Måling Romlig-og directionally varierende lysspredning fra biologisk materiale

Summary

Vi presenterer en ikke-destruktiv fremgangsmåte for prøvetaking av romlig variasjon i retning av lys som spres fra strukturelt komplekse materialer. Ved å holde materialet intakt, bevare vi brutto-skala spredning atferd, mens samtidig fange finskala retningsbestemt bidrag med høy oppløsning bildebehandling. Resultatene er visualisert i programvare på biologisk relevante stillinger og badevekt.

Abstract

Lett samhandler med en organismes integument på en rekke romlige skalaer. For eksempel i en iriserende fugl: nano-skala strukturer produsere farge, den milli-skala struktur av mothaker og barbules i stor grad bestemmer retningsbestemt mønster av reflektert lys, og gjennom makro-skala romlige strukturen av overlappende, buede fjær, disse retningsbestemte effekter skaper den visuelle tekstur. Milli-skala og makro-skala effekter bestemme hvor på organismens kroppen, og fra hva synspunkter og under hvilke belysning, er iriserende farger sett. Dermed er høyst retningsbestemt flash av strålende iriserende farge fra halsen på en hummingbird utilstrekkelig forklares ved dens nano-skala struktur alene og spørsmål gjenstår. Fra et gitt observasjonspunkt, som milli-skala elementer av fjær er orientert for å reflektere sterkt? Er det noen arter produserer bredere "vinduer" for observasjon av Irisering enn andre? Disse og lignende spørsmål may bli spurt om eventuelle organismer som har utviklet seg en bestemt overflate utseende for signalering, kamuflasje, eller andre grunner.

For å studere de retningsbestemte mønstre av lysspredning fra fjær, og deres forhold til fuglens milli-skala morfologi, har vi utviklet en protokoll for å måle lys som spres fra biologisk materiale ved hjelp av mange høyoppløselige fotografier tatt med varierende belysning og visning retninger. Siden vi måler spredt lys som funksjon av retning, kan vi observere de karakteristiske trekk i retningsbestemt distribusjon av lys som spres fra den aktuelle fjær, og fordi mothaker og barbules er løst i bildene våre, kan vi tydelig attributt retningsknappene funksjonene til disse forskjellige milli-skala strukturer. Holde prøven intakt bevarer brutto-skala spredning atferd sett i naturen. Metoden som beskrives her viser en generalisert protokoll for å analysere romlig-og directionally vabekymringsfullt lysspredning fra komplekse biologiske materialet på flere strukturelle skalaer.

Introduction

Fargen og mønsteret av en organismes integument spille økologisk og samfunnskritisk funksjon i de fleste dyr taxa. Disse fenotypiske egenskaper ble bestemt ved samvirke av lys med strukturen av integument og som kan utøve optisk spredning som varierer både romlig (over overflaten av den integument) og retningsborede (med endring i lys-og synsretningen). I komplekse biologiske materialer, slik som fjær, er retningen av lysspredning påvirket av orienteringen av gjentatte milli-skala geometri. Disse milli-skala strukturer selv kan bygges med nano-skala strukturer, slik som melanin arrays, som ofte arver milli-skala orientering. Fra nano-til makro-skala, har strukturen i integument utviklet seg funksjonelt til å øke signal evne av organismen. For å bedømme innflytelsen av morfologien av forskjellige skalaer for det totale utseende, for åmåle og analysere fargen på biologiske strukturer trenger fleksibilitet til å isolere retningsbestemt lys spredning på ulike skalaer av forstørrelse.

Vi utviklet image-baserte måleverktøy for å studere hvordan utførelsen av en fjær komplekse og varierte milli-skala morfologi (brodd Rami, distale barbules, og proksimale barbules) utvider utvalget av uttrykket mulig fra nano-skala strukturer alene. I ett enkelt bilde som er tatt med kameraet, observerte vi at lyset reflekteres ulikt på forskjellige steder på overflaten av fjær, det vil si lysrefleksjon var romlig-varierende. Når vi beveget lys og kamera retning med hensyn til den fjær, observerte vi reflektansen forandret, det vil si, lysrefleksjon ble directionally varierende ^en. Etter disse observasjonene, har vi designet en protokoll for å metodisk flytte lyset og kameraet rundt motivet med en sfærisk ^2,3 gantry, som vi fanget to dimensjoner av surface posisjon (X og Y), 2 lysdimensjonene retning (breddegrad og lengdegrad), og to dimensjoner av kameraets retning (breddegrad og lengdegrad) (figur 2). I programvare visuelt vi utforsket 6 dimensjonene av det spredte lys som en funksjon av posisjon, retning og belysning synsretning.

Tidligere forskning inn i refleksjon fra integuments har altfor ofte diskontert bidrag av retningen - f.eks diffuse vs Blank eller isotropic vs anisotropt refleksjon - for å farge uttrykk. De fleste måling av farge har løst det innfallende lyset, objekt, og visning geometri å nøye unngå retningsbestemte effekter. For eksempel, for å eliminere spredte refleksjoner fra måling av farge, er det vanlig å plassere lyset normal til overflaten og ta opp reflektansen ved 45 ° fra normalen. Studier som gjør koblingen morfologi til directionally varierende refleksjon typisk fokusere på nano-skalaog dets iriserende konsekvenser ^4-8. Noen vurdere bidraget av mikro-, milli-og makro-skala geometri til langt-feltet optisk signatur ^8-11. Det er derfor vanlig å ansette en lysdetektor å aggregere refleksjon over et enkelt område av interesse som kan omfatte flere milli-og / eller makro-skala komponenter, for eksempel brodd Rami, barbules, og til og med hele fjær ^6,8,11-17 . Når regionen av interesse er enten mindre enn den oppløsningsgrensen for detektoren eller ikke i overensstemmelse med formen av detektorens synsfelt, angir den felles protokoll prøven disseksjon til isolere lysspredning fra den spesifikke milli-skala element ^{8,10 , 13,15.}

Vi har utviklet en mer omfattende protokoll for måling oppkjøp og visualisering som oppmuntrer utforskning av de mange variablene ofte ignorert i andre mer fokuserte studier. Vi måler lysspredning over en sfære av retninger og acrosSA del av verdensrommet ved hjelp av et massivt sett av høy dynamisk område, høyoppløselige bilder tatt fra en systematisk sett av lys og visning retninger. Vi benytter en høyoppløselig bildesensor med sin 2D rekke finskala pixel detektorer. Aggregering hardware skjer på pixel-nivå, i målestokk mindre enn de milli-skala elementer vi måler. En andre fase aggregater individuelle piksler i programvare som brukeren velger formen og størrelsen på regionen av interesse. Følgelig kan en enkelt måling sett gjentatte ganger analyseres i programvaren for å utforske ulike aspekter av lys interaksjon med materiale på flere biologisk relevante stillinger og badevekt. Ved å eliminere disseksjon og måle hele fjær, har vår protokoll fordelen av å forlate morfologi av fjær vane intakt, beholder naturlig kontekst og funksjon som er, lysets samspill mellom konstituerende milli-skala elementer.

Lysspredning fra organismal structure er flerdimensjonale og vanskelig å kvantifisere. Målt 6D lysspredning kan ennå ikke tilskrives spesifikke morfologi innenfor et hierarki av skalaen med noen entall instrument. Men vi har gjort et viktig skritt i denne jakten. Vi har utviklet et verktøy som omfatter tre komplementære metoder - prøvetaking refleksjon ved hjelp av gantry, utforske store datamengder i programvare, og visualisere data undergrupper grafisk - å utvide vår evne til å måle 6D lysspredning på ethvert punkt på et materiale, ned til milli-skala. Som protokoller som vårt er ansatt, spår vi biologer vil identifisere et mylder av directionally og romlig-varierende egenskaper og tilsvarende strukturelle tilpasninger på flere skalaer for utvikling. Med våre verktøy vi er engasjert i karakteriserer signaliserer potensialet i retningsbestemt og romlige uttrykk for milli-skala strukturer, og håper å belyse deres adaptive konsekvenser. Vi tar en rekke spørsmål, for eksempel: fra eny gitt observasjon punkt, som finskala elementer eller grov skala regioner av fjær reflektere sterkt? Hvordan retningen på finskala elementer påvirke retningen av spredt lys? Hva morfologiske forhold produsere en satiny glans vs en paljett gnisten av iriserende ornament? Er det noen arter produserer bredere "vinduer" for observasjon av Irisering enn andre? Disse spørsmålene kan bli bedt om fugler og deres fjær, men også om andre organismer som har utviklet seg en bestemt overflate utseende for signalering, kamuflasje, eller andre grunner.

Protocol

Ved bruk av våre metoder for å måle en prøve, må eksperimentator bestemme seg for et sett med kamera og lys retninger, og for hver kombinasjon av kamera og lys retninger, gjør kameraet flere eksponeringer med ulike lukkertider. Bevege kameraet krever ekstra behandling, fordi det endrer visningen av utvalget som ses i bildet, slik at vi vanligvis bruker et lite antall kamera retninger og et større antall lyskilde retninger.

I de detaljerte protokoller nedenfor vi først beskrive hvordan du utfører en måling med mange lyskilde retninger og et enkelt kamera retning, og hvordan å behandle og visualisere den resulterende data (protokoll 1). I den primære protokoll, som kan brukes for seg selv når en enkelt vis er tilstrekkelig til å observere de fenomener som skal undersøkes, vi alltid holde kameraet vis vinkelrett på prøven (Primær rutine i figur 1). Når flere kameraer retninger er nødvendig,resulterer skrå visninger av prøven kan være vridd til å angre effekten av å flytte kameraet og dermed å justere bildene nøyaktig med den kanoniske vinkelrett visning. For å beregne disse varpene, utfører vi flere kalibrerings-trinn som bruker observasjoner av mål plassert rundt prøven for å bestemme nøyaktig den bevegelse av kameraet relativt til prøven. Protokoll 2 detaljer denne kalibreringen og forklarer hvordan du velger parametere og kjøre Protokoll en flere ganger for å samle data fra flere visninger (Sekundære Rutiner i figur 1). Endelig protokoll 3 detaljer de ekstra trinn som må settes inn i protokoll 1 til å rette på skrå visninger under databehandling.

En. Mål spredt lys i retning av the Surface Normal over Sphere of Incident veibeskrivelse (Primary Rutinemessig i figur 1)

1. Utarbeide og Monter gjenstanden som skal måles
   1. Forbered en tynn jernholdig metall monteringsplatemed en? tommer åpning omgitt av en ring av mål (som sett i figur 2).
   2. Forbered materialet som skal måles. Hvis måle en fjær, groom mothaker for å korrigere for eventuelle utpakkede eller feiljustert deler av pennaceous vane.
   3. Lå overflaten til objektet (fremadvendte forsiden av fjær) mot baksiden (motsatt målet ring) av platen.
   4. Sentrum regionen av interesse over ½-tommers åpning i platen.
   5. Lay et ark av magnetisk film med en 5/8-inch åpning mot baksiden av gjenstanden (revers forsiden av fjær) for derved å trykke gjenstanden flatt mot platen.
   6. Juster åpning av filmen til åpningen av platen uten skjærbehandling av overflaten. Den flate overflate, festet rundt omkretsen av den sirkulære åpning, gir en plan makro-flate tilnærmet faller sammen med platens overflate.
2. Konfigurer Gantry
   1. Finnsentrum av den sirkulære åpning ved opprinnelsen av portalkraner koordinatsystemet.
   2. Plasser en lyskilde på gantry ytre arm. Sikt og snevert fokuserer lyset på objektet, slik at åpningen er jevnt belyst for alle lyskilde vinkler.
   3. Plasser et kamera på gantry indre arm. Justerer kameraets avstand og brennvidden av den makro linsen inntil ringen av mål fyller bredden på sensoren.
   4. Kalibrere roterende bevegelser (θ, φ) på kameraet og lampe armer. Kalibrer helling (θ) med hensyn til objektets overflate normalt, slik at kamera og lampen er på linje med overflaten normalt når θ = 0. Kalibrer asimut (φ) av kameraet til asimuten til lampen. Den absolutte asimut-orientering er ikke kritisk siden den fangede bilder kan bli rotert senere i protokollen.
3. Konfigurere kameraet fokus og eksponering
   1. Rotate kameraet til objektet blir sett på et beite vinkel. Reduser f-tall for å redusere dybden av feltet (DOF), og deretter angi at fokusplanet i midten av åpningen. Øk f-tall for å øke DOF inntil ringen av mål rundt åpningen er i fokus. Et kompromiss mellom diffraksjon og DOF-indusert uskarphet kan være nødvendig.
   2. Klipp en farge standard flatt mot monteringsplaten. For RGB-bilder bruker et Macbeth Color Checker. For UV-synlig-NIR målinger bruke Spectralon.
   3. Fotografere fargen standard i RAW format. Beregn fargekanal multiplikatorer til hvitbalanse bildet.
   4. Finn eksponering brakett som spenner over den dynamiske rekkevidden av scenen under de mest ekstreme visning og belysning retninger.
   5. For hver eksponeringstid i braketten, skaffe seg en mørk støy image ved å utsette sensoren med linsedekselet på.
4. Acquire Målinger fra et spredte innsamlede Sphere of Incident Veibeskrivelse
   1. Plasser kameraet aksen normal til overflaten planet {θ, φ} = {0,0}.
   2. Trinn lyset gjennom en serie av jevnt fordelte posisjoner på kulen, ved hjelp av en grov sampling (for eksempel mindre enn 500 poeng).
   3. For hvert innfallende lys i retning prøvetaking:
   4. Fange en rå bilde for hvert eksponeringstid i eksponeringen braketten.
   5. Fang et enkelt bilde belyses av kamera montert blitssynkronisert til en relativt kort eksponeringstid for å undertrykke portalrammen lampens belysning.
   6. Videre til neste innfallende lyset retning og gjenta.
5. Prosess Målinger fra spredte innsamlede Sphere
   1. Bruke debug (dokument) modus for dcraw ^en å deaktivere sin demosaicing funksjon, konvertere fra RAW format til gråskala, 16-bit, lineær, PGM format:
      1. Hver mørk støyeksponering.
      2. Hver eksponering av objektet på hvert innfallende lys retning.
      </ Ol>
      3. Integrere alle low dynamic range (LDR) gråskala engasjementer under gantry lampe belysning i en enkelt High Dynamic Range (HDR) fargebilde for hver innfallende lyset retning.
         1. Trekk fra den tilsvarende mørk støy bilde fra hver LDR eksponering.
         2. Demosaic hver LDR eksponering for å gi en en-kvart skala bilde.
         3. Hvitbalanse hver LDR eksponering ved hjelp av fargekanal multiplikatorer beregnet i trinn 1.C.3.
         4. Flett mørk-støy-fratrukket LDR eksponeringer til ett HDR-bilde ved å summere alle verdiene på hver piksel posisjon og dividere med summen av eksponeringstider, utelate overeksponerte piksler fra begge summer.
         5. Store HDR-bilde i EXR-format kodet i halv-float presisjon og lossless wavelet (PIZ) komprimering.
      4. Hvis kameraet retningen ikke den kanoniske retning eller målingen løp er en del av et flere kamera-retning sett (Sekundære rutiner i figur 1 blir ennd protokoll 2):
         1. Konverter enkelt LDR gråtoner eksponering av flash-belyste sporing mål for hver innfallende lyset retning til en demosaiced, en fjerdedel skala, LDR fargebilde i EXR-format.
         2. Følg protokoll 3 til å bruke blitsen opplyst bilde til projektive transformere hver HDR lampe-opplyste bilde i den kanoniske syn.
      5. Rotere HDR-bilder i ønsket retning - for eksempel i vårt tilfelle en 90 ° rotasjon orienterer rachis vertikalt og fjær spissen opp.
      6. Beskjære HDR-bilder tett rundt sirkulær blenderåpning. Maskering mål og metallplate utenfor blenderåpning reduserer filstørrelsen med opptil 25%.
      7. Permutere dataene i hele settet med HDR-bilder for å skape et sett av filer, en for hver av flere blokker i et bilde, som inneholder alle de retningsbestemte refleksjonsverdier organisert for piksel. Disse retningsbestemt refleksjon cache-filer er organisert for å muliggjøre rask tilgang til enll retningsknappene måling av farge på en enkelt piksel i 2D-projeksjon av 3D-objektet.
   2. Visualisere Romlig-varierende lysspredning Across et hierarki av Scale
      1. Du blar gjennom målinger, bruke den egendefinerte SimpleBrowser programmet å tolke dataene behandles i trinn 1.E. SimpleBrowser åpner et vindu med bildet av fjær opplyst av den første hendelsen belysning retning.
      2. På bildet av fjær vane, kan individuelle piksler eller grupper av piksler i lineær eller rektangulære ordninger velges (figur 3). Fortsett ved å velge en rektangulær region av fjær vane for analyse. Deretter plotte gjennomsnittlig retningsbestemt lys spredning fra den valgte regionen. Et plott vindu som viser reflektans som en funksjon av cosinus åpner retning tilstøtende til bildevinduet (R1 i figur 4).
      3. Som standard retning av maksimal lysstyrke (en transmittance retning i en typical fjær måling) er tildelt en eksponering på en. Redusere eller øke eksponeringen i en halv stopp (√ 2 x) trinn å justere eksponering av refleksjon farge kartet.
      4. Sykle refleksjon fargekart mellom lysstyrke, RGB, og chromaticity (Se R1, R2 og R3 i figur 4). For de følgende trinnene bruker RGB.
      5. Hvis du vil rotere sfære, klikk på den for å aktivere styrekulen grensesnitt. Dra grensesnittet til å forårsake rotasjon. Hvis du vil vise refleksjon halvkule, returnere sfæren til standardplasseringen (Se R2 i figur 4). Roter sfæren 180 ° fra standardplasseringen å vise transmittance halvkule (se T2 i figur 4).
      6. For en annen visning av data, velger polar tomten modus for å skalere radiene hver retning på enheten sfære av deres respektive lystetthetsverdier. Endre fargen kart over luminans skalert sfære fra RGB til chromaticity (Se P3, F3, S3, A3 i figur 4.
      7. Belysningen retning av det bildet som vises merket med rødt i retningsbestemt spredning plot (figur 4). Klikk hvilken som helst annen hendelse belysning retning for å vise bildet av fjær opplyst fra den retningen.
      8. Redusere eller øke eksponeringen av bildet til å avsløre over og undereksponert regioner.
      9. For å undersøke refleksjon over et hierarki av skalaer, gjenopprette tomten modus til enheten sfære og fargen kartet til RGB. I gjennomgangen viser dette plottet gjennomsnittlig retningsbestemt refleksjon fra den valgte rektangulært område på bildet.
      10. Endre valget type fra rektangulær til lineær (figur 3). Dette vil tillate undersøkelse av den retningsbestemte refleksjon fra individuelle finskala strukturer i det rektangulære området.
      11. Plott reflektansen for den lineære gjennomsnittlige i et nytt vindu og samtidig opprettholde den rektangulære gjennomsnitt for referanse. Juster eksponering og set farge kartet til RGB.
      (figur 8). Velg ett av belysning retninger i den lineære plott for å vise sterkt reflekterende distale barbules i bildet til venstre.
      12. Trinn linjen mot spissen av fjær inntil den når området for den fjær der den proksimale barbules grenen fra tilstøtende Rami. I den lineære gjennomsnittet plot proksimale barbules er sett til å reflektere lys i retninger vertikale (figur 8). Velg en av retningene for å vise sterkt reflekterende proksimale barbules i bildet til venstre.
      13. I den lineære plott, observer finskala strukturer som reflekterer lys i horisontale og vertikale retninger kombineres for å produsere den far-feltsignalet sees i det rektangulære plottet.

   2. Mål spredt lys i flere kameraer veibeskrivelse (Sekundær Rutinemessigs på figur 1)

   Flere kameravinkler og ikke-uniform retningsbestemt prøvetaking tillate oss å studere bestemte funksjoner i retningsbestemt refleksjon. Med tillegg av kalibrering Steps 2.a og 2.S, har protokoll 1 blitt utvidet til å håndtere flere kameravinkler. To konkrete eksempler grafisk illustrert som Secondary Rutiner II.a og II.B i figur 1 er satt frem i trinn 2.c og 2.d nedenfor. I slike tilfeller er kameraet retning endres fra sin kanonisk retning (vinkelrett på overflaten), noe som betyr at objektet er fotografert fra en retning hellende fra sin normale overflate. Siden bildene må være kartlagt i samme koordinatsystem, rette opp vi og deformere hvert bilde for å matche den kanoniske orientering ved å referere til flash-fotografert mål rundt prøven (figur 9).

   1. Kalibrere Camera Projection og plassering:
      Hensikten med denne fremgangsmåten er å beregne kamera projEL og posisjon som brukes i bildet transformasjon.
      1. Klipp en brikke-mønstrede kalibreringsmålet flatt mot monteringsplaten.
      2. Capture ett bilde på den kanoniske kamera view (dvs. {θ, φ} = {0,0}) og flere bilder på ulike andre kamera visninger spredt over en 120 ° kjegle sentrert på den kanoniske visning.
      3. Laste bildene inn i Bouguet Toolbox ^b, en MATLAB kamerakalibrering verktøykasse. Pakk de grid hjørnene i hvert av bildene for å rekonstruere kameraet matriser. Eksportere den iboende kamera projeksjon matrise (P) og den ytre kameraposisjon matrise (M). Den iboende kamera projeksjon er sammensatt av brennvidden og et hovedpunkt. Den ytre kameraposisjon består hovedsakelig av en oversettelse, det oversettes opprinnelsen av verden til kameraet posisjon.
      4. Løs for matrisen som forvandler kalibrering-target koordinater til gantry dreieskive koordinater (X), dvs. Bouguet plass til gantry plass.
      5. Løsne kontrolløren mønster fra metallplaten.
   2. Kalibrere målposisjoner og projeksjon Offsets:
      Hensikten med denne fremgangsmåten er å beregne de forskyvninger mellom kalibreringen flyet, mål-planet, og prøven, og å lokalisere målposisjoner.
      1. Roter kamera i portalkraner koordinater, slik at den optiske aksen er perpendikulær til den plane overflate, dvs. den kanoniske rammen.
      2. Ta et bilde av ringen av mål rundt blenderåpning med flash belysning. Dette er den kanoniske bilde for bilde innretting.
      3. Behandle rå kamera utgang (Protokoll skissert i trinn 1.E.3.a. og 1.E.4.).
      4. Maskere regionen i og utenfor ringen målsonen, eliminere bortkommen speilende høydepunkter som kan forvirre målgjenkjenning, og deretter finne målene i bildet.
      5. Rotere kameraet til en beite vinkel og ta et bilde.
      6. Beregn kanoniske cAmera positur (Mc = M * Rc) og beite vinkel kamera positur (Mg = M * Rg) basert på ytre kamera matrisen M i trinn 2.A.3. som omfatter en oversettelse basert på posisjonen av den Bouguet kontrolløren mønster.
      7. Omdefiner M ved å forskyve dens oversettelse av tykkelsen på papiret target-ring. Iterere ved prøving og feiling (omberegning M ved anvendelse av en forskjellig forskyvning for kalibrering planet) til forskyvningen av portalkraner rommet mellom planet for Bouguet dambrett og planet til ringen av mål, dvs. tykkelsen på papiret target-ring, har vært løst. Kontroller forskyvningen i hver iterasjon av reprojiserer målene i den beite vinkel bildet på målene i den kanoniske bildet.
      8. Omdefiner M følge fremgangsmåten i det foregående trinnet til reproject den hullede objektet i beite vinkel bildet på den hullede objektet i kanonisk bilde ved prøving og feiling til forskyvningen av portalkraner plass mellom planet av ringen til målsettinger og flyet of den hullede objektet, det vil si tykkelsen av metallplaten, har blitt løst.
   3. Mål Syv Non-uniformt Samplet Reflektansavlesningene halvkule (Sekundær Rutinemessig II.a i figur 1)
      1. Undersøk retningsbestemt fordeling av det reflekterte lys målt fra kamerabildet normal til overflaten, det vil si {θ, φ} = {0,0} som beskrevet i protokoll 1. Resample refleksjon halvkule å registrere kameraet utstråling fra ikke-speilende retninger mer spredtbygde og speilende retninger mer tett.
      2. Bruker de samme kriteriene for å smake på refleksjon i seks ekstra kamera retninger jevnt fordelt over et halvt halvkule, dvs. {θ, φ} = {30,0}, {30,90} {60,0}, {60,45} , {60,90} {60135}. Tippe de reflekterende områder av de seks ytterligere løper fra synsretning av hvert kombinert med refleksjonsvinkel av den første kjøring.
      3. For hver av de syv ikke-uniformly samplet halvkuler, erverve og behandle målinger følge instruksjonene i trinn 1.D. og 1.E. ovenfor.
      4. Visuelt bla retningsbestemt refleksjon fra samme region av fjær i hver av de syv non ujevnt samplede halvkuler, å følge instruksjonene i trinn 1.F. ovenfor. Ordne retningsbestemt refleksjon tomter for hver av de syv kamera retninger på en polar koordinatsystem, hvor plassering av hver tomt er basert på sitt kamera retning (Se de visuelle resultatene av Rutinemessig II.a i figur 1; også figur 5).
   4. Mål finere-samplede halvsirkelformet stier å skaffe detaljert informasjon om fargeendring med vinkel (Sekundær Rutinemessig II.B i figur 1)
      1. Start SimpleBrowser søknad og innspill de bearbeidede målinger av ikke-uniformt samplet refleksjon halvkule med kameraet retning {θ, φ} = {0,0} som beskrevet i trinn 2.C.1. Velg påe piksel i bildet, så passer et fly til den 90. persentil av luminans den halvkuleformet refleksjon på den valgte pixel posisjon.
      2. Konstruer en 1D oppkjøpet kjøre som fint opp prøvene speilende refleksjon i speilende flyet. Generere gantry arm vinkler i ½ ° halv vinkel trinn i planet definert i forrige trinn. Begynn med den halve vinkel lik 0 ° og øke den halve vinkel til 90 °. For hver måling i anskaffelse løp, holde halv-vektoren konstant og lik den normale overflate slik at hvert kamera retning ligger i det speilende retning.
      3. Erverve og behandle målinger følge instruksjonene i trinn 1.D. og 1.E. ovenfor.
      4. Visuelt surfe på 1D retningsbestemt refleksjon følge instruksjonene i trinn 1.F., mens du smaker på en svært lite område (f.eks 3x3 piksler) sentrert på samme pixel brukt til å passe blank planet i trinn 2.D.1. Finn retning av peak refleksjon, dvs.skyggelegging normal. Konstruer tre ytterligere kjøp løper på samme måte som i trinn 2.D.2., Men sett halv-vektoren til skyggelegging normal fremfor på overflaten normalt. For de tre ytterligere kjøringer, generere portalkraner arm vinkler som ligger i plan som inneholder skyggeleggingen normalt, men som er rotert 45 °, 90 ° og 135 ° med hensyn til det speilende planet definert i trinn 2.D.1.
      5. Erverve og behandle målinger følge instruksjonene i trinn 1.D. og 1.E. ovenfor.
      6. Visuelt surfe på 1D retningsbestemt refleksjon følge instruksjonene i trinn 1.F., mens du smaker på en svært lite område (f.eks 3x3 piksler) sentrert på pixel brukt til å passe blank planet i trinn 2.D.1. Eksport fra SimpleBrowser gjennomsnittet reflektert utstråling av denne svært lite område.
      7. I MATLAB, plotte sin chromaticity som en funksjon av halv-vinkel på en chromaticity diagram (figur 6). Plott kuløren, kroma og luminans som en funksjon av den halve vinkel (<strong> figur 7).
      8. Konstruere fire mer 1D oppkjøpet går i de samme fire flyene som ovenfor, men denne gangen konfigurere lys og kamera retninger for å måle bredden og forfallet av speilende refleksjon. Sett den halve vinkel mellom lys og kamera til en konstant 10 °. Generere gantry arm vinkler i en ° halv vektor intervaller rundt aksen vinkelrett på planet. Begynn med en halv-vektor lik -80 ° og øke den halve vektor til +80 °, der 0 ° er lik skyggelegging normalt. Merk at ikke alle kamera retninger ligger i speilende retning.
      9. Erverve, prosess og eksport målinger følge instruksjonene i trinn 1.D. og 1.E., og 2.D.6. henholdsvis.
      10. I MATLAB, plotte dens kromatiske på en kromatisitet diagram som en funksjon av vinkelen mellom den halv-vektoren og skyggelegging normalt. Plott kuløren, kroma og luminans som en funksjon av vinkelen mellom den halv-vektoren og skyggelegging normalt.

      3. Projektiv transformasjon

      Projektive transformere hvert HDR-bilde i den kanoniske utsikt eller utsikt retning vinkelrett på overflaten flyet. Denne protokollen er tilgjengelig by Step 1.E.3.b når en måling løp er en del av en flere kamera retning sett, slik som eksemplene skissert i protokoll 2 og grafisk illustrert som Sekundære Rutiner i figur 1.

      1. Les en kanonisk bilde belyst fra en ikke-speilende retning. (På beite speilende retninger den reduserte kontrasten mellom den hvite overflaten av papir og svart blekk kan føre til målet deteksjon svikt. Sammenlign klarhet i bilde A og B i figur 9).
      2. Lokalisere koordinatene for sentrum av hver skive i den kanoniske bildet.
      3. Laste målbildet opplyst av kamera montert blits for en gitt lampe-kamera retningsbestemt par (B i figur 9).
      4. Grovt transform målbildet i den kanoniske kamera rammen ved hjelp av gantry kamera matrise M beregnet i trinn 2.B.7.
      5. Lokalisere koordinatene for sentrum av hver skive i den transformerte målbildet (C i figur 9).
      6. Match hvert mål i den transformerte målbildet til sin referansen mål i den kanoniske bildet ved å finne den minste avstanden mellom bilde og referanse mål.
      7. Kast eventuelle uklare mål forårsaket av DOF på beite vinkler (D i figur 9).
      8. Løs 2D projektive transformere som kartlegger image mål i den kanoniske rammen til kanoniske-image mål i den samme rammen.
      9. Untransform vindskjev-to-fit mål fra den kanoniske bilderammen tilbake til det opprinnelige bildet rammen gjennom planet til den hullede objekt (M i trinn 2.B.8.) Snarere enn planet for mål (M i trinn 2.. B.7.).
      10. Lagre målet koordinatpar som kartlegger den hullforsynte objekt i målbildet til hullforsynte obprosjekt i den kanoniske målbildet.
      11. Laste HDR-bilde opplyst av lampen (A i figur 9).
      12. Antyde en romlig projektive transformere fra lagret mål koordinatpar å transformere HDR bilde i den kanoniske ramme (E i figur 9).
      13. Gå tilbake til hovedskjermbildet protokollen.

      ^en Dcraw er en åpen-kildekode dataprogram utviklet av David Coffin. Den konverterer et kamera proprietære RAW-formatert bilde (dvs. ubehandlet CCD data) til en standard bildeformat. Se http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraw / .

      ^b Bouguet Toolbox er et kamera kalibrering verktøykasse for MATLAB utviklet av Jean-Yves Bouguet. Se http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .

Representative Results

Den primære måling av protokollen vårt (Rutinemessig I i figur 1) som er festet til kameraet retningen normalt på overflaten og bare beveget lyset. Siden lysspredning følger prinsippet om gjensidighet, er resultatet det samme enten vi holder kameraet konstant mens du flytter lys over halvkule eller vice versa. Når vi fikse enten kameraet eller lyset, blir hele fire-dimensjonale retning sett undersampled. Et fullstendig bilde av spredende oppførsel blir observert når, i motsetning til den primære måling, er både lys og kamera beveget bort fra overflaten normalt og i et mangfold av retninger. Ideelt sett kunne vi måler lysspredning fra mange kamera retninger, så mange som antall innfallende lyset retninger, for å gi en symmetrisk datasett. I praksis vil dette kreve altfor mange eksponeringer. I vår erfaring, kan vi innhente tilstrekkelig informasjon om forskjellige visning posisjoner ved å flytte kameraet noen ganger Assuming 180 ° roterende symmetrien om overflaten normalt. Under den videregående måling fase, kjøpte vi målinger fra 7 ser retninger fordelt over halvkule og innenfor 60 ° av zenith ^18,19 (Rutinemessig II.a i figur 1).

I tallene for denne artikkelen viser vi representative data målt fra en fjær av Lamprotornis purpureus (Purple Glossy Starling), den refleksjon som er iriserende, glossy, og anisotropt (figur 5). I hver av de syv visning retninger, er reflektert lys samlet fra hundrevis av hendelsen belysning retninger på halvkule. Retningene danne et smalt bånd ortogonalt orientert mot den sentrale aksen av den fjær (se fjær bildet i figur 4). Den Irisering fargen skiftet er subtile (blå-grønn på normal forekomst og grønn-blå på beite insidens) når fjær er sett normal til overflaten som vist i {0 °, 0 & deg;} RGB plottet i figur 5.. Som visningsvinkel tilnærminger beite, er vinklene mellom synsretning og beite hendelsen retninger maksimeres, noe som fører til en mer slående farger shift (blågrønne ved 0 ° og magenta på 240 ° mellom hendelsen og ser retninger) som vist i {60 °, 0 °} RGB plottet i figur 5..

Vi har råd til å gå lys og kamera på mye finere vinkeloppløsning når vi begrenser bevegelsene til en dimensjon. Figur 6 viser chromaticity av refleksjon av L. purpureus drakt som en funksjon av vinkelen mellom hendelsen og visning retninger, hvor hendelsen og visning retninger er i det planet som inneholder den speilende-båndet, som er vinkelrett på den langsgående aksen av den distale barbule. Som iriserende farge buer gjennom chromaticity plass, skifter hue fra blå-grønn til fiolett.

Spatial vari asjon i retningsbestemt refleksjon er synlig hvor forskjellig (X, Y) koordinatene til integument korresponderer til forskjellige milli-skala strukturer. I tilfelle av L. purpureus bare én struktur - den distale barbule - er synlig over det meste av området. I motsetning i C. cupreus, tre milli-skala strukturer - rami, distal og proksimal barbules, barbules - er klart atskilt i dataene, kan vi observere at reflektansen fra den fjær er orientert i forhold til lengdeaksen til hver struktur (figur 8) .

Figur 1. Dette skjematisk oversikt skildrer to monteringsmuligheter metoder, sfærisk gantry koordinatsystem, typer oppkjøp prøvetaking og deres respektive resultater. / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se større figur.

Figur 2. Den flate fjær er synlig gjennom en åpning i en metallplate omgitt av en ring av mål. Et sfærisk gantry kan stilles for å måle lys spredning fra en fjær på flere hendelsen belysning og ser retninger. L = Lett arm (breddegrad). C = Kamera arm (breddegrad). B = Kamera Base (breddegrad). T = Turntable (breddegrad). F = Feather.

Figur 3. Gjennomsnittlig retningsbestemt spredning kan beregnes fra et punkt, linje eller rektangulært område av fjær vane.

p_upload/50254/50254fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg "/>
Figur 4. Eksempel på retningsbestemt spredning plotte funksjoner (R * = Reflektans, T * = Transmittance, P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = Vilkårlig) og fargevalg (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Farge). Klikk her for å se større figur .

Figur 5. Luminans (øverst) og RGB-farge (nederst) av halvkuleformet refleksjon i retning cosinus plass sett fra de (høyde vinkel, asimutvinkelen) koordinatpar: {0 °, 0 °} {30 °, 0 °} { 30 °, 90 °} {60 °, 0 °} {60 °, 45 °} {60 °, 90 °} og {60 °, 135 °}. Den refleksjon er gjennomsnitt fra en 25 × 25 pixel rektangulært område av lateral vingen på en tertial L. purpureus (Purple Glossy Starling) fjær. De røde pilene representerer kamera retninger. Klikk her for å se større figur .

Figur 6. Fargen for den refleksjon som en funksjon av den halve vinkelen mellom hendelsen belysning og ser retninger:. CIE 1976 Uniform fargetone Vekter (USC) med forstørret regionen Klikk her for å se større figur .

/ 50254/50254fig7highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg "/>
Figur 7. Reflektans som en funksjon av vinkelen mellom hendelsen belysning og visning retninger, i planet med (rød) og vinkelrett på (skyggelagt) den langsgående aksen til den distale barbule: (A) dominant bølgelengde, (B) Prosent kroma, (C ) Prosent luminans. Fargen skyggelegging i plottet A er RGB fargen på refleksjon. Negative bølgelengde verdiene representerer fargene i den ikke-spektrale lilla trekant. Klikk her for å se større figur .

Figur 8. Gjennomsnittlig retningsbestemt refleksjon av distale barbules og proksimale barbules mellom to tilstøtende Rami av den C. cupreus (Afhockey Emerald Cuckoo).

Figur 9. (A) Ikke-utbedret bilde opplyst av gantry lampe, (B) Ikke-utbedret bilde opplyst av blitsen på kameraet, (C) Filtrert målet kandidater på affine-transformert, flash-belyste bilde, (D) Acceptably skarpe mål innenfor dybde på feltet (E) snittlig lampe-opplyste image, (F) rotert fjær spissen opp, beskjæres og maskert. Klikk her for å se større figur .

Discussion

Selv om ytelsen og funksjon av mange pigmentary og strukturelle colorations er godt anerkjent, er morfologi av mange integuments så komplekse at deres strukturelle detaljer og funksjon er dårlig forstått ^20. Integuments har utviklet fordypninger som varierer romlig over overflaten av organismen til differensielt reflektere lys retningsborede mot betrakteren. Directionality har fått oppmerksomhet først og fremst i studiet av Irisering grunn av sin farge skift med skifte av hendelsen og betraktningsvinkel, og forskning på Irisering av biologisk integument har fått primært 1D og noen 2D-målinger ^8,12,17. Men generaliserte 6D målinger ikke vært rutine i studiet av integuments ^21-23, iriserende eller på annen måte, og litteraturen om organismebiologi farge fenotyper er begrenset av mangel på retningsbestemte farge data av typen vår metode gir.

Fjær er en spesielt rich integumentary materiale omfattende arrangementer av milli-skala struktur av haken: rami, distale barbules, og proksimale barbules. Den lille målestokk av elementene og deres komplekse arrangementer gjør det vanskelig å skjelne den lysspredende ytelsen til de enkelte elementene. Vår protokoll lyktes i å isolere milli-skala struktur fra påvirkning av makro-skala geometri. Ved å karakterisere de funksjonelle konsekvensene av retningsbestemt uttrykk for milli-skala strukturer til langt-feltet signatur av fjær, aktiverte vi gransking sine adaptive konsekvenser.

Vi hadde praktiske avveininger mellom spektral, romlig og kantete oppløsning. Vi valgte høy romlig, middels kantete og lav spektral for våre studier. Andre kombinasjoner kan brukes, men noen (f.eks alle høy) føre til unworkably lange måling ganger. Oppmerksomheten må være fokusert der det er viktig for de spesielle fenomenene som studeres. I å velge å ansette en RGB camera med en Bayer filter mosaikk, designet vi vår protokoll for å matche den menneskelige visuelle systemet. RGB-kameraet kan bli erstattet og vår protokoll innrettet til å registrere den relative farge stimulans av enhver organisme, er f.eks følsomhet i UV-spektrum for å måle avian tetra-kromatisk farge ^24,25. En spektral avbildning kameraet ville gi den mest generelle løsningen ^25.

Vi viste vår protokoll med tertial vingefjær siden de er fargerike og lett flatet mot en referanse plate. Dessverre er avdekket åpningen av metallplaten bare en brøkdel av den fjær overflate. Hvis vi kunne samtidig måle 3D-form av fjær overflate mens måle dens refleksjon ^25, kunne vi unngå mekanisk flate ut fjær og i stedet måle hele fjær i sin naturlige, unflattened tilstand.

Interaktive, spesialiserte, integrerte verktøy for å visualisere data gir substantial nytte for forskere å utforske og tolke store datamengder. Jo større integrasjon og interaktivitet, blir de enklere forbindelser i dataene observert. I vår programvare, kan en bruker interaktivt plotte gjennomsnittlig retningsbestemt spredning som funksjon av overflaten (figur 4). Videreutvikling av vår programvare kunne integrere andre plotte funksjoner (figur 6, 7) for å forlenge den interaktive opplevelsen.