutoMontage, Registax, Astrostack.

Hervorragende Resultate lassen sich nach eigener Erfahrung mit der Freeware Combine Z 5 erreichen (Hedley, 2006). Daher soll in diesem Beitrag auf die Handhabung dieses Programms und die erzielbaren Bildergebnisse ausführlich eingegangen werden. Vergleichbare Ergebnisse lassen sich auch mit der Freeware Picolay realisieren (Cyprionka, 2007).

Eine alternativ einsetzbare kostenpflichtige Software, die sich mit deutscher Benutzeroberfläche intuitiv bedienen lässt und nach eigener Testung zu entsprechend brauchbaren Ergebnissen führt, stellt das Programm “Helicon Focus” dar (Preis je nach Version: ca. 120 – 250 US-Dollar). Von diesem Programm kann eine 30 Tage-Demo-Version als Shareware mit vollem Funktionsumfang zur Evaluierung aus dem Internet geladen werden (Danylo, 2006). Die Handhabung dieser Software entspricht weitgehend derjenigen von Combine Z 5. Unter praktischem Aspekt ist zu erwähnen, dass Helicon Focus bei allen verwendbaren Bildauflösungen / Megapixelwerten in relativ kurzen Verarbeitungszeiten den Fortschritt der Bildüberlagerungen bis zum Endresultat direkt “live” zeigt, während Combine Z 5 bei Auflösungen oberhalb von etwa 3 Megapixeln auf eine direkte Visualisierung aller Bilder verzichtet und den Fortgang der Bearbeitung nur textlich anzeigt, damit die Ressourcen des Rechners nicht überfordert werden.

Nach den Erfahrungen eines anderen Autors (Hart, 2003) lassen sich sehr gute Resultate auch mit der kommerziellen Software AutoMontage erreichen (Synoptics Group, 2006). Dieses Programm bietet einen erweiterten Funktionsumfang, ist allerdings sehr kostspielig (Preis nach Fremdangaben: etwa 1000 US-Dollar).

Aus dem Bereich der Astro-Programme steht als Freeware das Programm “Registax” zur Verfügung (Berrevoets, 2006). Dieses Programm bietet neben einer automatisierten Überlagerung serieller Einzelbilder sehr weitreichende Bearbeitungsoptionen, steht allerdings hinsichtlich der erreichbaren Endergebnisse nach eigener Erfahrung im mikroskopischen Anwendungsbereich hinter Combine Z 5, Helicon Focus und Picolay zurück. Gleiches gilt für die Shareware Astrostack (InnoStack, 2006), welche von einem anderen Autor getestet wurde (Hart, 2003).

Eine weitere Einschränkung der astronomischen Programme besteht darin, dass diese bei der Verarbeitung höher aufgelöster Standbilder mit entsprechend hoher Datendichte häufig Funktionsausfälle verursachen.

Bearbeitet wurde Bildmaterial im gesamten lichtmikroskopischen Vergrößerungsbereich unter Verwendung von Stereo- und Lichtmikroskopen bei verschiedenen Beleuchtungsarten (Hellfeld, Dunkelfeld, Phasenkontrast, Polarisation, Interferenzkontrast, Auflicht).

Zunächst wurde die Leistungsfähigkeit der vorerwähnten Programme unter Aspekten der Ergebnisqualität und Verarbeitungsgeschwindigkeit vergleichend untersucht. Darüber hinaus wurden einige erweiterte Techniken zur zusätzlichen Qualitätsverbesserung evaluiert, welche in diesem Beitrag vorgestellt werden sollen (Double-Stacking, Bildüberlagerungen bei variabeler Farbtemperatur, submikroskopische Detailvergrößerungen im monochromatischen Licht).

Im Folgenden soll zunächst auf die Freeware Combine Z 5 näher eingegangen werden. Die Hinweise zur Handhabung dieser Software gelten in gleicher Weise auch für die alternativ gut einsetzbaren Programme “Helicon Focus” und “Picolay”.

 

Combine Z 5 – Installation und Handhabung:

Combine Z 5 kann als Gratis-Software aus dem Internet auf jeden Windows-Rechner geladen werden (Windows 98, 2000, ME, XP). Wenn nicht Windows XP vorhanden ist, müssen neben der Software selbst zwei kleine Hilfsdateien von der Homepage des Herstellers geladen werden. Software und Hilfsdateien sind in einem gemeinsamen separaten Ordner auf der Festplatte des Rechners zu speichern. Das Programm erfordert keinen gesonderten Installationsvorgang. Es kann direkt nach dem Herunterladen gestartet werden.

Die Bildserie, welche zur 3 D-Rekonstruktion bearbeitet werden soll, ist ebenfalls in einem separaten Ordner zu speichern. Die Einzelbilder sollten in fortlaufender logischer Reihenfolge nummeriert werden.

Bei der Erstellung der mikroskopischen Einzelbilder sollte darauf geachtet werden, dass die Schärfenfokussierung in mehreren kleinen Schritten verändert wird, ohne das Objekt in irgendeiner Weise zu verschieben oder die Justierung von Kamera oder Optik zu verändern. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sämtliche Einzelbilder exakt und kongruent zentriert sind.

Die herstellerseitig vorgenommen Grundeinstellungen des Programms sind so perfektioniert, dass sich nach eigenen Erfahrungen in allen Bereichen der lichtmikroskopischen Anwendung exzellente Resultate ergeben, wenn die verschiedenen zur Verfügung stehenden automatisierten Bearbeitungsmodi als Macros verwendet werden.

Nach dem Starten des Programms werden in einem ersten Schritt die Einzelbilder der jeweiligen Serie geladen (Menü File: New). Es öffnet sich ein Windows-typisches Explorer-Fenster. In diesem können die zu bearbeitenden Einzelaufnahmen markiert und geöffnet werden. Nun schließt sich das Explorer-Fenster automatisch und es wird der Ladevorgang der Aufnahmen angezeigt.

Nach Beendigung des Ladevorganges erscheint das zuerst nummerierte Bild der Serie als Frame in Vollbildansicht. Mittels der Pfeil-Cursor-Tasten (“aufwärts” und “abwärts”) können sämtliche Einzelbilder der Serie bei Bedarf nochmals betrachtet werden. Unter den Menüpunkten “Frame” oder  “Stack” können bei Erfordernis einzelne Bilder der Serie vor dem Überlagerungsvorgang noch eliminiert werden. Allerdings empfiehlt sich, die zu überlagernden Einzelaufnahmen im voraus zu sichten, so dass nach Laden der Bildserie keine weitergehenden Veränderungen mehr notwendig sind.

Der automatisierte Überlagerungsprozess, der im Endergebnis zu einem dreidimensional rekonstruierten Bild führt, kann im Menü “Macro” gestartet werden.

In aller Regel hervorragende Ergebnisse lassen sich mit dem Standard-Macro “Do Stack” erreichen.

Wird dieser Befehl gestartet, laufen verschiedene Bearbeitungsschritte ab: Zunächst werden Farbgebung und Helligkeit gewichtet, anschließend wird die Zentrierung der Einzelaufnahmen überprüft und gegebenenfalls korrigiert, schließlich werden Artefakte eliminiert und das interpolierte Bild als Endergebnis präsentiert. Das so entstandene Bild kann im Menü “File” mit dem Befehl “Safe Frame/Pictures As” an beliebiger Stelle im Rechner abgespeichert werden.

Technisch bedingt, fügt die Software dem rekonstruierten Bild einen zusätzlichen Randsaum bei, der Konturverdoppelungen und Spiegelungseffekte zeigt. Dieser kann automatisch beschnitten werden, wenn vor der Speicherung des Bildes die Taste “A” gedrückt wird. Hierdurch erscheint im rekonstruierten Bild ein Rahmen, welche den angefügten Randbereich ausblendet. Im Menü “File” kann dieser dem realen Bild entsprechende Ausschnitt mit dem Befehl gespeichert werden: “Safe Rectangle As”.

Alternativ kann manuell mittels Mauszeiger ein beliebiger Bildausschnitt zur Speicherung festgelegt werden. Der jeweils gewählte Ausschnitt kann ebenfalls als “Rectangle” abgespeichert werden. Mit dem alternativen Befehl “Safe Frame/ Picture as” wird hingegen grundsätzlich das zugehörige Vollbild einschließlich eventueller Randsäume gespeichert.

Die gleichzeitige Verwendung beider Speicher-Befehle (“Save Frame/Picture as” und “Safe Rectangle as”) kann zur Schärfeoptimierung mittels “Double-Stacking” eingesetzt werden (s.u.).

Anstelle des vorbeschriebenen Befehls “Do Stack” können in Einzelfällen verschiedene alternative Befehle im Menü “Macro” zu überlegenen Resultaten führen.

Der Befehl “Do Average and Filter” verwendet eine modifizierte Filtermethode hinsichtlich Artefakten; hierdurch können ggf. noch schärfere und kontrastreichere Resultate erreicht werden. Auch dieser Befehl führt nach einem automatisierten Ablauf zu dem fertigen Summationsbild, welches wie vorbeschrieben abgespeichert werden kann.

Ein weiterer alternativer Befehl findet sich im “Macro”-Menü unter dem Begriff “Stack Only”. Bei diesem Befehl verzichtet das Programm auf eine Kontrolle der Zentrierung und weitergehende Bildbearbeitungen. Daher ist das hierdurch resultierende Summationsbild im Falle exakter Vorzentrierung der Einzelaufnahmen weniger kontrastreich und von weicherer Kontur. Diese Variante der Überlagerung kann vorteilhaft sein, wenn das resultierende Summationsbild mit anderweitiger Bildbearbeitungssoftware nachbearbeitet werden soll.

Wie aus dieser Kurzbeschreibung ersichtlich, kann mit Hilfe der Software Combine Z 5 mittels weniger Maus-Klicks in automatisierter Form eine qualitativ sehr hochwertige Bildrekonstruktion erreicht werden. Das Programm verfügt über diverse weitere Befehle, welche die Modalitäten der Bildverarbeitung verändern können. Nach eigener Erfahrung kann aufgrund der ausgewogenen Grundeinstellung des Programms auf diese Zusatzfunktionen zumindest im Bereich der Mikrofotografie weitgehend verzichtet werden.

 

Verarbeitung hochauflösender Einzelaufnahmen:

Bis zu einer Größe von 2048 x 1536, entsprechend etwa 3 Megapixeln, werden die vom Programm Combine Z 5 geladenen Einzelbilder im Vollbildmodus als “Frames” auf dem Bildschirm angezeigt. In gleicher Weise wird auch nach Fertigstellung des Bildverarbeitungsprozesses das rekonstruierte Bild direkt präsentiert, so dass eine unmittelbare Ergebnisbeurteilung möglich ist. Bei einem Office-Rechner mit Pentium 3-Prozessor, Taktfrequenz 1300, liegt die Bearbeitungszeit für die Superposition von drei Einzelbildern der vorgenannten Größe bei etwa 40 Sekunden.

Bei einer höheren Bilddatendichte (getestet wurden Einzelbilder bis zu 8 Megapixeln) lässt sich die Software ebenfalls wie beschrieben mit allen erwähnten Befehlen einsetzen. Allerdings werden bei diesen höheren Datenmengen je nach Leistungsfähigkeit des Rechners die Einzelaufnahmen (“Frames”) und auch das rekonstruierte Summationsbild ggf. nicht mehr auf dem Monitor angezeigt. Dennoch laufen auch in diesem Fall alle Bearbeitungsprozesse ordnungsgemäß ab und man kann anschließend das fertige Resultat wie beschrieben an beliebiger Stelle im Rechner als Bild abspeichern. Nach Beendigung von Combine Z 5 kann das Ergebnisbild in einem separaten Schritt mit jeder hierfür geeigneten Viewer-Software betrachtet und bei Erfordernis nachbearbeitet werden.

Die Bearbeitungszeit für die Bildüberlagerung steigt mit zunehmender Größe der Einzelbilder sprunghaft an.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Datendichte des resultierenden Überlagerungsbildes aufgrund gesteigerter Bildinformation höher liegt, als bei den Einzelaufnahmen. Die Datengröße des Summationsbildes kann nach Maßgabe eigener Testungen je nach Informationsdichte des Objektes ggf. etwa das 2- bis 4- Fache eines Ausgangsbildes betragen.

Nach eigener Erfahrung liefern Einzelaufnahmen in der vorerwähnten Auflösung von 2048 x 1536 bereits sehr gute vergrößerungsfähige Ergebnisse, wobei in diesem Fall die Ergebnisse der Bearbeitungsschritte auf jedem gängigen Office-Rechner direkt im Vollbildmodus präsentiert werden und kurze Prozesszeiten resultieren. Sofern höhere Auflösungen gefordert sind, kann unter Verzicht auf eine direkte Präsentation der Bilder während des Bearbeitungsvorganges bis zu einer Bildgröße von 3072 x 2304, entsprechend etwa 7 Megapixeln im HQ-JPG-Modus gut gearbeitet werden. Die resultierenden Überlagerungsbilder entsprechen in diesem Fall hinsichtlich ihrer Details und Datendichte 8 – 10 Megapixel-Originalaufnahmen. Dies erscheint auch für großformatige Prints und endgradige Ausschnittsvergrößerungen mehr als ausreichend.

 

Helicon Focus:

Die Arbeitsweise dieser Software entspricht prinzipiell Combine Z 5. Im Unterschied zu Combine Z 5 werden die Einzelaufnahmen der jeweiligen Bildsequenz jedoch als Miniaturbilder zur Auswahl angezeigt; weiterhin werden Einzelbilder, aktuelle Bearbeitungsphasen und fertige Resultate kontinuierlich visuell präsentiert, und zwar unabhängig von der Größe bzw. Megapixelzahl der Einzelbilder (Testungen bis zu 8 Megapixeln).

Zur automatisierten Bildrekonstruktion bietet Helicon Focus nur einen Standardbefehl (“Start”). Das Ergebnis, welches unter Beibehaltung der werksseitigen Voreinstellungen erhältlich ist, entspricht demjenigen des Macros “Do Stack” bei Combine Z 5. Auch bei monochromatischer Beleuchtung ist Helicon Focus ohne Probleme einsetzbar, wohingegen Combind Z 5 in dieser Situation oft keine hinreichende Kunturerkennung leistet.

Weitere Vorteile dieser Software liegen in der deutlich schnelleren Bearbeitungsgeschwindigkeit und einer sehr guten intuitiven Bedienbarkeit.

 

Picolay:

Picolay ist seit 2006 als Freeware erhältlich. Diese Software erstellt im automatischen Betrieb von einer Bildserie fünf verschiedene Bildrekonstruktionen, welche auf der Grundlage unterschiedlicher Algorithmen vorgenommen werden:

  1. Gewichtetes Summationsbild mit Kontrast- und Schärfeoptimierung
  2. Summationsbild basierend auf den hellsten Bildpunkten
  3. Summationsbild basierend auf den dunkelsten Bildpunkten
  4. Summationsbild der schärften Bildpartien aller Einzelaufnahmen
  5. Gewichtetes Summationsbild der Rekonstruktionen 1 bis 4.

Zusätzlich werden in einer separaten Bilddatei die Regionen maximaler Schärfe in einer Falschfarbendarstellung markiert.

Die Bearbeitungsparameter mehrerer Makros können vom Anwender bei Bedarf individuell angepasst werden.

 

Registax:

Dieses Freeware-Programm bietet neben einer automatisierten Überlagerung serieller Einzelbilder sehr weitreichende Bearbeitungsoptionen, steht allerdings hinsichtlich der erreichbaren Endergebnisse nach eigener Erfahrung im mikroskopischen Anwendungsbereich hinter Combine Z 5, Helicon Focus und Picolay zurück. Insgesamt erscheinen die Strukturen bei dieser Software weniger exakt rekonstruiert und durchgezeichnet. Darüberhinaus ergibt sich die Einschränkung, dass die Software nur Einzelbilder bis zu einer ungefähren Größe von 2 Megapixeln verarbeiten kann; bei größerer Datendichte reagiert die Software nach ihrem Starten nicht. Andererseits bietet diese Software die Option, neben Standbildern auch AVI-Videosequenzen einzulesen und deren Einzelbilder zu einem Summationsbild zu überlagern. Dies könnte für Anwender interessant sein, welche schwerpunktmäßig am Mikroskop Filme erstellen

 Copyright: Jörg Piper, 2007