В статье мы делимся собственным опытом создания удобного и недорогого рисовального аппарата на базе микроскопа и компьютера.

Что такое рисовальный аппарат

Рисовальным аппаратом обычно называют приспособление, позволяющее зарисовать то, что человек видит сквозь окуляры микроскопа. Может показаться, что хорошая современная фотонасадка на микроскоп полностью заменяет рисовальный аппарат, однако это не так. Причин тому две. Во-первых, на матрицу фотонасадки попадает изображение с малой глубиной резкости, которое соответствует текущему расстоянию от объектива до препарата и регулируется микровинтом; работая с рисовальным аппаратом, человек имеет возможность крутить микровинт и рисовать плоскую проекцию деталей препарата, расположенных на разной глубине. Во-вторых, как бы ни была хороша фотонасадка, она даёт изображение сравнительно низкого разрешения и со множеством полутонов, которое нелегко превратить в часто требующийся исследователю черно-белый рисунок.

"Обыкновенный" оптический рисовальный аппарат — это насадка на микроскоп, которая при помощи оптической системы проецирует изображение листа бумаги, лежащего на столе рядом с микроскопом, в его окуляры. Такое устройство позволяет, видя увеличенный объект и кончик карандаша наложенными друг на друга, просто обводить контуры интересующих деталей. В англоязычной литературе подобный прибор называется camera lucida. Несмотря на массовое распространение цифровых фотонасадок, позволяющих передавать высококачественное изображение с микроскопа напрямую в компьютер, они не заменили оптические рисовальные аппараты. Нередко микроскоп с camera lucida используется параллельно с микроскопом, снабженным цифровой фотонасадкой.

Кому он может быть полезен

Любой выпускник биологического факультета способен оценить, насколько рисовальный аппарат был бы полезен на практических занятиях с использованием микроскопа, где традиционной является методика попеременных взглядов: в микроскоп — на бумагу с рисунком — снова в микроскоп... Несомненно, что такие занятия учат людей рисовать сложные объекты и контуры, однако вряд ли имеет смысл применять такую же методику в реальной работе.

Рисовальный аппарат незаменим во всех морфологических исследованиях, когда объекты требуется разглядывать в микроскоп. В некоторых областях — прежде всего там, где есть возможность сделать препарат прозрачным — на смену рисовальному аппарату достаточно успешно пришёл конфокальный микроскоп. Например, если раньше прокрашенные нейроны мозга было принято представлять в виде рисунков (camera lucida drawings), то теперь общепринятым стандартом стали их трехмерные лазерные сканы. В то же время есть множество объектов, которые не поддаются конфокальному сканированию — например, если не удаётся сделать их достаточно прозрачными, сохранив интересующие детали, или же если размер объектов превышает диапазон возможностей конфокального микроскопа. В этих случаях рисовальный аппарат по-прежнему актуален.

Какие бывают рисовальные аппараты и зачем понадобилось придумывать ещё один 

Кроме упомянутой выше оптической насадки, позволяющей зарисовать объект на листе бумаги, есть и более современные решения на базе компьютера. Микроскопы известных фирм (Nikon, Olympus и др.) с установленной на них фотонасадкой, как правило, комплектуются программами,  позволяющими рисовать поверх «живой» картинки, получаемой с микроскопа. Такой рисовальный аппарат  исключает этап сканирования рисунка с бумаги, и, кроме того, предлагает традиционно компьютерные «вкусности»: возможность без следа стирать часть нарисованного, обводить точными кривыми, работать с несколькими слоями изображения, измерять расстояния и т. п.

Когда мы подступились к решению задачи, нам грезился именно такой рисовальный аппарат на экране компьютера. А главная трудность состояла в том, что у нас не оказалось под рукой современного хорошего (и, разумеется, дорогого) микроскопа с цифровой фотонасадкой и мощным фирменным (тоже недешевым) программным обеспечением.  

Может быть, оно было и к лучшему, поскольку, как известно, нерешаемых задач почти нет. В итоге же мы получили способ изготовления цифрового рисовального аппарата из любого (без шуток, любого) микроскопа и нескольких дополнительных компонентов.

Что входит в состав нашего рисовального аппарата

1. Микроскоп

У нас был Jenaval, но подойдёт любой — тот, с которым вы работаете. Наличие тринокуляра предпочтительно, чтобы можно было, рисуя, заглядывать в окуляры.

2. Видеокамера.

Лучше всего — специально предназначенная для работы с микроскопом. Хорошая камера стоит хороших денег. В целях экономии можно приобрести недорогую китайскую, которых в последнее время всё больше, а сами они всё лучше. У нас была как раз такая. Если работать предполагается под Windows, то самое важное, что требуется от видеокамеры — её драйвер должен соответствовать стандарту WDM (Windows Driver Model). Таких среди интересующих нас камер большинство, однако перед покупкой лучше уточнить.

Очень хорошо, если в комплекте с видеокамерой будут переходники для её подсоединения к микроскопу: они, например, позволяют вставить камеру в окуляр. Мы использовали c-mount-адаптер, позволивший подключить камеру к тринокулярному гнезду - это не обязательно, но так удобнее.

3. Компьютер

Подойдёт любой из сравнительно новых, даже ноутбук (начинали мы как раз на ноутбуке). Если мощности компьютера будет не хватать, это проявится в невозможности работать с видео-картинкой высокого разрешения. По нашему опыту, следует обратить внимание прежде всего на объём оперативной памяти (1-2Гб -  уже хорошо) и способности видеокарты аппаратно работать с видео (современные дискретные видеокарты умеют). Для тех, кто планирует под эту задачу покупать новый компьютер, в конце статьи мы приводим характеристики нашего.

На компьютере нужна установленная операционная система. Мы наладили работу под Windows XP, но совсем не исключено, что всё заработает под Linux, Mac Os X или с другой версией Windows – нужно проверять, и мы будем благодарны, если вы поделитесь результатами таких тестов.  

4. Графический планшет

Теоретически — компонент не обязательный, поскольку рисовать можно и мышкой. Практически — необходимый. Можно выбрать планшет в зависимости от требований или исходя из бюджета. Чем лучше планшет, тем удобнее будет рисовать и тем точнее получится рисунок.  

5. Программное обеспечение

Здесь начинается самое интересное. Специализированные программы для рисования поверх живой видео-картинки в мире, конечно, есть, но они... скажем так, не соответствовали нашим аппетитам и финансовым возможностям. С одной стороны, нам хотелось иметь мощный графический редактор -  как было сказано выше, со слоями, кистями-эффектами, полноценной поддержкой графических планшетов и т. п. С другой — чтобы он умел подставить живое видео в качестве фона рисунка. Ну и чтобы платить за это великолепие по возможности мало, в идеале — ни копейки, ограничившись лишь стоимостью операционной системы. Графических редакторов в мире достаточно, есть среди них и бесплатные, но надо было как-то подставить в качестве фона рисунка видео-картинку, проецируемую в реальном времени с микроскопа. Это-то и оказалось самым интересным.

Решение нашей задачи было основано на правильном использовании общедоступного знания. Ниже мы постарались кратко объяснить, как и почему работает задействованная нами технология. Не желающие разбираться могут смело переходить к инструкции.

Оверлей: что это такое?

Видеопоток в Windows может воспроизводиться через особый режим DirectDraw, называемый Overlay (оверлей), при всем этом видеоинформация выводится не в видеобуфер, а в отдельную область локальной памяти видеоплаты, где она дополнительно обрабатывается аппаратными средствами самой видеоплаты. Подавляющее большинство программ-видеоплееров использует технологию оверлея для отображения картинки на экран, это снижает нагрузку на CPU и увеличивает качество картинки.

На рабочий стол оверлей выводится по технологии "хромакей". Вероятно, это слово знакомо тем, кто интересуется технологиями создания сложных сцен в современных кинофильмах: актеров снимают на ярком одноцветном фоне (как правило, зеленом или синем), а затем вместо фона подставляют нарисованный пейзаж или что-либо ещё.
При оверлейном отображении видео происходит всё то же самое: видеоплеер средствами Windows рисует окно, где должна отображаться картинка, и заполняет его "ключевым цветом", в данном случае этот цвет стараются делать малозаметным, почти черным; видеокарта, встречая на экране этот цвет, замещает его видеокартинкой. Обычно окно для вывода видео делается прямоугольным, но если где-то в пределах этого окна фоновый цвет экранных точек изменен, то видео в этом месте не выводится (например, таким способом можно наложить поверх видео субтитры, нарисовав их на фоне "ключевого цвета").

Проверить, работает или нет режим оверлея при воспроизведении видео, совсем просто: нужно попытаться сделать скриншот экрана - если на месте видеоизображения будет темный прямоугольник - значит, видео выводится через оверлей. А прямоугольник будет заполнен тем самым "ключевым цветом" (он может быть другим на вашем компьютере). Сохраните скриншот, он вам ещё понадобится.

Ноу-хау: использование общедоступного знания

Теперь следите за руками.

Берем видеоплеер, умеющий работать через оверлей и способный не только проигрывать видеофайлы, но и транслировать видеосигнал с подключенной к компьютеру видеокамеры (мы в основном использовали VLC media player, но пробовали также MPC; наверняка и другие плееры будут работать как надо).
Выводим на экран живую картинку с видеокамеры (для проверки можно взять и фильм про Джеймса Бонда).
Разворачиваем окно видеоплеера на весь экран (ещё лучше - выводим видео на рабочий стол)
Не закрывая видеоплеера(!) открываем графический редактор (для проверки можно воспользоваться даже MS Paint)
Окно графического редактора должно быть расположено поверх видео-картинки.
Теперь берем заготовленный скриншот окна видеоплеера с "ключевым цветом" и в редакторе заливаем этим цветом всю область для рисования. Если всё сделано правильно, то вместо однородного фона должна проступить видео-картинка. Если мы теперь будем что-либо рисовать в редакторе поверх видео каким-нибудь ярким цветом, то этот рисунок будет виден, поскольку в его точках "ключевой цвет" изменен и видео в них не отображается. В случае с векторным редактором вместо заливки фона нужно сменить цвет холста (canvas color).

Если всё работает как задумано, можно перейти к работе с микроскопическими объектами. Тут тоже есть свои тонкости, поэтому мы описали нашу обычную последовательность действий.

Работа с рисовальным аппаратом

1) Делаем препарат, устраиваем его под микроскопом, создаем приятное освещение, устраиваемся поудобней (монитор перед глазами, камера подключена, планшет под рукой, кружки-вкусняшки в пределах досягаемости).

2) Включаем камеру, настраиваем ее через "родной" софт - выдержка, разрешение, частота смены кадров, цвет, резкость, геометрическая коррекция - все, что надо.

3) Сохраняем параметры, закрываем родной софт. Открываем камеру через видео-плеер (но если вдруг "родной" софт камеры умеет выводить картинку в оверлее на рабочий стол - лучше будет им и пользоваться). Выводим видео на рабочий стол и делаем скриншот. Определив однажды "ключевой цвет" для оверлея, его можно добавить в палитру цветов графического редактора.

4) Открываем графический редактор и создаем в нем новый файл. Берем образец "ключевого" цвета, заливаем этим цветом фон - барабанная дробь - фон должен стать изображением с камеры.

5) Делаем второй (прозрачный) слой, выбираем себе палитру повеселей (чтобы не терялась на фоне) и можем приступать. Крутим микровинт в свое удовольствие, перемещаем объект (и рисунок вслед за ним, конечно), рисуем!

Тонкости рисования в растровом редакторе

Важно правильно подобрать масштаб отображения рисунка в редакторе и не пожалеть пиксельного размера, чтобы потом не было мучительно больно смотреть на ступеньки крупных пикселов вместо гладких линий.
Лучше всего иметь в виду будущую публикацию рисунка с минимальными изменениями, ведь эта техника позволяет рисовать сразу "начисто", в чем и состоит её прелесть. Расчет такой: в приличный журнал не берут рисунки с разрешением меньше 800 dpi в финальном размере (одна (80 мм) или две (168 мм) колонки при максимальной высоте 220 мм). Простой подсчет и, увы, печальный опыт показывают, что размер изображения, расчитанного на целую страницу, должен быть ни в коем случае не меньше 5300х7000 пикселов. Если планшет достаточно точный, то хороший рисунок делается в масштабе 100%.  Толщину линий лучше не жалеть - сначала так и тянет рисовать все однопиксельными, а это - большая ошибка. Линии контура при упомянутом размере холста должны быть не меньше 30, а лучше 40 пикселей, а самые тонкие - уж никак не тоньше 6. Тогда при уменьшении для печати их будет хоть немножко видно :) Если позиционирование пера неточное или приходится рисовать мышью, дрожание руки компенсируется уменьшением масштаба (50, а то и 25%) и пропорциональным увеличением размера холста и толщины линий, с последующим уменьшением рисунка в 2 или 4 раза. Но слабому компьютеру будет очень тяжело работать с таким большим холстом, поэтому можно вместо одного рисунка сделать четыре - на четыре четверти препарата - а потом совместить их уже готовыми. Совмещаются такие рисунки очень точно, потому что видеокамера "видит", как правило, только центральную, наименее искаженную, часть поля зрения микроскопа.

Как передвигать препарат и рисунок. Обычно микроскоп, дающий увеличения в 150-1000 раз, имеет предметный столик с двумя винтами горизонтального перемещения, а поворота препарата не допускает. В нашем случае это очень удобно: столик передвигается на новую позицию, при этом рисунок "съезжает" относительно подложки, но строго параллельно предыдущему положению. Нужно перетащить рисунок "рукой" так, чтобы уже нарисованные детали совпали с деталями фона - и рисовать дальше. Для перетаскивания, конечно, нужно, чтобы размер холста (canvas size) в графическом редакторе был достаточно большим. Если не угадали с размером сразу или начали рисовать не там - надо поменять размер холста, увеличив его в нужном направлении и повторив процедуру с пипеткой и ведром краски. В слое фона, конечно :)
Если микроскоп такого механизма не имеет, а объект больше, чем поле зрения камеры, то приходится избегать поворота - рисунок каждый раз вертеть нехорошо.

Вот, собственно, почти всё. Когда рисунок закончен (но не убирайте пока препарат и не выключайте камеру), под слой с рисунком подкладывается белый слой. В этот момент обнаруживаются какие-нибудь недоделки, которые были незаметны на фоне видео-картинки. Недоделки доделываются, рисунок преобразуется в черно-белый (разумеется, делать это не обязательно), экспортируется в нужный формат, печатается, рассылается коллегам, вешается на стенку, публикуется наконец!

Использованное нами оборудование:

микроскоп Jenaval
USB-камера ScopeTec DCM 500
графический планшет Wacom Intuos 4M и стило к нему

попробовали и отказались
мышь
тачпад
планшет Genius G-NOTE 5000 довольно низкое разрешение, что приводило к ступенчатым линиям и множественным "отскокам" от них при рисовании

Конфигурация компьютера:

Процессор Intel Core 2 Duo E7500 2.93 ГГц
Память 4GB
Жесткий диск 500GB
Видеокарта ATI Radeon HD 4550 512M

и ноутбука (Dell Inspiron 600m), который тоже работал, но с натугой:
Процессор Intel Pentium M processor 1.6ГГц 
Память 512 Мб
Жесткий диск 200 GB
Видеокарта ATI Mobility Radeon 9000

Общее правило - чем большее разрешение картинки будет давать видеокамера, тем более мощный компьютер требуется. Для невысоких разрешений (до 1280х900) и 15 кадров в секунду нашего ноутбука было вполне достаточно. А большая оперативная память окажется нелишней в том случае, если захочется рисовать в графическом редакторе большой плакат.

и программы:

Кроме операционной системы, всё распространяется под свободной лицензией.
Вот наш выбор на сегодняшний день:

Windows XP SP2 Home Edition Rus    http://www.microsoft.com/

VLC media player    http://www.videolan.org/

GIMP  http://www.gimp.org/
для растровых рисунков

InkScape  http://www.inkscape.org/
для векторных рисунков

пробовали, но понравилось меньше. Не исключено, что в ваших руках заработает как надо:

Media Player Classic (MPC)    http://sourceforge.net/projects/guliverkli/
    через раз подхватывал видеокамеру  

Paint.NET (v. 3.36)    http://www.getpaint.net/
    нет полноценной поддержки планшета Wacom под Windows XP

ArtWeaver (v. 1.0)    http://www.artweaver.de/ 
    склонен отдавать видеоплееру почти все ресурсы процессора, и их в результате не хватает собственно на рисование