2014年4月29日

自製光譜儀

延續上篇提到的自製光譜儀紙模型,首要的就是計算光譜儀的角度,然後就是用CAD軟體去畫出紙模型,最左邊是Public Lab的光譜儀,其他則依序是自製的光譜儀
  • DVD的透射光譜
  • CD的透射光譜
  • CD的反射光譜
  • DVD的反射光譜



2014年4月28日

Public Lab的光譜儀工作坊

4月初時,看到朋友鄭公子貼了一個活動連結,是Public Lab的共同創辦人Liz Barry要在台北國際藝術村舉辦小型DIY製作桌上型光譜儀的工作坊,想都沒想,立刻就報名參加了。

Public Lab是Public Laboratory for Open Technology and Science的簡稱(開放科技與科學公共實驗室),我在一年多前看到他們的網站時就好激賞,當時也學他們製作了光譜儀,不過時隔一年多,再看自己當時的作品,不覺啞然失笑,那些真是太不成熟了。

Liz來台主要是擔任OSDC(開源開發者大會)的講者,講題是「How Public Lab Collaborates to Make Environmental Science Something Anyone Can Do」,可惜當天我要上課,沒能去聽,朋友去聽了之後有感而發,寫下「自己的環境自己救」。因為PublicLab最近推的幾個計畫,分別是光譜儀和紅外線攝影和風箏空拍,當然每一項都和環境議題相關。除了風箏攝影我還沒玩過之外,其他幾個都曾經參考他們網站和相關討論而有製作的經驗。(相關介紹可以看這篇演講影片

晚間Liz的工作坊以製作光譜儀為主,並藉由雷射光束照射食用油來看不同油品產生的螢光光譜(請見此連結)。很巧地,當天看就看到一則小學生的科展新聞,是用雷射光驗假油,其實原理和作法都是一樣的。

這次參加工作坊,不僅免費,還有東西可以拿。左邊兩個都是Liz送的,如果是用買的,那一個是10元美金,最右邊那個webcam則是我後來跟Liz買的,好像花了台幣一千多元,買這的目的是要看看跟我自己做的有什麼不同,不過那算支線故事,之後再寫篇文章來細說。




當天Liz帶大家做的是這種webcam的光譜儀,細部作法在Public Lab的網站上都有資料
http://publiclab.org/wiki/dsk

結構很簡單,但每一步都有其道理,我來參加就是想知道這些Know-How
1.用DVD當作繞射光柵,貼在webcam鏡頭上。
2.用卡紙做成的黑盒子,提供狹縫產生單一方向的光線。
3.用接線盒當作整個裝置的盒子。





接線盒這個東西,讓我很感興趣,本來以為是客製化的商品,後來才知道原來是配電工程會用到的產品。事後我很想仿照他們的作品做一個,但就卡在接線盒這個東西上面。Public Lab用的接線盒看起來應該是PVC的材質,但是我遍尋新竹的配管材料行,都只能找到金屬製成的,相當重。即便如此,但我也還是買了兩個不同的尺寸回來,一個是150元,不過我到現在也還沒用那個接線盒作出來就是了。(購買地點是竹北的總來配管材料有限公司)

除了webcam的光譜儀外,Liz送大家的光譜儀是這種摺紙的光譜儀。用摺紙來作光譜儀,這不算新奇,網路上就可以搜到很多,但這種和一般不同的地方有幾處,一是觀察透射光譜,而一般是觀看反射光譜。二是特別計算角度,讓拍攝時鏡頭能正對光譜,三是則是體積小。



說來慚愧,七年前我第一次做直視型的光譜儀時,根本就沒有想到要計算角度,以至於光譜產生時都是在偏離觀測的中心。

在實際看過Public Lab的兩款光譜儀之後,我回頭重新讀了一次過去沒弄懂的物理,然後又自學了幾個軟體,目的是想自己在重新製作光譜儀。結果我連續幾周都在進行和光譜儀有關的科學Project,玩CAD軟體、算三角函數...什麼都來了,每個部份都足以讓我寫一篇文章,我看大概可以寫個五六篇吧,這串應該要寫很久,所以就先把幾個重點抓出來。

  • 光譜儀的角度計算
  • 以FreeCad+LibreCad 製作光譜儀紙模型,與其它建模軟體介紹
  • 狹縫的製作方式
  • 數位光譜儀的製作(webcam/cellphone)
  • 光譜儀的分析方式(imagej+Libreoffice Calc/Excel)
  • 光譜儀的校正方式(省電燈泡/藍光、綠光、紅光雷射)
  • 光譜儀的應用:太陽光譜、玻璃紙的穿透光譜、LED的光譜、葉綠素的吸收光譜。

2014年4月20日

黏蚊板再出動

今年地下室的蚊子,感覺比去年還多啊,於是我又出動了抓蚊子的絕妙工具-黏紋板。其實我本來不想弄這個的,不過蚊子真的多到一種很恐怖的程度。

板子擺上幾天,就變成這樣了。



過了一週再收回,我估算大約抓了兩千隻,後來我把背面也噴了黏膠,結果又是兩千多隻。兩週的數量,我推算約有五千隻,你可以想像這有多嚇人吧。不過只是抓成蟲,那是治標不治本。源頭其實是來自地下室很難處理的積水,我想我改天來放劍水蚤試試看吧。(詳情要
搜尋「以劍水蚤防治登革熱病媒蚊幼蟲先驅計畫」」



延伸閱讀
驅蚊劑-科技大觀園
http://goo.gl/mLHBtB
蚊子剋星-科技大觀園
http://goo.gl/wMTUyY

imagej將時間資料視覺化

昨天看Make雜誌時,看到第27期有篇Visualizing With ImageJ,講的是如何用imagej將資訊視覺化的處理方法。這篇在imagej的官網上也有電子檔。

為了讓自己更熟悉這些處理方式,所以我就到youtube 找了一些影片來學習怎麼處理。

材料是這個影片(草履蟲游來游去),要把裡頭蟲體隨時間泳動的空間資訊轉化為用一張圖來呈現。


這種方法之前用startrail這種星軌軟體作過,這回則是用imagej來實踐!

影片轉圖片
imagej內建可以匯入avi,不過這些youtube上下載的影片格式都是mp4,所以我得先用別的軟體轉檔。這個任務當然交給ffmpeg,如果是windows下,可以用阿特拉斯的Extra.Movie to Gif來完成。

文字列的轉檔方式如下
ffmpeg -i source.mp4 -ss 00:00:00 -t 00:50:00 -r 3 output%03d.jpg

-ss是起始時間,-t是經過時間,若是要全部影片都轉檔,這兩個值不用打也沒關係
-r 指的是fps,預設值是25,也就是說若有10秒的影片,則是可以轉出10x25張的圖片。-r 後面的數字可以使用分數,例如1/2,這就表示每兩秒才轉出一張圖片,所以10秒的影片會轉出5張圖片。


匯入Imagej
匯出圖片之後,開啟imagej,用File/import/Image Sequence...,選取這系列圖片的第一張,就可以直接把其他圖片都匯入成一個stack。

若是匯入的影片太大,可以用 Image/Crop 直接裁切整個Stack的圖片。

然後用 Image/Stacks/Z Project... ,設定Projection Type為 Min Intensity,這樣就可以產出草履蟲的移動軌跡了。




如果Stack裡頭的圖片太多,可以用Fiji 裡的Image/Stacks/Reslice Z 重新切過把stack裡頭的圖片弄掉。


不同的數量,做出來的圖片就不同喔。左下角是104張圖片做的,右下角則是52張圖片做的。


Montage
資訊視覺化的另外一種方式,則是做成組圖,利用以下指令 Image/Stacks/Make Montage...
然後設定欄列數量和邊框,這樣就可以了。



Kymograph
另外一種資訊視覺化的方式,我覺得實在很有趣。在原作者的文章中,他想知道他家的鳥孵蛋和覓食的時間分佈狀況,所以就拍了一整天的影片,然後把影片匯入imagej之後,同樣轉成一個Stacks,再把蛋區的部份crop了一長條做成Montage,這樣就可以很清楚的知道,那隻親鳥孵蛋和覓食的時間分佈了。

我仿照他的例子,來作一個草履蟲的空間與時間的分佈圖,下圖是在原本的Stacks中切了一長條的位置,然後再把Stacks變成Montage。這樣就可以知道那個區域在什麼時候會有草履蟲來了。



同樣的作法,我也拿來某個日出到日落的縮時攝影影片匯入成Stack之後,然後在空中切一小條之後,做成一張組圖,這樣就可以很清楚的知道天色的變化了。



這種將帶有時間資訊的影像扁平化的方式,在日本的定點觀測計劃中,就有看到不少例子,無論是比較全年的日照時間,或是稻田顏色變化等,長期的資料累積下來,看到的樣貌都是非常迷人的。


除了本篇講的幾種視覺化方式,原作者還提出了其他幾種資訊

  • IMAGE CALCULATOR:TWO IMAGES COMBINED
  • Z-PROJECT A STACK:LIGHTNING FLASH
  • COLOR-CODING TIME: STAR PATHS ACROSS THE NIGHT SKY
  • IMAGE PROCESSING WITH A SPREADSHEET

2014年4月19日

水結冰的微觀縮時影片

晚上突發奇想,想來拍拍微觀水結冰的影片,查了一下科學Maker的社團,剛好前人也拍過,方法都相同,都是把手機顯微鏡整組放到冰箱冷凍庫裡。

為了讓水結冰快點,所以水放的不多。拍攝範圍鎖定邊緣部份,也是為了能快點拍完。

總計拍攝時間是10分鐘,後來再把影片加快10倍,就成了這樣。

拍攝微觀電擊影片

上回有說Scimage有個臉書社團是科學Maker,他每週弄了一個主題,讓大家根據主題拍照。昨天週五他提了一個主題是物理現象,然後社團中一位張醫生說想拍閃電,結果我就很不要臉的拿走人家的創意,拍了閃電的微觀影片了。




拍攝方式是把壓電素子的電極接出來放在載物台上



編輯影片的時候,看到閃電出現的影格比聲音早了一格,是個光速比音速快的例子




說真的要不是張醫生的創意,我這輩子應該不會想到要拿顯微鏡拍閃電,以前最多只有拍電手指的樣子啊 為什麼電到會那麼痛

2014年4月16日

用CT SCAN做自己的3D模型

內弟韓醫生跟我說他們醫院最近進了新的斷層掃描機,正式營運上線要先做一些測試,需要一些自願者進去被掃描一下,聽到這個,當然高舉雙手喊「選我選我」。

喬了幾個時間,終於找到我有空,機器也有空的時間。然後去掃描了幾個部位,分別是腦、心和髖部。

自己想去做斷層掃描,其實不只是為了醫療,心裡頭更想要做的是看能不能做成3D模型,印一個自己的器官。不過該怎麼處理醫學影像呢?我沒這方面的經驗,所以開始在網路上尋找能處理的軟體。

結果意外的發現,原來imagej就可以開啟那些DICOM檔,然後直接做成3D影像了。不過要再安裝3D Viewer這個plugin。把那些掃描出來的DICOM檔,用File/Import/Image sequence..的方式把那些檔案匯入imagej變成一個stack,然後再開啟3D Viewer,就可以變成3D影像了。

例如心臟和下面的腦都是這樣開的。





也許你有注意到,開啟的軟體並不是單純的叫做Imagej,而是叫做「(Fiji Is Just)  Imagej」的軟體,誠如軟體的名字所言,Fiji其實就是imagej,它是把許多生命科學研究相關的plugin預裝好的imagej。裡頭眾多的Plugin,我還沒細看過,但粗略看過的結果,發現一些plugin,可能可以解決過去我的一些分析問題。


imagej的3D Viewer,可以設定看Volume還是Surface,若要匯出成STL檔,則是要選擇檢視surface才可以。不過我發現光是靠Imagej處理表面的多邊形細節來輸出,實在不夠力,所以我繼續尋找可以使用的軟體。


Devide
後來在Youtube上找到這段影片《Extracting STL surface from CT data with DeVIDE》,完全符合我的需求,我只要跟著做就可以了。

使用的軟體有二,一個是Devide,另一個是Meshlab。在Devide裡頭使用的模組包括以下這些:

  • slice3dVWR
  • DICOMRreader
  • doubleThreshold
  • seedConnect
  • closing
  • contour
  • wsMeshSmooth
  • Quickinfo

Meshlab在網路有些教學,例如這篇就教了怎麼減少表面多邊形,不過像我在Devide就已經用wsMeshSmooth處理過了,所以也不一定要進去Meshlab來處理。

做出來的STL檔案,看來還不錯,不過還沒辦法去做成3D模型,因為我還沒搞懂怎麼把內部的細節填滿,還有頂和底的洞到底要怎麼封閉。那些問題搞定之後,才可以送到切片軟體去轉Gcode。





前面用的Devide,門檻有點高,我做了幾次都還是得邊看影片才會邊操作,所以我又在 Youtube找相關的操作影片,又找到一個軟體,名字叫做Invesalius。Invesalius的界面簡單,功能也很強,可以直接用預設值做出骨骼、脂肪、皮膚或肌肉等遮罩。不用多作設定,就可以將原先的橫切圖,直接產生出另外兩個方向的切面。

有中文界面,產出的3D圖,甚至可以把皮膚、肌肉和骨骼設定不同的透明度,然後同時呈現。有興趣看看這個用豬頭做3D模型的影片,就知道它的長處了。

2014年4月12日

河濱公園的毛車錢草

春天是一個什麼都會長得亂七八糟的季節,這天跟梅子到河濱公園走走,意外看到一大~~~片的車前草,回來隨便亂查了一下,大概是毛車前草吧。
IMG_20140412_172923



PANO_20140412_172933

Scimage的手機顯微鏡

先前因為看到Instructable上有人做了手機變身顯微鏡的台子,自己也仿著弄了一個,也分享給周遭的一些朋友。

本來心想這種裝置應該就是這樣了,要改些什麼大概也不多吧。但是後來看到經營科學影像Scimage的江老師也做了一個(看這手機變身數位顯微鏡),雖然自己已經有一些了,不過心裡就是也想要,於是加入了江老師的科學Maker社團,提出贊助的申請,拿到了第一波的顯微鏡。不用多說什麼,比較精巧那個就是Scimage的顯微鏡台啦。


顯微放大是很簡單的事情,不過就是手機或平板的鏡頭前面加上一個雷射筆的凸透鏡,然而要真的提高易用性,可就不是那麼容易達成的。我用一個作過幾百台的苦力角度來評析推薦Scimage的顯微鏡台。

1.擴充性
整體尺寸小而輕巧,但大的平板如iPad怎麼放呢?Scimage就設計出擴充模組,加上去之後就可以擺放大型平板了。除此之外,還會有偏光模組、單眼模組、金相模組.....。


2.解析度
看到顯微鏡,外行人問的是「放大幾倍」,內行人要問是「解析度是多少」。倍率和解析度差在哪?請問,你用一般相機拍朵路邊小花,然後放大投影到電影銀幕那麼大,這個倍率都上萬倍了,那你覺得銀幕上會看到細胞核嗎?放這麼大會看到病毒嗎?你看到的一定是模糊的影像了,因為解析度不夠嘛。(在這種在手機的顯微鏡台上,倍率要高就用大平板,然後再加上裝置的數位放大就行。)

那解析度呢?江老師說這裝置的解析度理論上是到1µm(印象中新的單眼模組好像是到0.5µm),因為是用鏡頭組取代單鏡片。

有關鏡頭組怎麼增加NA呢,我找了疊合模擬軟體來測試,透過鏡頭組讓物距縮短,而N.A.=n·sinα,疊合可以讓α變大,進而增加N.A。解析度的計算為 r = 0.61λ/N.A. 。NA增大就可以縮小r,亦即提高解析度,讓兩點在更小的距離仍然可被分辨。這樣合成的新透鏡,焦距會縮短,倍率會更大。

幾個參考網址如下
http://arachnoid.com/OpticalRayTracer/index.html


3.光源

LED加上3V鈕扣電池是最容易使用的光源,最簡單的用法是LED直接扣在電池上面,要再穩固一點就用衣夾夾住,而Scimage的這款是設計壓克力底座結合電池和LED,看起來就很有質感。


而用LED照明時,會出現中央過量的亮度不均勻的問題,江老師是透過載物台上黏貼3M無痕膠帶製作的光源擴散片來解決這個問題。



4.穩定性
前面說過,要放大就拿凸透鏡放在手機鏡頭前就好,但光是那樣的設計,實用度不高。所以必須有穩定的平台。

從上而下說起,如果是過去的設計,是在壓克力板上用螺母來穩固螺絲,而這樣就會讓頂板多出螺母的高度,在放置平板或是手機時,就會是個障礙。江老師的設計是壓克力板預攻螺紋,可以讓螺絲鎖上去之後,頂板一片平坦。


載物台的抬升機構,不用原先的蝶帽加上華司,改用一個法蘭螺母跟兩個一般螺母包覆膠帶,再外覆熱縮套。法蘭螺母有邊緣,就可以讓載物台夠穩固。這樣的機構很費工,但是提昇了使用的手感。且螺絲螺母都使用鋼製的,能夠提高耐用性。


載物台和頂板之間則是以泡綿製作載物台的穩定墊,避免載物台在使用時的晃動。底座增加防滑膠墊,增加穩定性。



5.科學普及

大家看到這樣的好東西,第一個想法就是哪裡買?多少錢?不過江老師並非要營利,而是透過分享與推廣讓科學更普及,所以他要大家自己自由贊助金額。

我自己作過類似結構的東西,大概知道材料成本會落在哪個範圍,可是成本不能只有算材料,因為還需考慮撿料和預組裝的人力與時間成本。別問我應該贊助多少,我只能說,那真的非常耗時費力,提醒贊助者應該要連這個部份一起評估進去。


過去想要拍顯微影像,得一定要有顯微鏡才行啊,但這一般家庭不可能有啊,所以顯微攝影因為設備限制,所以這麼有趣的事情被封鎖在學校或是學術圈裡,因為它就是件平常人不能作到的事情。不過當人手都有平板或智慧型手機,再加上這樣的顯微鏡台之後,「顯微攝影」從枷鎖裡釋放出來了,在科學Maker社團裡,每天都會看到有人張貼他們拍攝生活周遭的顯微事物,從細沙、花草到布料,這真實的作到科學普及啊!

觀察社團裡的互動,不禁要深思了,是不是我們的學生在13歲看完蕨類孢子之後,就再也沒有碰過顯微鏡了呢。

綜合以上,這些設計足以給4顆半的星星,另外半顆等我到科學Maker社團裡集點拿到其他模組之後再給。集點?這也是我很佩服江老師的一點。

有了硬體可以拍顯微影像,然後呢?是不是拍了幾張就會把東西收起來了呢?因為江老師會陸續再設計一些模組,然後也希望這些模組能被願意持續使用與分享的人所用,所以就設計了每週主題,讓大家根據主題仔細觀察身邊事物並拍攝下來上傳社團,也就因為這樣,所以才能一直在社團裡看到大家的分享。(我真的覺得國中生物老師要學學這招)



給自己的後記
當初我做了自己那款的顯微鏡之後,我有預留一些要給我學生用來觀察,但是發現收納是個問題,因為體積大,一個紙箱裝不了幾個。後來就想到,未來要再做的話,我就會改成三角或梯形,然後不裝底板,螺絲高度從原先的會改成兩吋或兩吋半,載物台會縮小,不要再作突出的版本,所以頂板和載物台的鑽孔位置也會改。

2014年4月7日

用BKChen+Inkscape+TinkerCad製作化學結構式模型

前幾天做了《以inkscape和freecad製作化學結構式模型》,那時候毅然決然把BKChem這套軟體排除在外,但後來我發現是我沒善用它啊。

畫化學分子當然還是用專用的軟體比較好啊,所以以下第一個影片就是教怎麼畫血清素(Serotonin)的結構式囉,除了自己慢慢把環啊線啊湊在一起之外,還可以用SMILES的方式來畫。



以Serotnin這個化學分子為例,若用SMILES來描述,就只要用下面這行就可以了。
C1=CC2=C(C=C1O)C(=CN2)CCN

其他模型的SMILES描述方式,可以在Chemspider這個網站中查詢到。

不過BKChem這個軟體目前還不能接受太複雜的SMILES的表示法,像我本來想用它來畫催產素,不過就因為這個問題,所以只能認命地慢慢畫啊。

檔案儲存的格式是svg,剛好可以餵給Inkscape用。Inkscape開啟之後,先把圖形取消群組之後,把個別線條都加粗,方法是[物件/填充與邊框],然後刪掉一些不要有的元素符號,做好微調之後,就把這個圖形匯出成png檔,然後再匯回來,用[路徑/描繪點陣圖]製作封閉曲線的圖,弄好之後存檔就可以交給下個軟體了。



下個軟體用的是Tinkercad,是一個免費製作3D模型的網站。這裡會利用它來讓平面的svg變成立體的,然後再加上代表氧和氮的分子,最後再匯出成stl檔案就可以了。










(後記,後來發現這影片有點多餘,其實要把粗線條轉成路徑,只要用Ctrl+Alt+C 物件邊框轉路徑)就可以了!






最後貼一張,這個就是畫出來然後去作3D列印的催產素模型,還可以當項鍊喔!

2014年4月4日

imagej處理大地衛星Landsat的影像

這篇要教的是怎麼用imagej處理Landset的衛星圖像,處理是最簡單的事情,而弄懂衛星在做什麼然後選對資料下載,反而是比較難的事情。

為什麼要用Landset衛星呢?因為它是免費下載的,而且是從1972年衛星噴上去之後的圖像都可以下載。這Landset衛星目前噴上去七顆了,最近噴上去的那顆是Landset8,編號到8,但是只上去7顆是因為6號沒到軌道上,所以就沒算它了。雖說有八顆,不過目前只剩下七號和八號在運作(看這)。




2014年4月3日

用imagej分析海溫,以NASA Earth Observations為例

這篇要教學的是用imagej來測量海水溫度,這很簡單的!就把imagej放進海水就可以了啦。(最好是啦)

如果是想知道台灣的海水溫度,那就中央氣象局的海溫分析就有啦

但如果目標是全球的呢?那就要找NASA的資料了,NASA Earth Observations,簡稱NEO,要教的項目包括:

  • 如何搜尋海溫資料
  • 如何用線上工具分析
  • 如何做校正(Calibrate),製作Calibrate bar
  • 如何在NEO的FTP搜尋資料
  • 將圖片做成堆疊(stacks)的方法
  • 疊圖分析
如果用貼圖一步一步講,教的也很難,學得也困難。所以乾脆用影片來呈現,以下!



**線上工具分析



**製作Calibrate bar



**疊圖分析

2014年4月1日

3D列印光電比色計的比色槽座

這應該算是弄了3D印表機之後,第一次弄「正事」吧,學校的光電比色計是unico 1100RS這型號,老王說那那比色槽座好像還蠻脆弱的,問我要不要印一個來。

一個月前,這我可不敢答應,因為還沒弄懂怎麼做3D模型。不過人總是要學東西的,自己就摸懂了FreeCad這軟體,然後就做了一個,也堪用呢!目前也放去thingiverse3D資料庫裡。不過我想應該不會有人跟我有同樣需求啦。





黑色的是原廠的比色槽座,前陣子使用丙酮已經不小心傷了一些,所以得趕快做一個出來備用啊。



imagej分析RGB值,以天空為例

最近有個科學新聞吸引我的注意,有科學家利用藝術家的畫作來分析天空的污染程度,這基本原理是這樣,當火山爆炸,或是空污嚴重,會造成短波的藍光散射嚴重,留下波長較長的紅光,所以天空就特別紅。

科學家透過藝術家的畫作來分析,再和火山噴發事件等資料做對比,發現畫作中紅色和綠色的比例,與空氣微塵含量呈現高度正相關。

詳細新聞可以看這裡《畫作的天空顏色 過去大氣資訊》

在研究裡,到底科學家怎麼分析紅色綠色的比例呢?我翻了一下原始論文,我沒怎麼細看,這部份似乎沒怎麼提到,也許算是很基本的分析方法吧,我猜想應該分析RGB值吧。

怎麼分析RGB呢?將近五年前寫過一篇,不過那時候都是用圖來說明,這次我來放影片說明吧。

以下影片有三段,第一段用的是 imagej現成的工具,把圖片拆成三個色頻「image/color/split channels」,然後個別分析「analayze/measure」。

第二段講的是用plugin來分析,這些plugin的畫面和網址都附在下面了。安裝的方式在頁面裡頭都有些,把外掛放到安裝imagej路徑的plugin資料夾,有的只要重新開啟imagej就可以啟動了,有的再多作一步 Plugins/Compile 就行了。

第三段講的就是分析兩種不同顏色的天空,可以怎麼做?質性的描述顯然不夠,所以需要量化的分析告訴人家說RGB值怎麼分佈。







Colour Histogram
http://rsb.info.nih.gov/ij/plugins/color-histogram.html







參考

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