Sharpness down to the last fiber – digitizing herbaria with the new focus stacking tool

What we are familiar with on a small scale at home, when we have collected, dried and pressed leaves in the fall, also exists in science − albeit on a completely different level and with considerably more effort: In herbaria, plants or parts of plants are collected, the respective name is added, as well as the collector and the place of discovery.  One of the purposes of such a collection is to compare the archived plant with others that are still growing. Herbaria play a particularly important role in botany, but other sciences, such as archaeology, can also benefit from them. Last but not least, such a collection also offers everyone who is interested exciting insights and orientation in the world of flora. Whether science or “just” amateur interest – when an herbarium is digitized, a large audience gains access to a huge database with detailed illustrations and associated information at the same time and without significant effort.

Impressive technology for the highest demands

One such digitization project is currently underway at the Thuringian University and State Library Jena (ThULB). The huge holdings (approx. 4 million plant specimens) of the Haussknecht Herbarium (JE) (https://www.thulb.uni-jena.de/thulb/standorte/herbarium-haussknecht) are being digitized here. The collection was named after the pharmacist and botanist Carl Haussknecht (1838-1903), who laid the foundation in 1896.

In addition to the collection of dried plants and other plant specimens, the Haussknecht herbarium (JE) also includes an important specialist botanical library and an archive on the history of botany. The digitized plant specimens are made available to the public via the virtual herbarium (https://www.herbarium.uni-jena.de/32/virtuelles-herbarium).

Thanks to generous funding from the Thuringian Ministry of Education, Science and Culture, the ThULB, together with the Senckenberg Institute for Plant Form and Function Jena (SIP), was able to purchase our high-performance scanner book2net Archive Pro A2+ to expand the digitization possibilities especially for herbarium specimens.

The book2net Archive Pro has been equipped with our M150 camera, which now also uses the new “Focus Stacking Tool” for the first time. This is an ingenious method for capturing every area of the objects to be digitized in detail and with absolute sharpness.

For a true-to-scale, brilliant image in high resolution, which also guarantees a constant depth of field across the entire area being captured, an even surface level is the ideal prerequisite. However, plants or parts of them, such as flowers, do not have flat surfaces, but three-dimensional structures. As it is unthinkable to “flatten” such precious unique specimens using a glass plate, focus stacking, also known as focal plane merging or focus blending, is used in this case to create images with exceptional depth of field.

The new focus stacking tool

Focus stacking is a method of maximizing the depth of field of an image.

Several images of an object are taken within a very short time, whereby the focus point is shifted slightly with each image. In this way, a new, very small area is precisely captured step by step for each image. These images are then stacked using the software, i.e. combined in such a way that only the sharp areas of each photo are integrated into the final image. The end result is a consistently sharp image with maximum detail.

We offer two methods for this: firstly, changing the focal plane by moving the camera to a new position on the camera slider, whereby the secure fixing on the slider also prevents any shifts or distortions, and secondly by controlling the lens and the focus setting via a motorized focus. In both cases, the process can be precisely programmed using presetting in our scanning software. The result is a razor-sharp image of incredible detail, which can provide scientists with new information for analysis and comparisons and is a real eye-catcher for aficionados.

However, focus Stacking is not only the ideal solution for the digitization of herbaria but is also suitable for all collections whose objects have three-dimensional structures and whose details are to be examined more closely: whether insects, coins, pottery fragments, textile fragments, etc. – there are virtually no limits to the possible applications.

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    Schärfe bis in die letzte Faser – Digitalisierung von Herbarien mit dem neuen Fokus-Stacking-Tool

    Was man in kleinem Rahmen von zu Hause kennt, wenn man schon einmal im Herbst Blätter gesammelt, getrocknet und gepresst hat, das gibt es auch in der Wissenschaft − wenn auch auf einem ganz anderen Level und mit erheblich mehr Aufwand verbunden:  In Herbarien werden Pflanzen oder Pflanzenteile gesammelt, der jeweilige Name dazu geschrieben, ebenso der Sammler und der Fundort.  Eine solche Sammlung dient unter anderem dazu, die archivierte Pflanze mit anderen, noch wachsenden, zu vergleichen. In der Botanik spielen Herbarien eine besonders wichtige Rolle, aber auch andere Wissenschaften, wie beispielsweise die Archäologie, können von ihnen profitieren. Nicht zuletzt bietet eine solche Sammlung auch dem Laien spannende Einblicke und eine Orientierung in der Welt der Flora. Ob Wissenschaft oder einfach „nur“ Liebhaberinteresse − wenn ein Herbarium digitalisiert wird, erhält eine breite Öffentlichkeit zur gleichen Zeit und ohne nennenswerten Aufwand Zugang zu einer riesigen Datenbank mit detailgetreuen Abbildungen und den zugehörigen Informationen.

    Beeindruckende Technik für höchste Ansprüche

    Ein solches Digitalisierungsprojekt läuft derzeit an der Thüringer Universitäts- und Landesbibliothek Jena (ThULB). Hier werden die riesigen Bestände (ca 4 Millionen Pflanzenbelege) des Herbarium Haussknecht (JE) (https://www.thulb.uni-jena.de/thulb/standorte/herbarium-haussknecht) digitalisiert. Benannt wurde die Sammlung nach dem Pharmazeut und Botaniker Carl Haussknecht (1838-1903), der 1896 den Grundstock dafür. Das Herbarium Haussknecht (JE) umfasst neben der Sammlung getrockneter Pflanzen und anderer Pflanzenpräparate auch eine bedeutende botanische Spezialbibliothek sowie ein Archiv zur Geschichte der Botanik. Die digitalisierten Pflanzenbelege werden der Öffentlichkeit über das virtuelle Herbarium (https://www.herbarium.uni-jena.de/32/virtuelles-herbarium) zugänglich gemacht.

    Dank großzügiger Förderung des Thüringer Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Kultur konnte die ThULB gemeinsam mit dem Senckenberg-Institut für Pflanzenvielfalt Jena (SIP) unseren Hochleistungsscanner book2net Archive Pro A2+ erwerben, um die Digitalisierungsmöglichkeiten speziell für die Herbarbelege zu erweitern.

    Der book2net Archive Pro wurde mit unserer M150 Kamera ausgestattet, bei der nun erstmals auch das neue „Focus-Stacking-Tool“ zum Einsatz kommt. Dahinter verbirgt sich eine raffinierte Methode, um jeden Bereich der zu digitalisierenden Belege detailgetreu und mit absoluter Schärfe abzubilden.

    Für eine maßstabsgetreue brillante Aufnahme in hoher Auflösung, die zugleich eine gleichbleibende Schärfentiefe über die gesamte Aufnahmefläche hinweg garantiert, ist eine plane Vorlagenebene die ideale Voraussetzung.

    Nun bilden aber Pflanzen oder Teile von ihnen, wie zum Beispiel Blüten, keine exakte Ebene, sondern weisen dreidimensionale Strukturen auf. Ein „Plattdrücken“ der kostbaren Unikate mittels einer Glasplatte ist undenkbar, daher findet hier nun das Focus Stacking, auch Tiefenschärfestacking oder Schichtaufnahmeverfahren genannt, Anwendung, um eine Aufnahme mit außergewöhnlicher Schärfentiefe zu erzeugen.

    Das neue Fokus-Stacking-Tool

    Focus Stacking ist ein Verfahren, um die Schärfentiefe eines Bildes zu maximieren. Dabei werden innerhalb kürzester Zeit mehrere Aufnahmen eines Objektes gemacht, wobei der Fokuspunkt bei jeder Aufnahme leicht verschoben wird. So wird pro Aufnahme schrittweise jeweils ein neuer, nur ganz kleiner Bereich präzise erfasst. Diese Aufnahmen werden anschließend mithilfe der Software quasi gestapelt, d.h. so kombiniert, dass nur die scharfen Bereiche jedes Fotos in das Endbild integriert werden. So erhält man als Endergebnis ein durchgängig scharfes Bild mit maximalem Detailreichtum.

    Wir bieten dafür zwei Verfahren an: zum einen die Änderung der Fokusebene, indem die Kamera auf dem Kameraschlitten in eine neue Position gefahren wird, wobei die sichere Fixierung am Schlitten zugleich jegliche Verschiebungen oder Verzerrungen verhindert, zum anderen durch die Steuerung des Objektives und der Fokuseinstellung über einen Motorfokus. In beiden Fällen kann eine genaue Programmierung des Prozesses über Presettings in unserer Scansoftware erfolgen. Das Ergebnis sind gestochen scharfe Bilder von unglaublichem Detailreichtum, welche der Wissenschaft neue Informationen für Analysen und Vergleiche liefern können und für den Laien echte Hingucker sind.

    Focus Stacking ist aber nicht nur für die Digitalisierung von Herbarien die ideale Lösung, sondern bietet sich für alle Sammlungen an, deren Objekte dreidimensionale Strukturen aufweisen und deren Details genauer in Augenschein genommen werden sollen: ob Insekten, Münzen, Tonscherben, Textilfragmente etc. – den Einsatzmöglichkeiten sind kaum Grenzen gesetzt.

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