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Kategorien: 3D - Chemie

3D Fotografie in der Anorganischen Chemie

Wie man plastische Strukturen realistisch abbildet

Erstellt am: 15.08.2011 01:00

Bei der Untersuchung von anorganischen Strukturen, insbesondere Kristallen, ist es in der Regel notwendig oder zumindest hilfreich, ein dreidimensionales Abbild des untersuchten Stoffes zu gewinnen. Dies ist im Labor mit handelsüblichen Stereomikroskopen ohne Weiteres möglich; will man jedoch das Gesehene dokumentieren, so bietet sich in der Regel nur die Möglichkeit eines "normalen" zweidimensionalen Fotos, wodurch die Nachvollziehbarkeit der geometrischen Beschaffenheit oft stark beeinträchtigt wird.

Während die apparative Erzeugung dreidimensionaler Bilder mit sehr teurer Hardware und komplizierter Handhabung verbunden ist, existiert ein relativ einfacher Weg, um brauchbare dreidimensionale Bilder zu erzeugen, die sogar Eingang in gedruckte Literatur finden können.

"Cross-Eyed" 3D - 3D ohne Brille

Dreidimensionales Sehen beruht darauf, dass beide Augen unterschiedliche Bilder wahrnehmen, da sie relativ zum betrachteten Objekt verschiedene Postionen einnehmen. Um künstlich dreidimensionale Bilder zu erzeugen, muss man also nur "irgendwie" beiden Augen ein leicht unterschiedliches Bild liefern. Hierfür bieten sich verschiedene Techniken an, die jedoch zumeist eine spezielle Brille benötigen, um die Signale für beide Augen zu trennen.

Darüber hinaus besteht jedoch ein relativ simpler Weg, ohne technische Hilfsmittel dreidimensional zu sehen: Unsere Augen sind darauf trainiert, sich bei einem bestimmten Objektabstand so zu drehen, das man das Objekt jeweils direkt betrachtet (nicht zu verwechseln mit dem Einstellen der Schärfe durch die Linse). Liefert man nun aber zwei Bilder nebeneinander, so ist es mit etwas Übung möglich, durch "Schielen" mit jeweils einem Auge genau ein Bild zu erfassen, sodass diese vom Gehirn zu einem dreidimensionalen Abbild zusammengesetzt werden.

Genaueres zu dieser Technik kann unter How to see 3D photos nachgelesen werden!

Beispiel für Cros-Eyed Stereo-Bild

Durch "Schielen" können beide Bilder zum Überlappen gebracht werden und die Blume erscheint plastisch
(Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Stereoscopic)

Wie man ohne größeren Aufwand dreidimensionale Mikroskop-Aufnahmen erhält

Stereomikroskop

Doch wie bekomme ich nun derartige Aufnahmen, ohne auf spezielles Equipment angewiesen zu sein? Tatsächlich benötigt man lediglich ein optisches Stereo-Mikroskop, wie es in jedem einigermaßen gut ausgestatteten Labor zur Verfügung stehen sollte, sowie eine handelsübliche Digitalkamera. Die Substanz wird nun wie gewohnt ins Mikroskop eingebracht und kann zunächst auch wie gewohnt betrachtet werden. Sind der Bildausschnitt und die Vergrößerung korrekt eingestellt, kann es losgehen:

Zunächst sollte darauf geachtet werden, dass beide Okulare auf dieselbe Schärfe eingestellt sind. Wer unterschiedliche Sehstärke auf beiden Augen hat, sollte beide Okulare mit demselben Auge justieren. Anschließend wird mit der Digitalkamera jeweils ein Bild durch das linke und rechte Okular aufgenommen. Hierbei gibt es einiges zu beachten:

  • Die Aufnahme gestaltet sich am einfachsten, wenn man die Kamera vorsichtig auf das Okular auflegt, sodass ein Schräglage vermieden wird. Dazu müssen die Gummiaufsätze abgenommen werden!
  • Ein Drehen der Kamera sollte nach Möglichkeit vermieden werden. Je größer der Drehwinkel zwischen beiden Bildern, desto schlechter das Ergebnis ...
  • Beim Platzieren der Kamera ist darauf zu achten, dass die Position mit der höchsten Lichtintensität gewählt wird. Gerade bei billigeren Kameras erscheint hier das Display meist homogen weiß, die Fotos werden jedoch so besser!
  • Vor allem zu Beginn ist es hilfreich, wenn man mehrere Bilder pro Seite aufnimmt. Hier empfiehlt es sich zu notieren, bei welchem Bild der Wechsel stattfindet, sodass eine spätere Zuordnung noch möglich ist.

Sind die Fotos geschossen, ist der praktische Teil schon vorbei ...

Fotobearbeitung - Von zwei Einzelbildern zum "Stereo-Bild"

Nun werden die Bilder wie gewohnt auf einen PC überspielt und liegen als Einzelaufnahmen vor. Hier sollte zunächst eine Auswahl stattfinden, sofern mehrere Aufnahmen gemacht wurden. Alles was unscharf oder zu dunkel ist, kann gleich gelöscht werden. Es empfiehlt sich, zwei Bilder auszuwählen, die in etwa den gleichen Ausschnitt zeigen, also nicht zu weit horizontal oder vertikal gegeneinander verschoben sind. Hier ist jedoch keine übertriebene Perfektion notwendig, Auge und Gehirn sind in der Lage, leichte Verschiebungen automatisch zu kompensieren.

Nun benötigt man ein Fotobearbeitungsprogramm, in dem man ein neues Dokument mit der einfachen Höhe und doppelten Breite eines der Fotos anlegt. In dieses kopiert man nebeneinander die beiden Aufnahmen, wobei das rechte Bild auf die linke Seite platziert werden muss! Dieses Doppelbild kann nun abgespeichert werden und fertig ist das "Cross-Eyed" 3D Foto. Beispiele:

Aragonit

gepulvertes Calciumcarbonat

Kupfertartrat Gel

Kupfer(II)-tartrat-Kristalle in Gel

Kupfertartrat Kristalle

Kupfer(II)-tartrat-Kristalle aus Gelkristallisation

Bleiiodid

Gel mit Blei(II)-iodid

Insbesondere beim mittleren Bild wird klar, wo der Vorteil dieser Technik liegt: Im 3D-Bild erkennt man die Geometrie der einzelnen Kristalle vergleichsweise gut. Der Farbunterschied zwischen linken und rechtem Bild wird hingegen gar nicht wahrgenommen.

Cross-Eyed 3D drucken

Der wohl größte Vorteil der Cross-Eyed-Methode wurde jedoch noch gar nicht angesprochen: Was am Bildschirm funktioniert, ist ohne weiteres auch in einer gedruckten Arbeit oder einem beliebigen Druckwerk möglich. Hier sind große schwarze Flächen eher unpraktisch, was jedoch mit ein wenig zusätzlicher Bildbearbeitung gelöst werden kann. Gerade die Tatsache, dass eine recht homogene schwarze Fläche die Begrenzung darstellt, ermöglicht den Einsatz von Bereichserkennungswerkzeugen ("Magic Wand Tools"), die in jeder mittelsmäßigen Foto-Software vorhanden sind. Diese erkennen mit einem Klick den jeweils gleichfarbigen Bereich und ermöglichen ein komfortables Entfernen desselben. Zurück bleiben die beiden runden "Bilder" auf weißem Grund, wie im Folgenden illustriert:

kein Hintergrund

ohne schwarzen Rand kann die Abbildung mit moderaten Kosten abgedruckt werden

Selbstverständlich sind alle bisher gezeigten Aufnahmen weit davon entfernt, perfekt zu sein. Meist ist es jedoch völlig ausreichend, wenn der relevante Abschnitt in der Mitte der Fotos gut dargestellt ist und kleine Anzeigefehler im Randbereich sind nicht relevant. Wer jedoch professionellere Ambitionen hat, dem bietet sich ein Füllhorn an möglichen Optimierungen und Gestaltungsmöglichkeiten, beispielhaft sei nur die Platzierung der Beschriftungen in den folgenden Bildern gezeigt:

Buchstaben auf gleicher Höhe

Hier wurden die Kristalle jeweils mit Buchstaben zur Beschriftung versehen, diese können entweder auf gleicher Ebene ...

Bleiiodid

... oder in verschiedener Bildtiefe dargestellt werden. Der Effekt wird lediglich durch eine horizontale Verschiebung der Buchstaben erzielt!

Bildnachweis:

Alle Fotos wurden, soweit nicht anders gekennzeichnet, vom Autor selbst im Rahmen des Anorganischen Praktikums an der Universität Bayreuth aufgenommen und bearbeitet.


Quellen:

Neil Creek: How to take 3D photos


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