Bewegungsmikroskop macht winzige Schwingungen sichtbar

  • 17. October 2017

Verbessertes Verfahren zur Videoanalyse liefert ver­bor­gene Infor­ma­tionen.

Viele Objekte oder Lebewesen, die auf den ersten Blick völlig starr und un­be­wegt erscheinen, weisen tat­säch­lich winzige charak­teris­tische Bewe­gungen auf. Gelingt es, diese Bewe­gungen sicht­bar zu machen, so lassen sich viele zunächst ver­borgene Infor­ma­tionen gewinnen. Hier setzt das Bewe­gungs­mikro­skop an, ein Bild­ver­arbei­tungs­ver­fahren, das Forscher am MIT um William Freeman und Michael Rubin­stein vor ein paar Jahren vor­ge­stellt und seit­her weiter­ent­wickelt haben. Die zugrunde­liegende Idee ist ein­fach, die Reali­sie­rung hat es jedoch in sich.

Bewegungsmikroskop

Abb.: Das mit 50 Hz (oben) und 100 Hz (unten) ange­trie­bene elas­tische Meta­material unter dem Bewe­gungs­mikro­skop (rechts), zum Ver­gleich die Computer­simula­tion (links). Während sich die 50 Hz-Wellen im ganzen Material aus­breiten, klingen die 100 Hz-Wellen schnell ab. (Bild: N. Wadhwa et al. / NAS)

Zunächst macht man mit einer Hochgeschwindigkeitsvideokamera Aufnahmen eines nahezu unbe­wegten Objekts. Das kann zum Beispiel eine Brücke sein, eine auf dem Boden liegende Chips­tüte, ein schlafender Säug­ling oder ein mikro­skopi­sches Präparat aus der Hör­schnecke. Aus dem auf­ge­zeich­neten Video filtert man die Bewe­gungen für einen bestimmten Frequenz­bereich heraus und ver­stärkt ihre Amplitude einige hundert Mal. Dadurch werden die ent­spre­chenden Bewe­gungen sicht­bar – doch leider nimmt dabei auch das Bild­rauschen erheb­lich zu, sodass die Bild­qualität stark leidet und Infor­mation verloren­geht.

Dieser Informationsverlust lässt sich aber weitgehend ver­meiden, wenn man die winzigen lokalen Ver­schie­bungen im Video je nach ihren ört­lichen Schwin­gungs­phasen unter­schied­lich ver­stärkt. Dazu werden für jedes einzelne Bild die Inten­si­täten der Pixel mit Hilfe von lokali­sierten Wave­lets trans­formiert. Das trans­formierte Bild wird dann für einen bestimmten Frequenz­bereich durch Sinus­funk­tionen dar­ge­stellt, die durch lokale Ampli­tuden und Phasen charak­teri­siert werden. Von einer aktu­ellen lokalen Phase wird die ent­spre­chende Phase des ersten Bildes abge­zogen, die Diffe­renz gefiltert und ver­stärkt und schließ­lich durch Um­keh­rung der Fourier- und Wavelet-Trans­forma­tionen ein bewe­gungs­ver­stärktes Bild erhalten, das kaum ver­rauscht ist. Dabei sollte die Bewe­gungs­ver­stärkung besser funktio­nieren, wenn die lokale Bewegung senk­recht zu einer Linie oder Kante im Bild orien­tiert ist statt parallel zu ihr.

Wie gut das Verfahren funktioniert, zeigen die Forscher anhand von verschie­denen Beispielen. So haben sie die durch ein beschalltes Cochlea-Präparat laufenden Wellen­bewe­gungen mit zwanzig­facher Ver­größerung erst­mals sicht­bar gemacht. Dabei zeigte es sich, dass die Wellen einige hundert Mikro­meter weit kamen.

Auf ein Video von einer Hebebrücke angewandt, zeigte das Bewegungs­mikro­skop bei vier­hundert­facher Ver­größe­rung, dass ein fest­stehender Brücken­teil durch den beweg­lichen Teil in Schwin­gungen mit einer Frequenz von zwei bis drei Hertz ver­setzt wurde. Das ließ sich zwar auch mit Hilfe von an der Brücke ange­brachten Beschleu­nigungs­messern beob­achten, aller­dings nur punk­tuell, während das Bewegungs­mikro­skop die Schwin­gungen über die gesamte Brücke dar­stellte.

Schließlich haben die Forscher mit dem Bewegungsmikroskop die elas­tischen Schwin­gungen eines Meta­materials unter­sucht, bei dem in einer Matrix elas­tisch auf­ge­hängte Kupfer­kerne ein­ge­bettet waren. Das Meta­material wurde mit zwei ver­schie­denen Frequenzen ange­trieben und mit dem Bewegungs­mikro­skop unter­sucht. Während bei fünfzig Hertz die gesamte Matrix in Schwin­gungen geriet, klangen bei hundert Hertz die Schwin­gungen schon nach kurzer Weg­strecke ab. Die gewon­nenen Auf­nahmen stimmten hervor­ragend mit den Ergeb­nissen von Computer­simula­tionen überein.

Mit einer früheren Version ihres Bewegungsmikroskops hatten die Forscher noch weitere Anwen­dungs­möglich­keiten auf­ge­zeigt. So konnten sie die unmerk­lichen Atem­bewegungen und den Puls­schlag eines schlafenden Säug­lings sicht­bar machen und dadurch etwa einen mög­lichen Atem­still­stand recht­zeitig bemerken. Auch winzige Bewe­gungen in der Mimik und Gestik einer Person lassen sich erkennen und analy­sieren. Aus den unmerk­lichen Schwin­gungen einer Chips­tüte konnten sie den Umge­bungs­schall rekon­stru­ieren und damit Stimmen und Geräusche hör­bar machen.

Rainer Scharf

RK

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