Mätning rumsligt och Riktnings-varierande ljusspridning från biologiskt material

Summary

Vi presenterar en icke-förstörande metod för provtagning rumslig variation i riktning mot ljuset sprids från strukturellt komplexa material. Genom att hålla materialet intakt, bevarar vi brutto-skala spridning beteende, medan samtidigt fånga finskaliga riktade insatser med hög upplösning. Resultaten visualiseras i mjukvara på biologiskt relevanta positioner och våg.

Abstract

Ljuset interagerar med en organisms integument på en variation av rumsliga skalor. Till exempel i en regnbågsskimrande fågel: nanoskala strukturer skapar färg, den milli skala strukturen av hullingar och barbules stor del avgör riktningsmönster av reflekterat ljus, och genom den makroskala rumsliga struktur överlappande, böjda fjädrar, dessa riktade effekter skapar den visuella texturen. Milli-skala och makronivå effekter avgöra var på organismens kropp, och från vilka synpunkter och under vilka belysning, de skimrande färgerna sett. Således är det mycket riktad blixt av lysande färger från regnbågsskimrande halsen av en kolibri otillräckligt förklaras av dess nanonivå struktur ensam och frågor återstår. Från en given observation punkt, som milli-skala delar av fjäder är orienterade att reflektera starkt? Gör vissa arter producerar bredare "fönster" för observation av irisering än andra? Dessa och liknande frågor may tillfrågas om eventuella organismer som har utvecklats en viss yta utseende för signalering, kamouflage, eller av andra skäl.

För att studera de riktade mönster av ljusspridning från fjädrar, och deras förhållande till fågelns milli-skala morfologi, utvecklade vi ett protokoll för mätning av ljus som sprids från biologiska material med många högupplösta bilder tagna med olika belysning och visning riktningar. Eftersom vi mäter spritt ljus som en funktion av riktning, kan vi observera de karaktäristiska dragen i riktningsområdet fördelningen av ljus som sprids från just fjäder, och eftersom hullingar och barbules löses i vår bilder, kan vi tillskriva tydligt de riktade funktioner för att dessa olika milli skala strukturer. Att hålla provet intakt bevarar den brutto-skalan spridning beteende ses i naturen. Metoden som beskrivs här uppvisar en generaliserad protokoll för analys spatialt och directionally-vabedrivande ljusspridning från komplexa biologiska material vid flera strukturella skalor.

Introduction

Färgen och mönstret av en organisms integument spela ekologiskt och samhällskritiska funktioner i de flesta djur taxa. Dessa fenotypiska egenskaper bestäms av kopplingen mellan ljus med strukturen i integument, som kan uppvisa optisk spridning som varierar både rumsligt (över ytan av integument) och directionally (med förändring av belysning och visning riktning). I komplexa biologiska material, såsom fjädrar, är riktningen för ljusspridning påverkas av orienteringen av upprepande milli-skala geometri. Dessa milli-skala strukturer själva kan bäddas med nanoskala strukturer, såsom melanin arrayer, vilket ofta ärver milli-skalan orientering. Från nano-till makro-skalor, har strukturen av integument utvecklats funktionellt att öka signalering förmåga organismen. För att bedöma påverkan av morfologin hos olika skalor på det allmänna utseendet, verktyg för attmäta och analysera färgen av biologiska strukturer behöver flexibilitet för att isolera riktad ljusspridning vid olika skalor av förstoring.

Vi utvecklade bildbaserade mätverktyg för att studera hur utförandet av en fjäder komplexa och varierande milli-skala morfologi (hulling rami, distala barbules och proximala barbules) utökar utbudet av uttrycket möjligt från nanonivå strukturer ensam. I en enda bild som registreras av kameran, konstaterade vi att ljuset reflekteras olika vid olika ställen på ytan av fjäder, som är, ljusreflektion var rumsligt varierande. När vi flyttade ljuset och kameran riktning i förhållande till fjädern, observerade vi reflektansen förändrats, det är, ljusreflektion var riktat varierande ^1. Efter dessa observationer, utformade vi ett protokoll för att metodiskt flytta ljuset och kameran runt motivet med hjälp av en sfärisk portal ^2,3, som vi fångade 2 dimensioner av Surface positionen (X och Y), två dimensioner av ljus riktning (latitud och longitud), och två dimensioner av kamerariktning (latitud och longitud) (Figur 2). I program vi undersökt visuellt de 6 dimensionerna hos det spridda ljuset som en funktion av läget, belysning riktning och utsikt riktning.

Tidigare forskning om reflektansen från integuments har alltför ofta diskonteras bidrag riktverkan - t.ex. diffus vs speglande eller isotropt vs anisotropisk reflektion - att färga uttryck. De flesta färgmätningar har fasta infallande ljus, objekt, samt visning geometri att noga undvika riktade effekter. Till exempel, för att eliminera spegelreflektion från färgmätningar, är det vanligt att placera ljuset normalt mot ytan och registrera reflektansen vid 45 ° från det normala. Studier som gör länk morfologi till riktningsmässigt-varierande reflektans fokuserar typiskt på nanonivåoch dess skimrande konsekvenser ^4-8. Några anser att bidrag av mikro-, milli-och makronivå geometrier till långt-området optisk signatur ^8-11. Det är därför vanligt att använda en ljus detektor att aggregera reflektans över ett enda område av intresse som kan omfatta flera milli-och / eller makronivå komponenter såsom hulling rami, barbules, och även hela fjädrar ^6,8,11-17 . När regionen av intresse är antingen mindre än upplösningen gränsen för detektorn eller inte överensstämmer med formen av detektorns synfält, anger vanligt protokoll provet dissektion att isolera ljusspridning från specifika milli-skala elementet ^{8,10 , 13,15.}

Vi har utvecklat en mer omfattande protokoll för mätning förvärv och visualisering som uppmuntrar utforskning av de många variabler ofta ignoreras i andra mer fokuserade studier. Vi mäter ljusspridning över en sfär av riktningar och Acrossa region i rymden med hjälp av en massiv uppsättning av hög dynamiskt omfång, högupplösta fotografier tagna från en systematisk uppsättning av ljus och vägbeskrivning visning. Vi använder en högupplöst bildsensor med dess 2D matris med finskaliga pixeldetektorer. Aggregation i hårdvara sker på pixelnivå, på en skala mindre än milli-skala element som vi mäter. En andra fas aggregat enskilda pixlar i mjukvara som användaren väljer formen och storleken på regionen av intresse. Följaktligen kan en enda mätning set upprepade gånger analyseras i programvaran för att undersöka olika aspekter av ljus interaktion med material vid flera biologiskt relevanta positioner och våg. Genom att eliminera dissektion och mäta hela fjäder, har våra protokoll fördelen att lämna morfologi fjäder vane intakt, behålla naturliga sammanhang och funktion som är, ljusets växelverkan mellan ingående milli-skala element.

Ljusspridning från organismens sTRUKTUR är flerdimensionell och svår att kvantifiera. Mätt 6D ljusspridning kan inte ännu hänföras till specifik morfologi inom en hierarki av skalan med någon singular instrument. Men vi har gjort ett viktigt steg i denna strävan. Vi har utvecklat ett verktyg som omfattar tre kompletterande metoder - Provtagning reflektans använder portal, utforska stora datamängder i mjukvara, och visualisering av data delmängder grafiskt - att utöka vår förmåga att mäta 6D ljusspridning i någon punkt på ett material, ner till milli-skalan. Som protokoll som vårt är anställda, förutspår vi biologer kommer att identifiera en myriad av riktningsmässigt-och spatialt varierande egenskaper och motsvarande strukturella anpassningar på flera skalor av utveckling. Med våra verktyg är vi engagerade i att karakterisera signalering potentialen för det riktade och rumsliga uttryck av milli-skala strukturer, och hoppas att belysa deras adaptiva konsekvenser. Vi tar upp en rad frågor, till exempel: från etty given observation punkt, vilket finskaliga element eller grov skala regioner fjäder reflekterar starkt? Hur orienteringen av de finskaliga element påverka inriktningen av spritt ljus? Vilka morfologiska förhållanden producera en satiny glans vs en sequined gnistra av skimrande prydnad? Gör vissa arter producerar bredare "fönster" för observation av irisering än andra? Dessa frågor kan ställas om fåglar och deras fjädrar utan också om alla andra organismer som har utvecklats en viss yta utseende för signalering, kamouflage, eller av andra skäl.

Protocol

När du använder våra metoder för att mäta ett prov, måste försöksledaren besluta om en uppsättning av kamera och lätta riktningar, och för varje kombination av kamera och ljus riktningar, gör kameran flera exponeringar med olika slutartider. Flytta kameran kräver ytterligare bearbetning, eftersom det ändrar vyn av provet som syns i bilden, så vi brukar använda ett litet antal kameror riktningar och ett större antal ljuskällor riktningar.

I de detaljerade protokoll nedan beskriver vi först hur du utför en mätning med många ljuskällor riktningar och en enda kamera riktning, och hur man kan bearbeta och visualisera resulterande data (protokoll 1). I den primära protokollet, som kan användas av sig själv när en enda vy är tillräckligt att konstatera de fenomen som studeras, håller vi alltid den vinkelräta kamerabilden till provet (primär rutin i figur 1). När flera kameror riktningar krävs, denresulterande sneda vyer av provet kan vara skev att ångra effekterna av att flytta kameran och därigenom anpassa bilderna exakt med den kanoniska vinkelrät vy. För att beräkna dessa varptrådar, utför vi ytterligare kalibrering steg som använder observationer av mål placerade runt provet för att exakt bestämma rörelsen hos kamerans förhållande till provet. Protokoll 2 detaljer här Kalibreringsprocedur och förklarar hur man väljer parametrar och köra protokoll 1 flera gånger för att samla in data från flera vyer (Sekundära Rutiner i figur 1). Slutligen, protokoll 3 anges de ytterligare steg som måste infogas i protokoll nr 1 för att rätta till sneda vyer under databehandling.

Ett. Mät spritt ljus i riktning ytnormalen över området för Incident Vägbeskrivning (Primary rutin i figur 1)

1. Förbered och Montera mätobjektet
   1. Förbered en tunn järnmetall monteringsplattamed en?-tums öppning omgiven av en ring av mål (såsom framgår av fig. 2).
   2. Förbered materialet som ska mätas. Om mätning av en fjäder, brudgummen hullingarna att korrigera för eventuella uppackade eller dåligt avsnitt av pennaceous vane.
   3. Lay ytan av objektet (motsatta sidan av fjäder) mot baksidan (mittemot målring) av plattan.
   4. Center regionen av intresse över ½-tums öppning i plattan.
   5. Lay ett ark av magnetisk film med en 5/8-inch öppning mot den bakre sidan av objektet (motsatta sidan av fjäder), och därigenom trycka objektet platt mot plattan.
   6. Passa in öppningen av filmen till öppningen av plattan utan skjuvning av ytan. Den tillplattade ytan, nålas runt omkretsen av den cirkulära öppningen, ger en plan makro-yta approximativt sammanfaller med plattans yta.
2. Konfigurera Gantry
   1. Leta uppcentrum av den cirkulära öppningen vid ursprunget till gantry koordinatsystemet.
   2. Placera en ljuskälla på portalen yttre armen. Sikta och snävt fokusera ljuset på objektet, se till att öppningen likformigt belyses för alla ljuskällor vinklar.
   3. Placera en kamera på portalen innerarmen. Justera kamerans avstånd och brännvidden av makrot linsen tills ringen av mål fyller ut bredden av sensorn.
   4. Kalibrera rotationsrörelser (θ, φ) i kameran och armarna lampa. Kalibrera lutning (θ) med avseende på föremålets yta normalt så att kameran och lampan är i linje med ytan normala när θ = 0. Kalibrera azimut (φ) i kameran till azimut av lampan. Den absoluta azimutala inställningen är inte kritisk eftersom de tagna bilderna kan roteras senare i protokollet.
3. Konfigurera kameran fokus och exponering
   1. Rotate kameran tills objektet ses vid en bestrykningsvinkel. Minska f-nummer för att minimera skärpedjup (DOF), ställ sedan in fokus planet i mitten av öppningen. Öka f-tal för att öka DOF tills ringen av målen kring öppningen är i fokus. En kompromiss mellan diffraktion och DOF-inducerad oskärpa kan krävas.
   2. Klipp en färg standard platt mot monteringsplattan. För RGB-bilder använder en Macbeth Color Checker. För UV-synligt-NIR mätningar använder SPECTRALON.
   3. Fotografera färgen standarden i RAW-format. Beräkna multiplikatorer färgkanalsvärdena till vitbalansen i bilden.
   4. Hitta exponeringen fäste som sträcker sig över det dynamiska området av scenen under de mest extrema visning och riktningar belysning.
   5. För varje exponeringstid i konsolen, skaffa en mörk brusbild genom att exponera sensorn med linsskyddet på.
4. Skaffa Mätningar från en glest tagna prover sfär av Incident Vägbeskrivning
   1. Placera kameran axel vinkelrätt mot ytan planet {θ, φ} = {0,0}.
   2. Steg ljuset genom av en serie av likformigt fördelade lägen på sfären, med användning av en grov sampling (t ex mindre än 500 poäng).
   3. För varje infallande ljus riktning i provtagning:
   4. Fånga en rå bild för varje exponeringstid i exponeringen fästet.
   5. Fånga en enda bild belyses av kameran monterad blixt synkroniseras till en relativt kort exponeringstid för att undertrycka portal lampa belysning.
   6. Gå vidare till nästa infallande ljuset riktning och upprepa.
5. Process Measurements från glest tagna prover Sphere
   1. Använda debug (dokument) läget för dcraw ^en att avaktivera dess demosaicing funktion konverterar man från RAW-format till gråskala, 16-bitars, linjärt, PGM format:
      1. Varje mörk bullerexponering.
      2. Varje exponering av föremålet vid varje infallande ljus riktning.
      </ Ol>
      3. Integrera alla låg dynamiskt omfång (LDR) gråskala exponeringar i portal lampa belysning i ett enda stort dynamiskt omfång (HDR) färgbild för varje infallande ljus riktning.
         1. Subtrahera motsvarande mörka brusbild från varje LDR exponering.
         2. Demosaic varje LDR exponering för att ge ett kvartals skala bilden.
         3. Vitbalans varje LDR exponeringen med hjälp av multiplikatorer färgkanalsvärdena beräknats i steg 1.C.3.
         4. Merge dark-brus-subtraheras LDR exponeringar till en enda HDR-bild genom att summera alla värden på varje pixel läge och dividera summan av de exponeringstider, utelämna överexponerade bildpunkter från båda belopp.
         5. Affär HDR-bild i EXR format kodas i halv-float precision och förlustfri wavelet (PIZ) komprimering.
      4. Om kameran riktningen är inte den kanoniska riktning eller mätkörning är en del av en multipel kamera riktning set (Sekundära Rutiner i figur 1 and protokoll 2):
         1. Konvertera enstaka LDR gråskala exponering av flash-belysta spårning mål för varje infallande ljuset riktning till en demosaiced, en fjärdedel skala, LDR färgbild i EXR format.
         2. Följ protokoll 3 att använda blixt-belysta bilden till projektiv omvandla varje HDR lamp-belyst bild i den kanoniska vyn.
      5. Rotera HDR-bilder i den önskade orienteringen - t.ex. i vårt fall en 90 ° vridning orienterar rachis vertikalt och fjäder spetsen uppåt.
      6. Beskär HDR-bilder tätt runt den cirkulära öppningen. Maskering målen och metallplatta utanför öppningen minskar filstorleken med upp till 25%.
      7. Permutera data i hela den uppsättning av HDR-bilder för att skapa en uppsättning filer, en för varje av flera block i bilden, som innehåller alla de riktade reflektansvärdena anordnas av pixel. Dessa riktade reflektansen cache-filer är organiserade för att möjliggöra snabb tillgång till enll de riktade färgmätningar på en enda pixel positionen för 2D-projektion av 3D-objektet.
   2. Visualisera rumsligt varierande ljusspridning Över en hierarki Scale
      1. För att se mätningarna, använd den anpassade SimpleBrowser ansökan att tolka de uppgifter som behandlas i steg 1.E. SimpleBrowser öppnas ett fönster som innehåller bilden av fjäder upplyst av den första incidenten belysning riktning.
      2. På bilden av fjäder vinge, kan enstaka pixlar eller grupper av pixlar i linjära eller rektangulära arrangemang väljas (Figur 3). Fortsätt genom att välja ett rektangulärt område av fjäder vane för analys. Sedan, plotta genomsnittliga riktad ljusspridning från den valda regionen. En kurva fönster som visar reflektansen som en funktion av riktning cosinussvängningar öppnar intill bildfönstret (R1 i figur 4).
      3. Som standard, riktning maximala luminans (en transmittans riktning i en tyPical fjäder mätning) tilldelas en exponering på 1. Minska eller öka exponeringen i en halv stop (√ 2 x) steg för att justera exponeringen av reflektansen färgkarta.
      4. Cykel reflektansen färgkarta mellan luminans, RGB, och kromaticitet (Se R1, R2 och R3 i Figur 4). För de följande stegen använder RGB.
      5. Att rotera sfären, klicka på den för att aktivera trackball gränssnittet. Dra gränssnittet för att orsaka rotation. Om du vill visa reflektans halvklotet, återlämna området till dess förvalda läge (Se R2 i figur 4). Rotera sfären 180 ° från sitt standard läge för att visa transmittans halvklotet (Se T2 i Figur 4).
      6. För en annan vy av data, välj den polära tomten läge att skala radierna för varje riktning på enheten sfären av deras respektive luminansvärden. Ändra färg karta över luminans skalade sfären från RGB till kromaticitet (Se P3, F3, S3, A3 i figur 4
      7. Belysningen riktningen av bilden som visas är inringad i rött i riktad spridning plot (Figur 4). Klicka någon annan riktning infallande ljus för att visa bilden av fjäder belyses från det hållet.
      8. Minska eller öka exponeringen av bilden för att avslöja över och underexponerade områden.
      9. För att undersöka reflektion över en hierarki av skalor, återställa tomten mode till enheten sfären och färgkartan till RGB. I granskning visar denna kurva den genomsnittliga riktad reflektansen från den valda rektangulära området på bilden.
      10. Ändra val typ från rektangulär till linjär (Figur 3). Detta kommer att möjliggöra studier av den riktade reflektans från enskilda finskaliga strukturer inom det rektangulära området.
      11. Plotta reflektansen hos den linjära genomsnittet i ett nytt fönster med bibehållande den rektangulära genomsnittet för referens. Justera exponering och set färgkarta till RGB.
      (figur 8). Välj ett av belysning riktningar i den linjära handlingen att visa den högreflekterande distala barbules i bilden till vänster.
      12. Steg linjen mot spetsen av fjädern tills den når det område av fjäder där den proximala barbules förgrening från den intilliggande Rami. I den linjära genomsnittliga plot de proximala barbules ses att reflektera ljus i riktningar vertikala (figur 8). Välj ett av de riktningar för att visa högreflekterande proximala barbules i bilden till vänster.
      13. I linjär kurva, iaktta finskaliga strukturer som reflekterar ljus i riktningar horisontella och vertikala kombineras för att producera den fjärrområdet signal ses i den rektangulära ytan.

   2. Mät spritt ljus i flera kameror Vägbeskrivning (Sekundär Rutins i figur 1)

   Flera kamera vyer och oenhetlig riktad provtagning ger oss möjlighet att studera särskilda egenskaper riktad reflektans. Med tillägg av kalibreringsstegen 2.En och 2.B, har protokoll 1 utökats för att hantera flera kameror vyer. Två konkreta exempel illustreras grafiskt som Sekundära Rutiner IIA och IIB i figur 1 är inställd fram i steg 2.C och 2.D nedan. I sådana fall är kameran riktning förändrats från dess kanoniska riktning (vinkelrätt mot ytan), vilket innebär att objekt fotograferas från en riktning som lutar från dess yta normalt. Eftersom bilderna måste mappas till samma koordinatsystem, åtgärda vi och förvränga varje fotografi för att matcha den kanoniska orientering genom att referera till flash-fotograferade mål omger provet (Figur 9).

   1. Kalibrera kameran Projektion och Position:
      Syftet med dessa steg är att beräkna kamerans projektion och position används i bildtransformering.
      1. Fäst en checker-mönstrad kalibreringsmål platt mot monteringsplattan.
      2. Fånga en bild på den kanoniska kameran vyn (dvs {θ, φ} = {0,0}) och flera bilder på olika andra kameravyer spridda över en 120 ° kon centrerad på den kanoniska vyn.
      3. Ladda bilderna i Bouguet Toolbox ^B, en MATLAB Kamerakalibrering verktygslåda. Extrahera grid hörnen i varje av bilderna för att rekonstruera kameran matriser. Exportera inneboende matrix kamera projektion (P) och den yttre kamerans position matris (M). Den inneboende kamera projektion består av brännvidden och den huvudsakliga punkten. Den yttre kameran positionen består främst av en översättning, det översätter världens uppkomst till kamerans position.
      4. Lös för matrisen som förvandlar kalibrering målgruppen koordinater till portalkranar skivspelare koordinaterna (X), dvs Bouguet utrymme till gantry utrymme.
      5. Haka rutmönstret från metallplattan.
   2. Kalibrera målpositioner och förskjutningar Projektorduk:
      Syftet med dessa steg är att beräkna förskjutningar mellan kalibreringen planet, målplanet, och provet, och för att lokalisera de målpositioner.
      1. Rotera kameran i gantry koordinater så att den optiska axeln är vinkelrät mot ytplanet, dvs den kanoniska ram.
      2. Ta en bild av ringen mål omger öppningen med blixtljus. Detta är den kanoniska bilder för bildjustering.
      3. Bearbeta RAW kamera utgång (protokoll beskrivs i steg 1.E.3.a. och 1.E.4.).
      4. Maskera området innanför och utanför ringen målzonen, eliminera herrelösa speglande högdagrar som kan förvirra måligenkänning, sedan hitta målen i den bilden.
      5. Vrid kameran till en bestrykningsvinkel och ta en bild.
      6. Beräkna den kanoniska cAmera pose (Mc = M * Rc) och bestrykningsvinkel kameran pose (Mg = M * Rg) baserat på den yttre kameran matrisen M i steg 2.a.3. som inkluderar en översättning baserat på positionen av Bouguet rutmönstret.
      7. Omdefiniera M genom avräkning sin översättning av tjockleken på papperet mål-ring. Iterera genom trial and error (räkna om M använder en annan offset för kalibrering plan) tills förskjutningen i gantry utrymmet mellan planet för Bouguet schackrutiga och ringens plan av mål, dvs tjockleken på papperstavla-ring, har varit löst. Verifiera förskjutningen i varje iteration genom reprojecting målen i bestrykningsvinkel bilden på målen i den kanoniska bilden.
      8. Redefine M följa förfarandet i föregående steg för att reproject den hålförsedda objektet i bestrykningsvinkel bilden på den hålförsedda objektet i kanoniska bilden genom trial and error tills förskjutningen i gantry utrymmet mellan ringens plan av mål och planet of den hålförsedda föremålet, dvs tjockleken av metallplattan, har lösts.
   3. Mät Sju icke-likformigt samplade Reflektans Hemispheres (Sekundär Rutin II.A i figur 1)
      1. Undersök riktningsfördelningen hos det reflekterade ljuset mätt från kameran vy vinkelrät mot ytan, dvs {θ, φ} = {0,0} beskrivs i protokoll 1. Sampla reflektansen halvklotet för att spela in kameran strålglans från icke-speglande riktningar mer glest och speglande riktningar tätare.
      2. Tillämpa samma kriterier för att sampla reflektansen i ytterligare 6 kamera riktningar jämnt fördelade över en halv halvklotet, dvs {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {60,45} , {60,90}, {60.135}. Förutsäga speglande regioner i ytterligare 6 löper från den visning riktningen för varje kombination med reflektion vinkel inkörningen.
      3. För var och en av de 7 olikformigly samplade halvklot, inhämta och bearbeta mätningar följa instruktionerna i steg 1.d. och 1.E. ovan.
      4. Visuellt bläddra den riktade reflektansen från samma region av fjäder i varje av de 7 utvalda ojämnt halvklot, enligt instruktionerna i steg 1.F. ovan. Ordna de riktade reflektans tomter för var och en av de 7 Kamera riktningar på ett polärt koordinatsystem, där placeringen av varje tomt är baserad på dess kamera riktning (Se visuella resultat av rutinmässig IIA i figur 1, även figur 5).
   4. Mät fint urvalet halvcirkelformade vägar att få detaljerad information om färgförändring med vinkel (Sekundär Rutin II.B i figur 1)
      1. Starta SimpleBrowser programmet och mata in de bearbetade mätningar av icke-likformigt samplade reflektans halvklotet med kameran riktning {θ, φ} = {0,0} som beskrivs i steg 2.C.1. Välj påe pixel i bilden, och sedan montera ett plan till den 90: e percentilen av luminans hemisfäriska reflektansen vid den valda pixelpositionen.
      2. Konstruera en 1D förvärv kör som fint prov spegelreflektans i speglande planet. Generera traversarmen vinklar i ½ ° halv-vinkel steg i det plan som definieras i föregående steg. Börja med den halv-vinkel lika med 0 ° och öka halv-vinkel till 90 °. För varje mätning i förvärvet sikt hålla halv-vektorn konstant och lika med ytnormalen så att varje kamera riktning ligger i den speglande riktning.
      3. Inhämta och bearbeta mätningar följa instruktionerna i steg 1.d. och 1.E. ovan.
      4. Visuellt bläddra 1D riktade reflektans följa instruktionerna i steg 1.F., medan provtagning ett mycket litet område (t.ex. 3x3 bildpunkter) centrerad på samma pixel som används för att montera den speglande plan i steg 2.D.1. Hitta riktning topp reflektans, dvsskuggning normal. Construct 3 ytterligare förvärv körs på samma sätt som enligt steg 2.D.2., Men ställa in halv-vektorn till skuggning normala snarare än ytnormalen. För de tre ytterligare körningar, generera traversarmen vinklar som ligger i plan som innehåller skuggning normala men som är vridna 45 °, 90 °, och 135 ° med avseende på det speglande plan som definieras i steg 2.D.1.
      5. Inhämta och bearbeta mätningar följa instruktionerna i steg 1.d. och 1.E. ovan.
      6. Visuellt bläddra 1D riktade reflektans följa instruktionerna i steg 1.F., medan provtagning ett mycket litet område (t.ex. 3x3 bildpunkter) centrerad på pixel som används för att montera den speglande plan i steg 2.D.1. Export från SimpleBrowser genomsnittet reflekterade strålningen från denna mycket lilla region.
      7. I MATLAB, rita dess kromaticitet som en funktion av halv-vinkel på en kromaticitetsdiagrammet (Figur 6). Rita sin färgton, färgstyrka och luminans som funktion av halv-vinkel (<strong> Figur 7).
      8. Konstruera fyra mer 1D förvärv körs i samma fyra plan som ovan, men den här gången konfigurera ljus och kamera riktningar för att mäta bredden och sönderfallet av spegelreflektans. Ställ den halva vinkeln mellan ljus och kamera till en konstant 10 °. Generera traversarmen vinklar i 1 ° halv-vektor inkrement kring axeln ortogonal mot planet. Börja med en halv-vektor lika med -80 ° och öka halv-vektorn till 80 °, där 0 ° är lika med skuggning normalt. Observera att inte alla kamerans riktningar är belägna i den speglande riktning.
      9. Förvärva, process och mätteknik exportmarknader följa instruktionerna i steg 1.d. och 1.E., och 2.D.6. respektive.
      10. I MATLAB, rita dess kromaticitet på en kromaticitetsdiagrammet som en funktion av vinkeln mellan halv-vektorn och skuggning normala. Plotta dess ton, chroma, och luminans som en funktion av vinkeln mellan halv-vektorn och skuggning normalt.

      Tre. Projektiv transformation

      Projektiv förvandla varje HDR-bild i den kanoniska vyn eller vyn riktning vinkelrät mot ytan planet. Detta protokoll nås genom steg 1.E.3.b när en mätkörning är en del av en multipel kamera riktning set, såsom de exempel som anges i protokoll nr 2 och illustreras grafiskt som Sekundära Rutiner i figur 1.

      1. Läs en kanonisk bild belyses från ett icke-speglande riktning. (At betande speglande riktningar den minskade kontrast mellan den vita ytan av papperet och det svarta bläcket kan leda till måldetektering misslyckande. Jämför tydligheten i bild A och B i fig. 9.)
      2. Leta reda på koordinaterna för centrum av varje mål i den kanoniska bilden.
      3. Ladda målbilden upplyst av kamera-blixt för en given lampa-kamera riktad paret (B i figur 9).
      4. Ungefär transform målbilden i den kanoniska kameran ramen med gantryt kameran matrisen M beräknade i steg 2.B.7.
      5. Leta reda på koordinaterna för centrum av varje mål i den transformerade målbilden (C i figur 9).
      6. Matcha varje mål i den transformerade målbilden att dess referens målet i den kanoniska bilden genom att hitta det minsta avståndet mellan bilden och mål referens.
      7. Kassera suddiga mål orsakade av DOF vid betande vinklar (D i figur 9).
      8. Lös 2D projective transformeringen bildscheman mål i den kanoniska ram till canonical-image mål i samma ram.
      9. Untransform de skeva-to-fit målen från den kanoniska bildramen tillbaka till den ursprungliga bildramen genom planet för öppningar objektet (M i steg 2.B.8.) Snarare än det plan av målen (M i steg 2. B.7.).
      10. Spara paren målkoordinaten som karta med öppningar objektet i målbilden att det perforerade obtet i den kanoniska målbilden.
      11. Ladda HDR bilden belyses av lampan (A i Figur 9).
      12. Sluta sig till en rumslig projektiva transformeras från sparad målkoordinaten par för att omvandla HDR-bilden i den kanoniska ram (E i figur 9).
      13. Återgå till den huvudsakliga protokollet.

      ^en Dcraw är ett open-source datorprogram utvecklat av David Coffin. Den omvandlar en kamera egenutvecklade RAW-formaterad bild (dvs. obearbetade CCD data) till en standard bildformat. Se http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraws / .

      ^b Bouguet Toolbox är en kamera kalibrering verktygslåda för MATLAB utvecklats av Jean-Yves Bouguet. Se http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .

Representative Results

Den primära mätningen av våra protokoll (Routine I i fig. 1) fastställer ett kameran riktning vinkelrätt mot ytan och endast flyttade ljuset. Eftersom Ijussprid följer principen om ömsesidighet, är resultatet detsamma om vi håller kameran konstant medan flyttar ljuset över halvklotet eller vice versa. När vi fixa antingen kameran eller ljuset, är den fullständiga 4-dimensionell riktning set undersampled. En mer fullständig bild av den spridande beteende observeras när, till skillnad från den primära mätningen, är både ljus och kamera förflyttas bort från ytan normalt och i ett flertal riktningar. Helst skulle vi kunna mäta ljusspridning från många kamera riktningar, till och med så många som antalet riktningar infallande ljuset, för att ge en symmetrisk datamängd. I praktiken skulle detta kräva alltför många exponeringar. Enligt vår erfarenhet kan vi få tillräcklig information om olika visningslägen genom att flytta kameran några gånger antagit att verketming 180 ° rotationssymmetri runt ytnormalen. Under den sekundära mätningen fasen, förvärvade vi mätningar från 7 observationsriktningarna fördelade över hemisfären och inom 60 ° från zenit ^18,19 (Routine II.A i figur 1).

I siffrorna för denna uppsats visar vi representativa uppgifter mätt från en fjäder av Lamprotornis purpureus (Purple Glossy Starling), reflektansen som är skimrande, glänsande, och anisotropisk (Figur 5). I varje av de 7 betraktningsriktningar, reflekteras ljuset in från hundratals riktningar infallande belysning på halvklotet. Riktningarna bildar ett smalt band ortogonalt orienterad till den centrala axeln hos den fjäder (se fjäder bild i fig 4). Den irisering färgskiftning är subtil (blåaktig-grön vid normal infallsvinkel och grön-blå med strykande infall) då fjädern betraktas vinkelrätt mot dess yta som sett i {0 °, 0 & deg;} RGB plot av figur 5. Eftersom betraktningsvinkeln närma bete, är vinklarna mellan betraktelseriktningen och betande riktningarna incidenten maximeras, vilket leder till en mer slående färgskiftning (blågrönt vid 0 ° och magenta vid 240 ° mellan infallande och tittar riktningar) som sett i {60 °, 0 °} RGB plotten i Figur 5.

Vi har råd till steg ljuset och kameran mot mycket finare vinkelupplösning när vi begränsa transaktioner till en dimension. Figur 6 visar kromaticitet av reflektansen för L. purpureus fjäderdräkt som funktion av vinkeln mellan den infallande och riktningar visning, där incidenten och riktningar visning är i det plan som innehåller den speglande bandet, som är vinkelrät mot den längsgående axeln hos den distala barbule. Som skimrande färg bågar genom färgart utrymme, skiftar nyans från blågrönt till lila.

Spatial Vari ation i riktningsområdet reflektansen är synlig där olika (X, Y)-koordinaterna för integument motsvarar olika milli skala strukturer. I fallet med L. purpureus enda struktur - den bortre barbule - syns över större delen av området. Däremot i C. cupreus, tre millimeter skala strukturer - Rami, distala barbules och proximala barbules - skiljs tydligt i uppgifterna, kan vi konstatera att reflektansen från fjädern är orienterade i förhållande till längdaxel varje struktur (Figur 8) .

Figur 1. Denna schematiska översikt visar två sätt att montera, den sfäriska gantry koordinatsystemet typer av förvärv provtagning och deras respektive resultat. / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg "target =" _blank "> Klicka här för att visa en större bild.

Figur 2. Den tillplattade fjäder är synlig genom en öppning i en metallplatta som omges av en ring av mål. En sfärisk portal kan ställas att mäta ljusspridning från en fjäder vid flera incident belysning och tittar riktningar. L = Lätt arm (latitud). C = Camera arm (latitud). B = Camera Base (longitud). T = Turntable (longitud). F = Fjäder.

Figur 3. Genomsnittlig riktad spridning kan beräknas från en punkt, linje eller rektangulärt område av fjäder vane.

p_upload/50254/50254fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg "/>
Figur 4. Exempel på riktad spridning plotta funktionerna (R * = Reflektans, T * = transmission, P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = Godtyckliga) och färgscheman (* 1 = Luminans, * 2 = RGB , * 3 = Kromaticitet). Klicka här för att visa en större bild .

Figur 5. Den luminans (överst) och RGB-färg (botten) av den halvrunda reflektansen i riktningscosinus utrymmet sett från (elevationsvinkeln, azimutvinkel) koordinatparen: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, och {60 °, 135 °}. Reflektansen är genomsnitt från en 25 × 25 pixel rektangulärt område av den laterala vane en tertialet L. purpureus (Purple Glossy Starling) fjäder. De röda pilarna representerar kamera riktningar. Klicka här för att visa en större bild .

Figur 6. Kromaticitet av reflektansen som funktion av den halva vinkeln mellan den infallande belysning och tittar riktningar:. CIE 1976 Uniform kromaticiteten Vågar (USC) med förstorad region Klicka här för att visa en större bild .

/ 50254/50254fig7highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg "/>
Figur 7. Reflektans som en funktion av vinkeln mellan infallande belysning och observationsriktningarna, i planet med (röd) och vinkelrätt mot (skuggad) längdaxel den distala barbule: (A) Dominerande våglängd, (B) Procent chroma, (C ) Procent luminans. färgskuggningen i tomt A är RGB-färg av reflektansen. Negativa våglängdsvärden representerar färgerna i den icke-spektrala lila triangel. Klicka här för att visa en större bild .

Figur 8. Genomsnittlig riktad reflektans av distala barbules och proximala barbules mellan två intilliggande Rami av C. cupreus (African Emerald Cuckoo).

Figur 9. (A) Icke-renad bilden upplyst av portal lampa, (B) icke-renad bilden upplyst av blixten på kameran, (C) Filtrerad mål kandidaterna på affin-transformerade, flash-belyst bild, (D) Acceptabelt skarpa mål inom djup fält, (E) Renad lamp-belyst bild, (F) roterad fjäder tippa upp, beskäras och maskerade. Klicka här för att visa en större bild .

Discussion

Även om prestanda och funktion av många pigmentering och strukturella färgsättningar är välkända, är morfologi många integuments så komplicerade att deras strukturella detaljer och fungerar dåligt är förstås ^20. Integuments har utvecklat inriktningar som varierar rumsligt över ytan av organismen att differentiellt reflektera ljus directionally mot betraktaren. Riktningsverkan har fått uppmärksamhet framför allt i studien av irisering grund av dess färgskiftningar med byte av tillbud och betraktningsvinkel, och forskning om irisering av biologisk integument har samlat främst 1D och några 2D mätningar ^8,12,17. Men generaliserade 6D mätningar inte varit rutin i studien av integuments ^21-23, iriserande eller på annat sätt, och litteraturen om organismal färg fenotyper begränsas av bristen på riktade färgdata av den typ som vår metod ger.

Den fjäder är ett speciellt rich integumentary material omfattande arrangemang av milli-skala struktur hullingen: Rami, distala barbules och proximala barbules. Den småskaliga av elementen och deras komplexa arrangemang gör det svårt att urskilja ljusspridning resultatutvecklingen för de enskilda elementen. Vår protokoll isolerade framgångsrikt milli-skala struktur från påverkan av makro-skala geometri. Genom att karakterisera de funktionella konsekvenserna av den riktade uttryck av milli-skala strukturer till långt-området undertecknandet av fjäder, aktiverade vi utredning sina adaptiva följder.

Vi möter praktiska avvägningar mellan spektral, spatial och vinkel-upplösning. Vi valde hög rumslig, medelhög vinkel och låg spektral för våra studier. Andra kombinationer kan användas, men vissa (t.ex. alla hög) leder till unworkably långa mättider. Insatserna måste vara inriktade där det är viktigt för de speciella fenomen som studeras. I valet att anställa en RGB caMera med ett Bayer filter mosaik, utformade vi våra protokoll för att matcha den mänskliga visuella systemet. RGB-kamera kunde bytas ut och våra protokoll anpassat för att mäta den relativa färgen stimulans av en organism, är t.ex. känslighet i UV-spektrumet för att mäta aviär tetra-kromatisk färg ^24,25. En spektral avbildning kamera skulle ge den mest allmänna lösningen ^25.

Vi visade våra protokoll med tertialet vingpennor eftersom de är färgglada och lätt tillplattad mot en referens platta. Olyckligtvis avslöjade öppningen av metallplattan endast en bråkdel av fjäder yta. Om vi kunde samtidigt mäta 3D-formen på fjädern ytan samtidigt mäta dess reflektans ^25, kunde vi undvika mekaniskt platta fjädern och istället mäter hela fjäder i sin naturliga utplattad, tillstånd.

Interaktiva, specialiserade, integrerade verktyg för att visualisera data ger väsental nytta för forskare utforska och tolka stora datamängder. Ju större integration och interaktivitet, är de enklare anslutningar i data observerats. I vår programvara, kan användaren rita interaktivt genomsnittliga riktad spridning som funktion av ytläge (Figur 4). Vidareutveckling av vår programvara kan integrera andra plottning funktioner (fig. 6, 7) att förlänga interaktiv upplevelse.