Simulación de imágenes microscópicas en un A-2000

Por J.M. Gómez Salazar (*), M.A. Martinez (**)
(*) Dep. Ciencia de Materiales e Ing. Metalúrgica. Fac. CC. Químicas. Univ. Complutense de Madrid.
(**) Dep. Ciencia de Materiales, E.T.I.S.I. Caminos. Univ. Politécnica de Madrid

Nuestro sistema visual percibe los objetos en tres dimensiones, aunque las imágenes que se forman en la retina, son bidimensionales. La visión en relieve se logra por la percepción simultánea por ambos ojos de los objetos observados desde ángulos diferentes y su posterior coordinación en el cerebro. Así, es posible apreciar distancias, espesores, diferencias en la posición y todo aquello que en la realidad se percibe con la tercera dimensión.

Las imágenes obtenidas mediante Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) que estamos acostumbrados a utilizar, en realidad no son más que imágenes en perspectiva; los objetos más lejanos tienen un tamaño menor que los situados más próximos, pero siempre proyectados sobre el plano que sirve de soporte a la imagen, consiguiendo así, un efecto de profundidad que en realidad no existe.

El tener una herramienta como el SEM que nos permite observar superficies metálicas y metalizadas con una gran profundidad de foco, ha sugerido siempre la idea de aplicar técnicas anteriormente utilizadas en fotografía; una de ellas es precisamente la esteroscopia que permite obtener una imagen más real de los objetos microscópicos que se estudian.

La más perfecta de las imágenes microscópicas actuales, no muestra más que un aspecto de la realidad: se produce a una imagen única, fijada en un plano en proyección perspectiva. La visión directa de la realidad ofrece mayor información; el aspecto de los objetos varía con la posición del observador, los distintos planos visuales se desplazan unos con respecto a otros y la perspectiva se modifica de forma que las zonas ocultas no siguen siendo las mismas. ¿Es posible obtener en una pantalla, imágenes que produzcan una información más próxima a la realidad? Parece ser que sí, gracias a la esterovisión artificial mediante anáglifos.

La estereoscopia artificial, tiene como fin reproducir la sensación de espacio, y se basa en presentar dos imágenes del objeto, de tal modo que al observarlas, se obtenga el mismo efecto que si trabajáramos con el objeto real. Para lograr la apreciación del relieve, es necesario que en ambas imágenes fotográficas aparezca el mismo lado del objeto girado un cierto ángulo. La unión de estas dos imágenes es un estereograma.

Historia de las imágenes 3-D

La obtención de efectos estereoscópicos con la utilización de dos imágenes, es anterior a la aparición de la fotografía. Se debe a los trabajos de Sir Charles Wheatstone; durante la segunda década del siglo XIX realizaba pares de dibujos que producían un efecto estereoscópico al observarse con dos espejos; en 1838, él mismo, desarrolla un estereoscopio para observar daguerrotipos. Utilizó las primeras placas para obtener pares estereoscópicos mediante un pequeño desplazamiento de la cámara fotográfica.

El sistema clásico de producción de estereopares fotográficos, supone el realizar un desplazamiento de la cámara, tal y como ocurre en la fotografía aérea.

En 1849, D. Brewster inventa un estereoscopio con objetivo prismático que permitían el empleo de pares de fotografías mayores que los de 60 ó 70 mm. de ancho empleados hasta entonces. También propuso la utilización de una cámara estereoscópica de dos objetivos de funcionamiento simultáneo, que fue construida en 1853 por J.B. Dancer.

En ese mismo año, Rollmann idea un sistema de estereovisión por medio de anáglifos, y cinco años después, D'Almeida diseña un sistema para la proyección de éstas imágenes. En 1857, Helmholtz presenta su estereoscopio de espejos.

En 1891, al tiempo que el mecánico de precisión J. Anderson patenta en Londres un sistema de proyección de dos imágenes superpuestas empleando luz polarizada, el físico francés G. Lippmann obtuvo las primeras fotografías en color; él mismo, en 1908 propuso una "fotografía integral" que ofreciera unas perspectivas más próximas a la realidad. D. du Hauron en 1849 utiliza la fotografía en color para la obtención de fotolitos que adecuadamente montados dan lugar a estereogramas anáglifos.

Hasta 1920 no se construyó una cámara estereoscópica con paso de película 35 mm. de ancho que se universalizará posteriormente; en ese mismo año apareció en el mercado la cámara Velascope de la empresa francesa J. Richard.

Con el desarrollo de la aviación, durante la segunda guerra mundial, sufre un gran impulso la fotografía aérea de reconocimiento, y los sistemas de estereovisión y estereometría; estudiados posteriormente en USA por R. Bean del United States Geological Survey, en 1957 pone a punto el sistema de ortofotografía aérea.

En la actualidad, la toma de imágenes se realiza con una cámara réflex clásica, a la que se incorpora un adaptador, obteniéndose las dos imágenes de 24x35 mm.

Para la visión de imágenes tridimensionales en pantalla de TV, vídeo u ordenador, se han desarrollado varios procesos. Los laboratorios PHILIPS de Eindhoven emplean una pantalla de alta resolución con 1250 líneas; la imagen derecha se emite por 625 líneas alternas (por ejemplo las pares) polarizadas en un sentido, mientras que por las restantes se emite la imagen izquierda, polarizada 1/4 de vuelta respecto a la anterior. En 1967 Roese, en USA, realizó un ensayo utilizando una pantalla normal que emite alternativamente las dos imágenes; la visión se realiza a través de unas gafas con dos láminas de cerámica transparente de titanio de circonio dopado con plomo y lantano (PLZT o JVC) de un coste muy elevado que van unidas por cable al receptor para activar cada lámina en sincronía con la secuencia de imágenes de la pantalla. En ambos casos la velocidad de barrido es insuficiente (1/25 en lugar de 1/50 de segundo) dando lugar a brillos y parpadeos de la imagen que fatigan al usuario.

El único proceso aplicable a los receptores actuales de TV es el anáglifo, siempre que el ajuste de rojos y azules sea el correcto. Otros sistemas diferentes al nuestro, que permiten la realización de anáglifos digitalizados, tienen un coste que supera en cinco o seis veces el desarrollado en esta investigación.

Obtención y visión de estereogramas

El sistema clásico de producción de estereopares fotográficos, supone el realizar un desplazamiento de la cámara, tal y como ocurre en la fotografía aérea. Pero el detector del SEM, no puede desplazarse lateralmente ni alejarse o acercarse a la muestra. Este problema queda subsanado si las exposiciones fotográficas se realizan colocando la superficie que se estudia con diferentes ángulos de inclinación (figuras 1 y 2).

FIGURA 1.

La más perfecta de las imágenes microscópicas actuales, no muestra más que un aspecto de la realidad: se reduce a una imagen única, fijada en un plano en proyección perspectiva

A continuación se presenta en un solo soporte las dos imágenes que han de ser vistas por separado con cada uno de los ojos. La separación entre ellas se logra ópticamente, aprovechando que la luz está formada por una serie de millares de impulsos por segundo, vibrando en todas las direcciones. Los sistemas anaglíficos consisten en presentar las dos imágenes superpuestas, cada una en un color básico, siendo ambos complementarios -generalmente azul y rojo- (figura 3).

Los avances en la técnica del cómputo digital permiten la intervención de los sistemas de recogida de datos estereoscópicos, mediante la interfase GENLOCK, con el ordenador AMIGA 2000 directamente desde el microscopio electrónico con un digitalizador DIGIVIEW. Este mismo sistema se emplea para introducir en el sistema cualquier imagen fotográfica formando así un archivo electrónico. La superposición simultánea de dos de estas imágenes convenientemente digitalizadas y filtradas en los colores rojo y azul, puede ser observada en relieve por el operador en una pantalla de alta resolución del procesador de imágenes; si su reproducción en papel diapositiva o transparencia es necesaria, se utiliza un sistema de fotografía electrónica o videoprinter (figura 4).

El proceso de obtención de las imágenes 3D seguirá el procedimiento siguiente: 1) Cargar el programa DIGI-VIEW y seleccionar la resolución deseada. 2) En el menú seleccionar "cámara"; tomar la primera imagen objeto de estudio y digitalizarla, filtrándola en color azul. 3) Pasar de nuevo al menú y repetir la selección de "cámara". Si se está digitalizando un estereopar (directamente desde el microscopio o de una copia fotográfica anterior), tomar la segunda imagen y digitalizarla, filtrándola en color rojo. 4) Pasar al menú y seleccionar "display". Las imágenes aparecerán superpuestas en la pantalla de color, pudiendo ser observadas con los filtros adecuados. 5) Las intensidades del color, brillo, etc de la imagen 3D puede ser posteriormente retocada o simplemente salvada en un soporte magnético.

Otro método más rápido, pero que no nos permite obtener relieves tan reales, consiste en emplear una sola imagen fotográfica; al realizar el tercer paso del proceso antes citado, esta imagen, en lugar de sustituirla por otra, se desplaza ligeramente hacia la derecha y hacia abajo, continuando el proceso de la misma forma que con un estereopar.

Para su visión se utilizan filtros de los mismos colores, con lo que cada ojo apreciará la imagen correspondiente al color complementario, ya que no se aprecia la del mismo color al confundirse con el fondo. La suma de rojo y azul, por ser colores complementarios produce grises y negro, mientras que el resto de los colores pasan por dos filtros, aunque algo enmascarados; será posible la observación de imágenes tanto en blanco y negro como en color. La colocación de los filtros está normalizada, correspondiéndole el azul al rojo izquierdo y el rojo al derecho.

FIGURA 3.

Si el ángulo de inclinación entre imágenes empleado en la obtención del estereopar es pequeño, no se obtendrá sensación de relieve, y si es excesivamente grande, se obtiene una sensación de hiperestereoscopía

Si el ángulo de inclinación entre imágenes empleado en la obtención del estereopar es pequeño, no se obtendrá sensación de relieve, y si es excesivamente grande, se obtiene una sensación de hiperestereoscopía -relieve excesivamente acentuado y cierta pérdida de horizontalidad-. Por otro lado, en los extremos de las fotografías y sobre todo en sus ángulos, se producen distorsiones, por lo que es preciso llegar a un compromiso sobre si es más importante la panorámica general o los detalles concretos. Si estos últimos son los que presentan mayor interés, se tendrán que situar en el centro de la pantalla con el fin de evitar su distorsión.

La importancia de las zonas ocultadas por los mismos objetos que pretendemos estudiar, crece a la medida que se emplean mayores ángulos de inclinación. En figuras muy accidentadas, la visión estereoscópica no existe en las zonas que quedan ocultas en alguna de las dos imágenes; si son pequeñas, es posible hacer mentalmente una extrapolación con otras zonas adyacentes vistas en relieve, aunque con una sensación molesta. El problema es complejo debido a las muy distintas formas de producción de los solapamientos y que dan lugar a una pérdida de información importante. Además, los objetos que ocultan a otros producen ambigüedades en la imagen si se confunden con parte de los ocultados. A todo ello hay que añadir que, los objetos tridimensionales se ocultan a sí mismos dependiendo del ángulo de inclinación frente al detector, además de tener una parte no visible. Estos problemas están siendo estudiados en el campo del análisis de imágenes para su aplicación en la visión tridimensional de robots.

Conclusiones.

La calidad de las imágenes ofrecidas supera a las obtenidas por otros métodos más complejos, sobre todo si se emplean pantallas de alta resolución.

Los principales defectos del método son que la coloración de los estereogramas es artificial y que la utilización prologanda de las gafas con filtros, si no son de calidad, producen cierta fatiga ocultar.

Todas aquellas aplicaciones de las enseñanza e investigación que requieren un estudio de superficies en relieve, ven desarrolladas sus posibilidades mediante la utilización de las técnicas estereoscópicas dada que las estructuras tridimensionales, siempre más difíciles de percibir con las clásicas imágenes en perspectiva.

El equipo Commodore AMIGA 2000 está resultando óptimo para el trabajo desarrollado gracias a la colaboración de TEX HARD.