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Fokus-serien basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten (2002)

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Fokus-serien basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten (2002)

  1. 1. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von MikroobjektenFokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Jan Wedekind 16.5.2002 Betreuer: Axel Burkle ¨ Referent: Prof. Heinz Worn ¨ Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a -1- Automation und Robotik
  2. 2. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Motivationaus Fokusserie rekonstruieren: Anwendung • Oberflache (H¨henkarte) ¨ o • 3-D Modelle • Bild erweiterter Scharfentiefe ¨ • Bilderkennung Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a - 2 (4/3) - Automation und Robotik
  3. 3. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Verwandte Techniken Strahlteiler Laser Kamera Laser Pfad1 Pfad2 Probe Detektor Piezo α ∆z Linse1 Linse2 ∆x XYZ−TischLasertriangulation Konfokales • Vorteil: schnell, stabil Laserscanningmikroskop • Grenze: Linienbreite, • hohe Aufl¨sung, 3-D o Sch¨rfentiefe a • teuer Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a - 3 (10/9) - Automation und Robotik
  4. 4. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Stand der Technik• H¨henkarte d(x, y) aus o Fokusserie Tiefenbild Laplace – Maximierung eines Sch¨rfemaßes a Fusion ∗ Gradientenbetrag ∗ lokale Grauwertvarianz ∗ Wavelet, 2. Ableitung – Vergleich der Unscharfe ¨• Bild erweiterter Sch¨rfentiefe a Höhenkarte v(x, y) = gd(x,y) (x, y) Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 4 (7/6) - Automation und Robotik
  5. 5. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Meßaufbau• Leica DM RXA Mikroskop – 2 Kanal Beleuchtung mit Filtereinsatz – Motorisierter Z-Tisch (Schrittweite 0.1 µm)• Dual Pentium III mit 1GHz Prozessoren• 768 × 576 CCD-Kamera 8-Bit ⇒ Auflosung bis zu 0.74 µm/Pixel ¨ Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 5 (7/6) - Automation und Robotik
  6. 6. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Projektion von HilfsmusternOhne Verwendung vonHilfsmusterMitprojiziertem 13 µm-Schachbrettmuster Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a - 6 (6/5) - Automation und Robotik
  7. 7. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Systematischer Fehler PSF d c b a d cz Erkl¨rung a • Kontrast(b)>Kontrast(d) • Kontrast(a)<Kontrast(c) y Schnitt durch Fokusserie Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 7 (9/8) - Automation und Robotik
  8. 8. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten adaptives Sch¨rfemaß a Fokusserie (·)2gz (x, y) gz (x, y)2⊗h ⊗h Filterung Sch¨rfemaß fur verschiedene a ¨ Aufl¨sungen o⊗s -(·)2 + ⊗s Filterung • hier lokale Grauwertvarianz Verkleinerung • Komplexitat O(N ) ¨ 1⊗s -(·)2 + ⊗s Filterung Verkleinerung 2 Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a -8- Automation und Robotik
  9. 9. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Adaptive Bestimmung der H¨henkarte o Ergebnis Suchbereich Höhenkarte Untergrenze Auswahl Maxima Obergrenze1 Vergrößerung Suchbereich, Höhenkarte Suchbereich Höhenkarte Untergrenze Auswahl Maxima Obergrenze2 Vergrößerung Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 9 (4/3) - Automation und Robotik
  10. 10. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Ergebnis Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 10 (3/2) - Automation und Robotik
  11. 11. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Aufl¨sungsverbesserung I o   1  x2 + y 2 ≤ |zk|Approximation der Punktantwort durch hz (x, y) = π(zk)2 ,  0 sonst k kalibriert   1  g − g [⊗]h j<0  2 1 2j/(cM ) d − d (x, y) = argmin M j∈{−M,...,+M }  g1 − g2 [⊗]h2j/(cM ) j≥0  Verschlechterung Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a - 11 (4/3) - Automation und Robotik
  12. 12. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Aufl¨sungsverbesserung II o Maxima Schärfemaß Regressions−Parabel z Maximum der Regressionsparabel Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 12 - Automation und Robotik
  13. 13. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Vergleich I ohne Muster mit MusterStand der Technikadaptiv Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a - 13 (3/2) - Automation und Robotik
  14. 14. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Vergleich IIsimulierte 1003 -Fokusserie: geneigte Ebene N −1 N −1 1 2Gutemaß σd = 2 argmin ¨ (a1 x + a2 y + b − d(x, y))2 N a1 ,a2 ,b∈R x=0 y=0 Algorithmus σd einfach 21.6531 adaptiv 1.4135 + Vgl. d. Unscharfe ¨ 1.4956 + Interpolation 1.3704 g50 (x, y) Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a - 14 (10/9) - Automation und Robotik
  15. 15. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Vergleich III Algorithmus σd /2 µm einfach 3.66435 adaptiv 0.76254 + Vgl. d. Unsch¨rfe a 0.97060 + Interpolation 0.67578 Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 15 (11/10) - Automation und Robotik
  16. 16. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Zusammenfassung• Adaptiver Algorithmus unterdruckt systematische Fehler ¨• Projektion von Hilfsmuster• wenige Parameter• Komplexitat O(N ) ¨• Berechnung von Tiefenbildern• Auflosungsverbesserung durch Interpolation ¨ Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, u Universit¨t Karlsruhe (TH) a - 16 (7/6) - Automation und Robotik
  17. 17. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Ausblick• Meßaufbau: – Helligkeitsregler fur Beleuchtung ¨• Algorithmus: – Adaptiver Vergleich der Unsch¨rfe a – Fusion von Fokusserien – Interpolation der H¨henkarte o – Sch¨rfemaß aus Wavelets a – Zusammensetzen von H¨henkarten o Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 17 (9/8) - Automation und Robotik
  18. 18. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Mikrogitter Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 18 - Automation und Robotik
  19. 19. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Rillen Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 19 - Automation und Robotik
  20. 20. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Mikrozahnrad Institut f¨ r Prozentrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a -20 - Automation und Robotek
  21. 21. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten 1-Cent Euro “E” Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 21 - Automation und Robotik
  22. 22. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten 1-Cent “1” Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 22 - Automation und Robotik
  23. 23. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten kleines Mikrozahnrad ∅0.6 mm Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 23 - Automation und Robotik
  24. 24. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Bergkristall Tiefenbild Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 24 - Automation und Robotik
  25. 25. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Ammonit 3D Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 25 - Automation und Robotik
  26. 26. Fokusserien-basierte Rekonstruktion von Mikroobjekten Institut f¨ r Prozeßrechentechnik, uUniversit¨t Karlsruhe (TH) a - 26 (3/2) - Automation und Robotik

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