Carolin Haug, Joachim T. Haug, Dieter Waloszek, Andreas Maas, Roger Frattigiani, and Stefan Liebau

In this paper, we present methods how to make highly detailed images of limestone fossils. One important way to do that is to take not just one image of the whole specimen, but to take several images of the specimen. Each image should, furthermore, be taken as a stack, that means that one has to focus through the specimen and take images at different focal planes. All these images can then be combined, and the result is a high-resolution image, which can, e.g. be printed out at poster-size. Moreover, we use black (UV) light (together with special filters), which makes the fossil glow but not the matrix, an effect that has been used by palaeontologists since long. But not all fossils glow under black light. We found out, that some fossils glow under green light (which must also be used with special filters). With this new finding, we get contrast between fossils and matrix in specimens from the Lebanon and Zandt (close to Solnhofen), which normally does not work with black light. The reason for the different reaction of fossil and matrix to certain wavelengths might be, that the fossils contain the element phosphorus, but the matrices not. We could also make three-dimensional images. Some were taken from already three-dimensionally preserved fossils, which we put into a medical computer tomograph (CT). Others, which were almost flat, were put under a confocal laser-scanning microscope (cLSM), or normal stereo images were taken and processed with special software. When putting all these methods together, one can produce a high-resolution data set of the whole specimen, a “virtual specimen”. This can then be used for additional studies without the need of taking new images of the specimen directly.

Resumen en Español

NUEVOS MÉTODOS PARA DOCUMENTAR LOS FÓSILES DE LAS CALIZAS LITOGRÁFICAS DEL SUR DE ALEMANIA Y LÍBANO

Presentamos diversos métodos de documentación ensayados con ejemplares fósiles procedentes de calizas litográficas de tipo Solnhofen (Jurásico superior, sur de Alemania) y de sedimentos similares del Cretácico superior de Líbano. Uno de los principios de partida es la elaboración de imágenes compuestas. Para ello se combina la fusión de imágenes, es decir la coalescencia de varias imágenes de la misma área pero con diferentes planos de enfoque, lo que resulta en una única imagen con una gran profundidad de campo, con el cosido de imágenes (stitching), por el que se combinan imágenes fusionadas de distintas áreas para conseguir una imagen de alta resolución del ejemplar completo. La base de las imágenes compuestas pueden ser imágenes tomadas con luz normal pero, dado que la mayor parte de los fósiles de calizas litográficas de tipo Solnhofen son autofluorescentes bajo luz ultravioleta, también se pueden utilizar imágenes de fluorescencia ultravioleta. En este contexto, damos a conocer un nuevo tipo de fluorescencia para especímenes que no muestran buena fluorescencia ultravioleta, es decir los del lagerstätte de Zaandt y algunos de Líbano. Estos ejemplares fluorescen en naranja cuando se exponen a luz verde. Los ejemplares de Líbano que muestran fluorescencia verde-naranja han sido analizados con microscopía de barrido láser confocal (cLSM). De los fósiles que tienen un alto relieve se han obtenido imágenes estereoscópicas, a partir de las cuales pueden elaborarse modelos tridimensionales. A un ejemplar de gran tamaño, no deformado por compactación, se le ha aplicado la tomografía axial computarizada (TAC), utilizada en medicina. Todos estos métodos facilitan la elaboración de imágenes de alta resolución de especímenes completos (= “especímenes virtuales”). Además, algunos ejemplares, tanto de las calizas litográficas de tipo Solnhofen como de Líbano, han sido analizados mediante  espectroscopia dispersiva de rayos X (EDX)  para conocer su composición elemental. Los fósiles difieren significativamente de la matriz circundante por contener un 6-14% de fósforo.

PALABRAS CLAVE: elaboración de imágenes compuestas; tomografía computarizada; visualización en 3D; fluorescencia ultarvioleta; fluorescencia verde-naranja; Solnhofen.

Traducción: Miguel Company

Résumé en Français

Une nouvelle méthode pour documenter les fossiles des calcaires lithographiques du sud de l’Allemagne et du Liban.

Nous présentons différentes méthodes de documentation testées sur des spécimens fossiles provenant de calcaires lithographiques du type Solnhofen (Jurassique supérieur, Sud de l’Allemagne) et de dépôts similaires du crétacé supérieur du Liban. L’un des principes est l’utilisation d’images composites. Cela combine la fusion d’images, i.e., groupement de plusieurs images d’une même zone mais avec des focales différentes, produisant ainsi une seule image avec une forte profondeur de champ, et la jonction d’images, i.e., combinant des images fusionnées de plusieurs zones dans une même image à haute résolution d’un spécimen complet.

La base d’une image composite peut utiliser des images sous une lumière normale, mais la plus part des fossiles provenant de calcaires lithographiques de type Solnhofen présentant une autofluorescence sous lumière UV, des images par fluorecence-UV peuvent également être utilisées. Dans ce contexte, nous signalons un nouveau type de fluorescence pour des spécimens qui ne montrent pas une bonne fluorescence aux UV, i.e., ceux du lagerstätte de Zandt ou ceux du Liban. Ces spécimens présentent une fluorescence orange lorsqu’ils sont exposés à une lumière verte. Les spécimens du Liban présentant une fluorescence verte-orange ont été documentés sous un microscope confocal à balayage laser (cLSM). Les fossiles présentant un relief relativement important ont été documentés avec des images stéréographiques; permettant la construction de modèles 3D à partir de leur surface. Un des spécimens de grande taille et préservé sans compression a été documenté a l’aide d’un scanner médical tomographique à rayons X. Toutes ces méthodes facilitent le relevé de spécimens complets en haute résolution (=‘spécimens virtuels’). Les spécimens des calcaires lithographiques de type Solnhofen et du Liban ont été examinés plus avant pour connaître leur composition élémentaire à l’aide d’un spectroscope d’analyse dispersive en énergie à rayons X (EDX).  Les fossiles diffèrent significativement de la matrice encaissante par la contenance de 6-14% de phosphore.

mots cles: image composite; tomographie; visualisation 3D; fluorescence UV; fluorescence verte-orange; Solnhofen

Translator: Olivier Maridet

Deutsche Zusammenfassung

Wir zeigen verschiedene Dokumentationsmethoden, welche an Fossilien aus Plattenkalken vom Solnhofen-Typ (Oberjura, Süddeutschland) und den ähnlichen Ablagerungen im Libanon (Oberkreide) getestet wurden. Eines der verwendeten Prinzipien ist das Herstellen von Kompositbildern. Dazu werden zum einen mehrere Bilder derselben Stelle in verschiedenen Schärfeebenen aufgenommen und zu einem Bild fusioniert (= image fusion), zum anderen werden diese Fusionsbilder für mehrere aneinander grenzende Bereiche des Fossils aufgenommen und zusammengefügt (= image stitching). Das Resultat ist ein hoch aufgelöstes Bild des gesamten Fossils. Grundlage für die Kompositbilder können bei normalem Licht aufgenommene Bilder sein, doch die meisten Fossilien aus den Plattenkalken vom Solnhofen-Typ weisen unter UV-Licht Autofluoreszenz auf, so dass man ebenfalls UV-Fluoreszenzbilder verwenden kann. In diesem Zusammenhang erläutern wir außerdem einen neuen Fluoreszenztyp, der bei Fossilien auftritt, welche keine (ausreichende) UV-Fluoreszenz aufweisen, d.h. Fossilien aus Zandt oder einige aus dem Libanon. Diese Fossilien emittieren orangefarbenes Licht, wenn sie grünem Licht ausgesetzt werden. Fossilien aus dem Libanon, welche Orange-Grün-Fluoreszenz aufweisen, wurden mit einem Konfokalen Laserrastermikroskop (cLSM) abgerastert. Fossilien, welche ein relativ hohes Relief besitzen, können mit Stereobildern dargestellt werden; basierend darauf können dann Oberflächen-3D-Modelle hergestellt werden. Ein großes Fossil, welches nicht flach gedrückt erhalten ist, wurde mit einem medizinischen Röntgen-Computer-Tomographen dokumentiert. Alle diese Methoden ermöglichen die hoch auflösende Dokumentation gesamter Fossilien (= „virtuelle Fossilien“). Sowohl Stücke aus Plattenkalken vom Solnhofen-Typ als auch aus solchen aus dem Libanon wurden weiterhin mit Hilfe eines energiedispersiven Röntgenspektrometers auf ihre Elementzusammensetzung hin untersucht (EDX). Die Fossilien unterscheiden sich hierbei signifikant von der umgebenden Matrix in ihrem Phosphorgehalt, der im Fossil 6–14% beträgt.

SCHLÜSSELWÖRTER: Kompositbildgebung; Computertomographie; 3D-Visualisierung; UV-Fluoreszenz; Grün-Orange-Fluoreszenz; Solnhofen

Translated by author

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

Nowe metody dokumentowania skamieniałości z wapieni litograficznych południowych Niemiec i Libanu 

Prezentujemy różne metody dokumentacji przetestowane na okazach kopalnych z wapieni litograficznych typu Solnhofen (górna jura, południowe Niemcy) i z pokrewnych osadów górnokredowych Libanu. Jedną z podstaw analizy stanowi fotografia złożona. Należą tu: łączenie obrazów, tj. zcalanie kilku zdjęć tego samego obszaru, ale wykonanych w innych płaszczyznach ogniskowych, co skutkuje jednym obrazym o dużej głębi ostrości; oraz "wszywanie" obrazów, tj. wstawianie łączonych obrazów kilku obszarów w obraz całego okazu w wysokiej rozdzielczości. Bazą dla obrazów łączonych mogą być ujęcia w normalnym świetle, ale większość skamieniałości z wapieni litograficznych typu Solnhofen jest autofluorescencyjna w świetle UV, tak że równie dobrze można użyć zdjęć UV-fluorescencyjnych. W tym kontekście, donosimy o nowym typie fluorescencji dla okazów nie wykazujących dobrej UV-fluorescencyjności, tj. takich jak z lagerstätte Zandt, czy niektóre z Libanu. Te okazy wykazują fluorescencję na pomarańczowo, gdy są wystawione na zielone światło. Okazy z Libanu wykazujące fluorescencję zieleń-pomarańcz zostały udokumentowane konfokalnym laserowym mikroskopem skaningowym (cLSM). Skamieniałości o stosunkowo wysokim reliefie mogą zostać udokumentowane przez stereo zdjęcia; w oparciu o te powierzchnie można następnie wyprodukować modele 3D. Duży okaz zachowany w formie nieskompresowanej został udokumentowany przy użyciu medycznego komputerowego skanera rentgenowskiego. Wszystkie te metody odnoszą się do dokumentacji w wysokiej rozdzielczości kompletnych okazów (= "wirtualne okazy"). Skamieniałości zarówno z wapieni litograficznych typu Solnhofen, jak i libańskie, zostały dalej poddane analizie składu przy użyciu niskoenergetycznej rentgenowskiej spektroskopii (EDX). Skamieniałości różnią się znacznie od otaczającego je matriksu 6-14-procentową zawartością fosforu.

Słowa kluczowe: fotografia złożona, tomografia komputerowa, wizualizacja 3D, UV-fluorescencja, fluorescencja zieleń-pomarańcz, Solnhofen

Translators: Dawid Mazurek and Robert Bronowicz

Riassunto in Italiano

NUOVI METODI PER LA DOCUMENTAZIONE DEI FOSSILI: ESEMPI DAL CALCARE LITOGRAFICO DELLA GERMANIA MERIDIONALE E DAL LIBANO

Presentiamo differenti metodi di documentazione testati su esemplari fossili provenienti da calcari litografici tipo Solnhofen (Giurassico superiore, Germania meridionale) e da depositi del Cretacico superiore del Libano. Uno dei principi è la composizione di immagini. Ciò consiste in una combinazione image fusion (l’unione di differenti immagini della stessa parte prese a differenti piani focali, con il risultato di ottenere una sola immagine con un’alta profondità di campo), e image stitching (cioè la combinazione di immagini ad alta profondità di campo di differenti parti di uno stesso esemplare, onde ricostruirlo completamente mediante un’immagine ad alta risoluzione). Le immagini composite possono essere ottenute a partire da immagini a luce normale, ma visto che la maggior parte dei fossili provenienti da calcari litografici di tipo Solnhofen appare autofluorescente alla luce UV, immagini di questo tipo possono essere utilizzate ugualmente. A questo proposito, riferiamo di un nuovo tipo di fluorescenza per campioni che non mostrano una buona fluorescenza UV, come ad esempio quelli provenienti dal Zandt lagerstätte o alcuni provenienti dal Libano. Tali campioni mostrano una fluorescenza arancione se esposti  alla luce verde. La fluorescenza verde-arancione in campioni dal Libano è stata documentata mediante un microscopio confocale a scansione laser (cLSM). I fossili aventi un rilievo relativamente alto possono essere documentati mediante immagini stereoscopiche; sulla base di tali superfici possono essere riprodotti modelli 3D. Un esemplare di grandi dimensioni preservatosi indeformato è stato analizzato mediante uno scanner per tomografia computerizzata a raggi X per uso medico. Tutti questi metodi facilitano la documentazione ad alta risoluzione di esemplari completi (=”esemplari virtuali). Esemplari provenienti da calcari litografici sia di tipo Solnhofen, sia dal Libano sono stati poi ulteriormente esaminati al fine di scoprirne la composizione elementare usando uno spettroscopio ad emissione di raggi X (EDX). I fossili esaminati differiscono in maniera significativa dalla matrice inglobante in quanto contengono dal 6 al 14% di fosforo.

Keywords: composizione di immagini; tomografia computerizzata; visualizzazione 3D; fluorescenza UV; fluorescenza verde-arancione; Solnhofen

Translator: Chiara Angelone