Измерение пространственных и направлению изменяющейся рассеянию света из биологического материала

Summary

Мы представляем неразрушающий метод отбора проб пространственное изменение в направлении света, рассеянного от структурно-сложных материалов. Поддерживая материально нетронутыми, мы сохраняем брутто-рассеяния масштаба поведения, в то время как одновременно захватив мелкомасштабных направленного вклады с высоким разрешением. Результаты визуализируются в программном обеспечении на биологически соответствующие должности и в масштабах.

Abstract

Свет взаимодействует с кожного покрова организма на различных пространственных масштабов. Например, в радужных птиц: нано-структур производят цвет; милли-масштабной структуры зубцы и бородочки многом определяет диаграмму направленности отраженного света, и через макромасштабе пространственная структура перекрытия, изогнутые перья, эти направленные световые эффекты создают визуальной текстурой. Milli-масштаба и макро-масштабных эффектов определить, где на теле организма, и от того, что точки зрения и при каких освещение, радужные цвета не видно. Таким образом, узконаправленным вспышки ярких цветов с радужным горло колибри неадекватно объясняется его нано-структуры в покое и вопросы остаются. Из заданной точки наблюдения, которое Милли масштабе элементы ориентированы перо, чтобы отразить сильно? У некоторых видов производят широкий «окон» для наблюдения радужные, чем другие? Эти и подобные вопросы май спросят о любых организмов, которые развивались на определенный внешний вид поверхности для сигнализации, камуфляж, или по другим причинам.

Для изучения диаграмм направленности рассеяния света на перья, и их связь с Милли масштаба морфологии птиц, мы разработали протокол для измерения света, рассеянного из биологических материалов с использованием многих высоким разрешением фотографий, сделанных с разной освещенности и направления визирования. Поскольку измерение рассеянного света в зависимости от направления, можно наблюдать характерные особенности в направленном распределения рассеянного света из этого конкретного пера, и потому, зубцы и бородочки разрешаются в наших изображений, можно четко отнести направленного функции этих различных Милли-штабных структур. Хранение образца сохраняет нетронутым брутто-рассеяния масштаба поведения, наблюдаемых в природе. Описанный здесь метод представлен обобщенный протокол для анализа пространственно-и направленно-ванения рассеяния света на сложные биологические материалы на нескольких структурных масштабов.

Introduction

Цвет и рисунок кожного покрова организма играют экологически и социально важные функции в большинстве таксонов животных. Эти фенотипические свойства определяются взаимодействие света со структурой покровов, которые могут проявлять оптическую рассеяния, которая изменяется как в пространстве (по всей поверхности кожного покрова) и направленно (с изменением освещения и направление взгляда). В сложных биологических материалов, таких как перья, направление рассеяния света зависит от ориентации повторять милли-геометрическом масштабе. Эти милли-штабных структур сами по себе могут быть внедрены с нано-структур, таких как меланин массивы, которые часто наследуют Милли масштаба ориентации. От нано-до макро-масштабах, структура покровов превратилась функционально увеличить сигнализации способность организма. Для оценки влияния на морфологию различных масштабах на общий внешний вид, инструментыизмерения и анализа цвета биологических структур нужна гибкость, чтобы изолировать направленного рассеяния света в различных масштабах увеличения.

Мы разработали на основе образа инструментами измерения изучить, как выполнение сложных и разнообразных Милли масштаба морфологии пера (бородки Рами, бородочки дистальных, проксимальных и бородки) расширяет диапазон возможных выражений из нано-структур в одиночку. В единый образ, записанный на фотокамере, мы обнаружили, что свет, отраженный по-разному в разных местах на поверхности пера, то есть отражения была пространственно-меняется. Когда мы переместили света и камеру направлении относительно пера, мы наблюдали отражательной изменилось, то есть отражения направленно изменяющихся ^1. После этих наблюдений, мы разработали протокол методично двигаться свет и камеры вокруг объекта с использованием сферических козловой ^2,3, с помощью которого мы захватили 2 размеры Суrface позиции (X и Y), 2 размеры направление света (широта и долгота) и 2 размеры направление камеры (широта и долгота) (рис. 2). В программном обеспечении мы визуально исследовали 6 измерений рассеянного света в зависимости от позиции, освещение направление и направление взгляда.

Предыдущие исследования в коэффициенте отражения от кожных покровов слишком часто дисконтированных вклад направленности - например, диффузное или зеркальное против изотропной против анизотропной отражении - чтобы цвет выражения. Большинство измерений цвета зафиксировали падающего света, объекта и просмотра геометрии тщательно избегать направленного эффектов. Например, для устранения зеркального отражения от цветовых измерений, он является общим для размещения света по нормали к поверхности и записывать отражения под углом 45 ° от нормального. Исследования, которые делают связь морфологии с целью непосредственного отражения изменяющихся обычно сосредоточены на нано-и его радужными последствиями ^4-8. Мало рассмотреть вклад микро-, милли-, и макро-масштабе геометрии на Дальний оптическая подпись ^8-11. Поэтому обычно используют детектор света в совокупности отражения в пределах одной области интересов, которые могут включать в себя несколько милли-и / или макро-масштабе компонентов, таких как колючка Рами, бородки, и даже целые перья ^6,8,11-17 . Когда область интереса либо меньше предела разрешения детектора или не соответствует форме поля детектора зрения, общий протокол вскрытия образца указывает изолировать рассеяния света на конкретных Милли масштаба элемента ^{8,10 , 13,15.}

Мы разработали более всеобъемлющий протокол для приобретения измерения и визуализации, что способствует исследованию многих переменных часто игнорируется в других более целенаправленные исследования. Мы измеряем рассеяния света по сфере направления и AcrosSA области пространства с помощью массивного множества высоких динамический диапазон, высокое разрешение фотографий, сделанных в результате систематического набора света и направление просмотра. Мы используем высокое разрешение датчика изображения с 2D массив мелкомасштабных пиксельных детекторов. Агрегация в аппаратной происходит на уровне пикселей, в масштабах, меньших масштабах милли-элементов мы измеряем. Второй этап агрегатов отдельные пиксели в программном обеспечении, как пользователь выбирает формы и размера области, представляющей интерес. Соответственно, один набор измерений может быть повторно проанализированы в программное обеспечение, чтобы исследовать различные аспекты взаимодействия света с материалом на нескольких биологически соответствующих позиций и весов. Устраняя вскрытие и измерение всей перо, наш протокол имеет то преимущество, оставив морфологии пера лопатки нетронутым, сохранив природный контекст и функцию, которая является, взаимодействия света между составляющими Милли масштаба элементов.

Рассеяние света с организменнуюtructure многомерно и трудно поддаются количественной оценке. Измеренные 6D рассеяния света пока не могут быть отнесены к конкретным морфологии в иерархии масштаба с любой особой инструмента. Но мы сделали важный шаг в этом занятии. Мы разработали инструмент охватывающий три дополняющих друг друга метода - отбор проб отражения помощью козловых, исследуя большие объемы данных в программное обеспечение и визуализации данных подмножеств графически - расширить нашу способность измерять 6D рассеяния света в любой точке материала, вплоть до Милли-масштабе. Как протоколов, таких, как наша заняты, мы прогнозируем, биологов определить множество направленно и пространственно-различные черты и соответствующих структурных адаптаций в различных масштабах развития. С помощью наших инструментов мы занимаемся характеризующих сигнализации потенциал направленности и пространственное выражение милли-штабных структур, и надеемся, чтобы пролить свет на их адаптивные последствия. Мы обращаемся к кругу вопросов, таких как: оту заданной точки наблюдения, которая мелкомасштабных элементов или грубых масштабах регионов пера отражают сильно? Каким образом ориентация мелкомасштабных элементов влиять на направление рассеянного света? Какие морфологические условия производят атласным блеском по сравнению с блестками блеск радужным орнаментом? У некоторых видов производят широкий «окон» для наблюдения радужные, чем другие? Эти вопросы могут спросить о птицах и их перья, но и о любых других организмов, которые развивались на определенный внешний вид поверхности для сигнализации, камуфляж, или по другим причинам.

Protocol

При использовании наших методов измерения образца, экспериментатор должен решить, на множестве камеры и света направлениях, и для каждой комбинации камеры и света направлениях, камера делает несколько экспозиций с различной выдержкой. Перемещение камеры требует дополнительной обработки, потому что она изменяет внешний вид образца, как показано на изображении, поэтому обычно используют небольшое количество камер направления и большее количество света направления источника.

В подробные протоколы ниже, мы сначала описать, как выполнять измерения со многими Направления на источники света и камеры одном направлении, и, как обрабатывать и визуализировать полученные данные (протокол 1). В основной протокол, который может быть использован сам по себе, когда один вид Достаточно заметить изучаемых явлений, мы всегда перпендикулярной камеры для образца (первичный Рутинное на фиг.1). При использовании нескольких направлений камера требуютсяв результате косых взглядов образец может быть деформирован, чтобы устранить последствия перемещения камеры и, таким образом, чтобы выровнять изображение именно с канонической, перпендикулярном. Для вычисления этих перекосов, то выполнить дополнительные шаги калибровки, которые используют наблюдения мишеней, расположенных вокруг образца точно определить движение камеры относительно образца. Протокол 2 Этот процедуры калибровки и объясняется, как выбрать параметры и запустить протокол 1 несколько раз, чтобы собрать данные из нескольких просмотров (вторичный Подпрограммы на рисунке 1). Наконец, протокол 3 подробно дополнительные шаги, которые должны быть вставлены в Протоколе 1 исправить косых взглядов в процессе обработки данных.

1. Измерение рассеянного света в направлении нормали к поверхности над сферой Инцидент направления (первичный Рутинные на рисунке 1)

1. Подготовке и установке измеряемого объекта
   1. Подготовка тонких черных металлов монтажной пластиныс ½-дюймовые отверстия окружены кольцом из целей (как показано на рисунке 2).
   2. Подготовка материала должна быть измерена. При измерении перо, жених бородки для коррекции распакованные или неправильно разделы pennaceous лопасти.
   3. Lay поверхности объекта (лицевой лицом перо) к задней стороне (противоположной целевой кольцо) пластины.
   4. Центр области интереса по ½-дюймовый отверстие в пластине.
   5. Lay листа магнитной пленки с 5/8-дюймовый отверстие у задней стороны объекта (обратную сторону перо), тем самым нажатием объект прилегает к пластине.
   6. Выравнивание отверстие пленки с отверстием пластины без сдвига поверхности. Уплощенной поверхностью, возлагали по окружности круглого отверстия, приводит к плоской макро-поверхность приблизительно совпадает с поверхности пластины.
2. Настройте Козловой
   1. Найдитецентре круглое отверстие в начале координат системы координат портальный.
   2. Поместите источник света на козловой внешний рычаг. Цель и узко сфокусировать свет на объекте, гарантируя, что отверстие равномерно освещенные светом для всех углов источника.
   3. Наведите камеру на козловой внутреннюю руку. Установите расстояние камеры и фокусное расстояние макрообъектив, пока кольцо целей не заполнит ширину датчика.
   4. Калибровка вращательные движения (θ, φ) камеры и лампы оружия. Калибровка наклона (θ) по отношению к поверхности объекта нормальным, так что камера и лампа выровнены с поверхностью нормально, когда θ = 0. Калибровка азимут (φ) камеры к азимуту лампы. Абсолютная ориентация азимутального не является критическим, так как захваченные изображения можно вращать позже в протоколе.
3. Настройка фокуса и экспозиции камеры
   1. Расписание дежурствТе камеры, пока объект рассматривается под углом скольжения. Уменьшите F-числа, чтобы минимизировать глубину резкости (DOF), то установить фокус самолета в центре отверстия. Увеличение диафрагменное число для увеличения резкости, пока кольцо целей, окружающей отверстие не находится в фокусе. Компромисс между дифракции и DOF-индуцированной размытие может потребоваться.
   2. Клип цвета стандартные плоские к монтажной пластине. Для RGB изображения использовать Checker Макбет цвета. Для УФ-видимой и ближней ИК измерения используют Spectralon.
   3. Сфотографируйте стандарт цвета в RAW формате. Рассчитайте мультипликаторы цветовой канал, баланс белого изображения.
   4. Найти экспозиции кронштейн, который охватывает динамический диапазон сцены в самых крайних просмотра и освещение направлениях.
   5. Для каждого времени экспозиции в кронштейне, приобретают темно шумов изображения путем внесения датчика при помощи крышки объектива на.
4. Приобретать измерения от Sparsely Sampled Сфера Инцидент инструкции
   1. Установите камеру оси, перпендикулярной к плоскости {θ, φ} = {0,0}.
   2. Шаг света через серии равномерно распределенных позициях на сфере, используя грубую выборки (например, менее 500 баллов).
   3. Для каждого направления падающего света в выборке:
   4. Захват сырые изображения для каждого Выдержка в экспозицию.
   5. Получение снимка освещенной камере вспышку синхронизировать с относительно коротким временем экспозиции для подавления освещения козловые лампы.
   6. Перейдите к следующему направлению падающего света и повторите.
5. Процесс измерения от Sparsely Sampled сферы
   1. Использование отладки (документ) режим Dcraw отключить его demosaicing функции преобразования из формата RAW в оттенки серого, 16-бит, линейные, PGM формат:
      1. Каждый темные воздействия шума.
      2. Каждая экспозиция объекта в каждом направлении падающего света.
      </ OL>
      3. Интеграция всех низких динамический диапазон (LDR) серого воздействий при освещении лампой козловые в единый высоким динамическим диапазоном (HDR) цветного изображения для каждого направления падающего света.
         1. Вычтите соответствующее темное изображение шум от каждого LDR экспозиции.
         2. Устранения мозаичного изображения LDR каждой экспозиции для получения одной четверти масштаб изображения.
         3. Баланс белого каждого LDR экспозицию с использованием цветового канала мультипликаторов вычисленных на этапе 1.C.3.
         4. Слияние темного шума вычитают LDR экспозиций в одно изображение HDR путем суммирования всех значений в каждом местоположении пикселя и деления на сумму времени экспозиции, опуская передержанный пикселей с обеих сумм.
         5. Магазин HDR изображения в формате EXR закодированы в половине обращении точностью и без потерь вейвлет (PIZ) сжатия.
      4. Если направление камеры не каноническая направлении или выполняется измерение является частью нескольких заданном направлении камеры (вторичный Подпрограммы на рисунке 1й протокол 2):
         1. Преобразование одного LDR серого экспозиции вспышки подсветкой сопровождение целей для каждого направления падающего света demosaiced, одна четверть масштабе, LDR цветное изображение в формате EXR.
         2. Следуйте протоколу 3 использовать вспышку подсветкой изображения для каждого проективные преобразования HDR лампы подсветки изображения в каноническом представлении.
      5. Поверните HDR изображений в требуемой ориентации - например, в нашем случае поворот на 90 ° ориентирует черенок вертикально и кончиком пера вверх.
      6. Обрезка изображения HDR плотно вокруг круглого отверстия. Маскировка цели и металлической пластины вне апертуры уменьшает размер файла до 25%.
      7. Переставляют данных во всем набором изображений HDR для создания набора файлов, по одному для каждой из нескольких блоков в изображении, которые содержат все значения направленного отражения организованного пиксель. Эти файлы кэша направленного отражения организованы так, чтобы позволить быстрый доступ кЛ.Л. направленные измерения цвета в одной позиции пикселя 2D проекции 3D объекта.
   2. Визуализация пространственно-рассеяния света различными по иерархии от масштаба
      1. Для просмотра измерений, использовать пользовательские приложения SimpleBrowser интерпретировать данные обрабатываются в шаге 1.e. SimpleBrowser открывается окно, содержащее изображение пера освещенная первые направление освещения инцидента.
      2. На изображении пера лопатки, отдельные пиксели или группы пикселей в линейном или прямоугольной договоренности могут быть выбраны (рис. 3). Продолжать выбрав прямоугольную область пера лопатки для анализа. Тогда, участок среднего направленного рассеяния света от выбранного региона. Сюжет окно, показывающее отражения как функцию направляющих косинусов открывается рядом с изображение окна (R1 на рис 4).
      3. По умолчанию в направлении максимальной яркости (коэффициент пропускания в направлении тиPical измерения перо) присваивается воздействия 1. Уменьшение или увеличение экспозиции в одной половине остановки (√ 2 х) приращения для регулировки экспозиции от карты цвета отражения.
      4. Цикл карту отражения между яркостью цвета, RGB, и цветности (см. R1, R2, R3 и на рисунке 4). Для следующих шагов использовать RGB.
      5. Чтобы повернуть сферу, нажмите на нее для того, чтобы трекбол интерфейс. Перетащите интерфейс вызывать вращения. Для просмотра отражения полушарии, верните сферы к ее позиции по умолчанию (см. R2 на рисунке 4). Поворачивая сферу 180 ° от позиции по умолчанию для просмотра пропускания полушарии (см. T2 в рис. 4).
      6. Для другой вид данных, выберите режим полярных участок для масштабирования радиусы каждом направлении на единичной сфере их соответствующих значений яркости. Изменение цвета карта яркости масштабной сферы от цветности, RGB (См. P3, F3, S3, A3 на рисунке 4
      7. Освещение направлении отображаемое изображение обведено красным в направленном участок рассеяния (рис. 4). Нажмите любом другом направлении освещения инцидент, чтобы показать изображение пера освещенной этом направлении.
      8. Уменьшение или увеличение экспозиции снимка выявить снова и недоэкспонирована регионах.
      9. Для исследования отражения на различных иерархических уровнях, восстановить сюжет режима в сфере устройства и карты цветов в RGB. В обзоре, этот участок отображает среднего направленного отражения от выбранной прямоугольной области на изображении.
      10. Измените выбор типа от прямоугольной к линейной (рис. 3). Это позволит изучение направленного отражения от отдельных мелкомасштабных структур в прямоугольной области.
      11. Участок отражательной способности линейной среднем в новом окне, сохраняя при этом прямоугольная среднем по ссылке. Коррекцию экспозиции и набор цветов карту RGB.
      (рис. 8). Выберите одно из направлений в освещении нелинейный сюжет для отображения высокой отражающей способностью дистальной бородочки на изображении слева.
      12. Шаг линии в направлении кончика пера, пока не достигнет области пера, где проксимальный ветвь бородочки от соседних ветвей. В линейном среднем участке проксимального бородочки видели, чтобы отражать свет в направлении вертикальной (рис. 8). Выберите одно из направлений для отображения высокой отражающей проксимальных бородочки на изображении слева.
      13. В линейном участке, соблюдать мелкомасштабных структур, которые отражают свет в направлениях горизонтальной и вертикальной объединяются, чтобы произвести дальнего поля сигнала видно на прямоугольном участке.

   2. Измерение рассеянного света в разных направлениях камерой (вторичный Рутинныесек на фиг.1)

   Нескольких телекамер и неравномерной направленного отбора проб позволяют исследовать особенности направленного отражения. С добавлением шагов калибровки и 2.В 2.А, 1 протокол был расширен для обработки нескольких телекамер. Два конкретных примерах наглядно иллюстрирует как вторичные Подпрограммы II.A и II.B на рисунке 1 может быть установлен впереди в шагах 2.C и 2.D ниже. В таких случаях, направление камеры обработке по сравнению с каноническим направлении (по нормали к поверхности), что означает, что объект фотографируется из направления, наклоненного от нормали к поверхности. Так как изображения должны быть отображены в той же системе координат, мы исправим и вызвать деформацию каждой фотографии в соответствии с канонической ориентации, ссылаясь на флэш-сфотографировали цели окружающей образец (рис. 9).

   1. Калибровка проекция сцены и должность:
      Цель этих шагов для расчета камеры проекперегиба и положение изображения, используемые в преобразовании.
      1. Клип проверки узором калибровки целевой прилегать к монтажной пластине.
      2. Захват одного кадра в каноническом зрения камеры (т.е. {θ, φ} = {0,0}) и несколько изображений на разные другие виды камеры расположены на 120 ° конуса с центром в каноническом представлении.
      3. Загрузите изображения в Bouguet Toolbox ^B, калибровки камеры MATLAB Toolkit. Извлечение сетки углов каждого из изображений, чтобы реконструировать камеру матриц. Экспорт внутренней камеры матрица проекции (P) и внешне положение камеры матрицы (M). Внутренние проекции камеры состоит из фокусного расстояния и главную точку. Внешнее положение камеры состоит в основном из перевода; он переводит происхождении мира с положением камеры.
      4. Решите для матрицы, которая преобразует калибровки-координаты цели на козловой проигрывателя координатами (х), т. BougueT пространства для козловых пространстве.
      5. Отсоедините клетчатой ​​структурой от металлической пластины.
   2. Калибровка целевые должности и прогнозирования смещений:
      Целью этих шагов для вычисления смещения между калибровочной плоскости, заданной плоскости, и образцом, и чтобы найти целевой позиции.
      1. Вращение камеры в портальный координат так, что оптическая ось перпендикулярна плоскости поверхности, т.е. канонический кадра.
      2. Захват изображения кольца целей, окружающей отверстие с подсветкой вспышкой. Это каноническое изображение для выравнивания изображения.
      3. Процесс добытого рядового камеру (Протокол описано в пунктах 1.E.3.a. и 1.E.4.).
      4. Маска региона внутри и вне целевой зоны кольца, устранение паразитных бликов, которые могут запутать распознавания цели, а затем найти цели в изображении.
      5. Поверните камеру в угол скольжения и захвата изображений.
      6. Рассчитать каноническаяAmera позе (Мс = M * RC) и выпаса угол ставят камеру (Mg = M * Rg) на основе внешней камеры матрица М в шаге 2.A.3. который включает в себя перевод на основе положения узора проверки Bouguet.
      7. Переопределение M путем смещения его перевод на толщину бумаги целевого кольцом. Не итерации путем проб и ошибок (пересчете М использованием другого смещения для калибровки плоскости), пока смещение в портальный пространство между плоскостью Bouguet шахматном и плоскостью кольца мишени, т.е. толщина бумаги целевого кольцо, была решена. Убедитесь, смещение в каждой итерации перепроецирования целей в выпаса угол изображения на цели канонический образ.
      8. Пересмотрите M в соответствии с процедурой предыдущего шага, чтобы перепроецировать перфорированных объекта в выпаса угол изображения на перфорированной объекта в канонический образ методом проб и ошибок, пока не смещение в пространстве козловые между плоскостью кольца цели и плоскости Ое перфорированных объекта, т.е. толщина металлической пластины, была решена.
   3. Измерьте Семь неравномерно Sampled отражения полушариях (вторичный II.A Рутинные на рисунке 1)
      1. Изучить направленное распределение отраженного света измеряется от камеры нормали к поверхности, т.е. {θ, φ} = {0,0}, как описано в протокола 1. Ресэмплировать отражения полушарии для записи камер сияние от незеркальных направлениях более редко и зеркальных направлениях плотнее.
      2. Применять одинаковые критерии для выборки отражения в 6 дополнительных направлений камеру равномерно распределены по половине полушария, т.е. {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {60,45} {60,90}, {60135}. Предсказать зеркального регионах 6 дополнительных проходит от направления наблюдения каждого сочетании с углом отражения начального запуска.
      3. Для каждого из 7 неоднородныйLY пробы полушарий, получения и обработки измерений, следуя инструкциям в шаге 1.D. и 1.e. выше.
      4. Визуального просмотра содержимого направленного отражения из того же региона пера в каждом из 7 неравномерно пробы полушарий, следуя инструкциям в шаге 1.Е. выше. Разместите направленного участков отражательной способности для каждого из 7 камера направлениях на полярной системе координат, где размещение каждого участка основано на его направление камеры (см. визуальных результатов Обычные II.A на фиг.1; также фиг.5).
   4. Измерьте мелко дискретизации полукруглые путями приобрести подробную информацию о изменение цвета с угловым (вторичный II.B Рутинные на рисунке 1)
      1. Запустите приложение и введите SimpleBrowser обработанных измерений неравномерно пробы отражения полушарии с направлением камеры {θ, φ} = {0,0}, как описано в шаге 2.С.1. Выберите наэлектронной пиксель в изображении, затем установите на самолет 90-го процентиля яркости полусферической отражения в выбранной позиции пикселя.
      2. Построить 1D перспективе приобретения котором тонко образцы зеркального отражения в зеркальной плоскости. Создать козловым руку углов в ½ ° половиной угла шагом в плоскости, определенные в предыдущем шаге. Начнем с половинный угол равен 0 °, а увеличение половинный угол до 90 °. Для каждого измерения в приобретении перспективе, держать половину вектор постоянным и равным нормали к поверхности так, что каждая камера направление расположено в зеркальном направлении.
      3. Получения и обработки измерений, следуя инструкциям в шаге 1.D. и 1.e. выше.
      4. Визуального просмотра содержимого 1D направленного отражения следуя инструкциям в шаге 1.Е., в то время выборки очень малой области (например, 3x3 пикселей) с центром на одном пикселе используется для подбора зеркального самолета в шаге 2.D.1. Найти направлении пика отражения, т.е.затенения нормально. Построить три дополнительных приобретение работает таким же образом, как на стадии 2.D.2., Но установить половину вектора затенение нормальной вместо нормали к поверхности. За три дополнительных трасс, генерировать портальный рукой углы, которые лежат в плоскостях, содержащих затенение нормальным, но которые повернуты 45 °, 90 ° и 135 ° по отношению к плоскости зеркального определенных на этапе 2.D.1.
      5. Получения и обработки измерений, следуя инструкциям в шаге 1.D. и 1.e. выше.
      6. Визуального просмотра содержимого 1D направленного отражения следуя инструкциям в шаге 1.Е., в то время выборки очень малой области (например, 3x3 пикселей) с центром на пиксель использованы для установки зеркальных плоскостей в шаге 2.D.1. Экспорт из SimpleBrowser среднем отраженного сияния этом очень небольшом регионе.
      7. В MATLAB, график его цветности в зависимости от половинного угла на диаграмме цветности (рис. 6). Участок его оттенок, насыщенность цвета и яркости в зависимости от половинный угол (<STRONG> рисунок 7).
      8. Построить еще четыре 1D приобретения выполняется в том же четыре самолета, как указано выше, но на этот раз настроить свет и камеру направлениях для измерения ширины и распада зеркального отражения. Установить половинный угол между светом и камера постоянной 10 °. Создать козловым рука углов 1 ° половину вектор интервалы вокруг оси, ортогональной плоскости. Начало с половинной вектор, равный -80 ° и увеличить половину вектора до +80 °, где 0 ° равна затенение нормально. Следует отметить, что не все стороны камеры расположены в зеркальном направлении.
      9. , Обрабатывать и экспорт измерений, следуя инструкциям в шаге 1.D. и 1.e. и 2.D.6. соответственно.
      10. В MATLAB, график его цветности на диаграмме цветности в зависимости от угла между половиной вектора и затенение нормально. Участок его оттенок, насыщенность цвета и яркости в зависимости от угла между половиной вектора и затенение нормально.

      3. Проективное преобразование

      Проективные преобразования каждого изображения HDR в канонические вид или вид направлении, перпендикулярном плоскости поверхности. Этот протокол доступен Шаг 1.E.3.b когда выполняется измерение является частью нескольких заданном направлении камеры, такие как примеры, изложенные в Протоколе 2 и наглядно иллюстрирует как вторичные Подпрограммы на рисунке 1.

      1. Читайте канонический образ освещенной незеркальных направлении. (При скользящем зеркальные направлениях уменьшенный контраст между белой поверхностью бумаги и черной краски может привести к обнаружению цели недостаточности. Сравните четкости изображения и B на рисунке 9.)
      2. Найти координаты центра каждой мишени в канонической изображения.
      3. Загрузите изображение цели освещенной камере вспышку для данной лампы-камера направленная пары (B на рисунке 9).
      4. Грубо траnsform изображение цели канонической системе камеры с помощью козлового матрицы камеры M вычисленных на этапе 2.B.7.
      5. Найти координаты центра каждой мишени в трансформированных целевом изображении (C на рис 9).
      6. Подходим каждом целевом в трансформированном конечное изображение, его цель ссылки в канонический образ, находя минимальное расстояние между изображением и эталонных целей.
      7. Отменить любые размытые цели вызвано DOF при скользящих углах (D на рисунке 9).
      8. Решите 2D проективные преобразования, который отображает изображение цели в канонической системе к каноническому-изображение цели в той же рамке.
      9. Untransform деформированные к монтажу цели из канонических кадр изображения обратно в исходный кадр изображения через плоскость с отверстиями объекта (M в шаге 2.B.8.), А не плоскостью цели (M в шаге 2. Б.7.).
      10. Сохранить целевую координату пар, которые сопоставляются с отверстиями объект в конечное изображение на перфорированную OBпредметом в канонический образ цели.
      11. Загрузите изображение HDR освещенная лампой (на рисунке 9).
      12. Определение пространственных проективные преобразования из списка сохраненных целевой пары координат для преобразования изображения HDR в канонической системе (Е на рисунке 9).
      13. Вернуться на основной протокол.

      Dcraw является открытым исходным кодом компьютерной программы, разработанной гроб Давида. Он преобразует собственных RAW-формат изображения фотокамеры (то есть необработанные данные CCD) в стандартный формат изображения. См. http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / Dcraw / .

      ^B Bouguet Toolbox это набор инструментов для калибровки камеры MATLAB разработаны Жан-Ив Bouguet. См. http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .

Representative Results

Первичное измерение нашего протокола (практический I на фиг.1) закреплен камеру направлении, нормальном к поверхности и перемещается только свет. Поскольку свет придерживается рассеяния к принципу взаимности, результат тот же, где мы храним камеры с постоянной во время движения света над полушарием или наоборот. Когда мы фиксируем видеокамеры или свет, полный 4-мерном направлении набор undersampled. Более полную картину рассеяния поведение наблюдается, когда, в отличие от первичных измерений, и свет, и камера перемещается от поверхности нормальных и во множестве направлений. В идеале, мы могли бы измерить рассеяния света с разных сторон камеры даже больше, чем количество направлений падающего света, чтобы получить симметричный набор данных. На практике это потребовало бы слишком много рисков. По нашему опыту, мы можем получить достаточно информации о различных позициях просмотра, перемещая камеру несколько раз АссуМин 180 ° поворотную симметрию относительно нормали к поверхности. Во время второй фазы измерения, мы приобрели измерения из 7 направлений наблюдения распределены по полушарии и в пределах 60 ° от зенита ^18,19 (практический II.A на рисунке 1).

На рисунках этой работе мы показываем, репрезентативных данных измеряется от пера Lamprotornis ригригеиз (фиолетовый Глянцевая Старлинг), коэффициент отражения которого радужные, глянцевые, и анизотропной (рис. 5). В каждой из 7 направлениях наблюдения, отраженный свет собирается из сотен падающий освещение направлений на полушарие. Направления образуют узкую полосу ортогонально ориентированных на центральной оси пера (см. перо изображение на фиг.4). Сдвиг радужные цвета тонкие (голубовато-зеленого при нормальном падении и зеленовато-синего при скользящих углах падения), когда перо рассматривается нормали к его поверхности, как показано на {0 °, 0 и де-г;} RGB участок Рисунок 5. Как просмотра углом скольжения подходы, углы между направлением взгляда и выпаса направлениях инцидента максимальны, что приводит к более поразительным цветовой сдвиг (голубовато-зеленого при 0 ° и пурпурного при 240 ° между инцидентом и направления визирования), как показано на {60 °, 0 °} RGB участок на рисунке 5.

Мы можем позволить себе шаг свет и камеру на гораздо тоньше, угловое разрешение при ограничении движения до 1 измерение. На рисунке 6 показан цветность отражения L. ригригеиз оперение в зависимости от угла между падающим и просмотра направлениях, где падающий и просмотра направлениях в плоскости, содержащей зеркального группа, перпендикулярной к продольной оси дистальной barbule. Как радужные дуги цвета через пространство цветности, оттенка переходит от голубовато-зеленого до фиолетового.

Пространственные переменные Ation в направленном отражения видна где различные (X, Y) координат покровов соответствуют различным милли-масштабе структур. В случае L. ригригеиз только одна структура - дистальной barbule - видна на большей части территории области. Напротив, в С. cupreus, три милли-штабных структур - Рами, дистальных бородки, и проксимальных бородочки - четко выделяются в данных, мы можем заметить, что отражения от пера ориентирована по отношению к продольной оси каждой структуры (рис. 8) .

Рисунок 1. Это схематическое изображает два крепежных методов, сферический портальные системы координат, типы выборки приобретение и их результаты. / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок.

Рисунок 2. Плоские перо видна через отверстие в металлической пластине окружен кольцом целей. Сферической козловые могут быть поставлены для измерения рассеяния света на нескольких перьев освещения инцидента и просмотра направлениях. L = легкая рука (широта). C = рычаг камеры (широта). B = основание камеры (долгота). T = проигрыватели (долгота). F = перо.

Рисунок 3. Средний Направленный рассеяние может быть вычислена из точки, линии или прямоугольную область пера лопатки.

p_upload/50254/50254fig4highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg "/>
Рисунок 4. Пример направленного рассеяния функции рисования (R * = отражение, Т * = пропускания, P * = Top, F * = Передняя, ​​S * = Сиде, * = произвольно) и цветовых схем (* 1 = яркостью, * 2 = RGB , * 3 = цветности). Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Рисунок 5. Яркости (вверху) и RGB цвета (внизу) полусферической отражения в космос косинус, если смотреть с (угол места, азимут) пары координат: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30, 90}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60, 90} и {60 °, 135 °}. коэффициент отражения среднем от 25 × 25 пикселя прямоугольного участка боковой лопасти tertial L. ригригеиз (фиолетовый Глянцевая Старлинг) перо. Красные стрелки обозначают камеру направлениях. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Рисунок 6. Цветность отражения как функции половинного угла между освещении инцидента и просмотра направлениям:. CIE 1976 однородными чешуйками цветности (ОСК) с увеличенной области Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

/ 50254/50254fig7highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg "/>
Рисунок 7. Отражения как функцию угла между освещение инцидента и просмотра направлениях, в плоскости с (красный) и перпендикулярно (заштрихованы) продольной оси дистальной barbule: (A) Преобладающая длина волны, (B) Процент цветность (С ) Процент яркости. оттенков цвета в заговоре является цвет RGB коэффициента отражения. Отрицательные значения длины волны представляют цвета в неспектральный фиолетовый треугольник. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Рисунок 8. Среднего направленного отражения бородочки дистальных и проксимальных бородочки между двумя соседними ветвями C. cupreus (МРики Emerald кукушки).

Рисунок 9. (A) Non-выпрямленным изображение освещенной козловые лампа, (б) не выпрямленным изображение освещенного вспышкой на камере, (С), фильтровали целевых кандидатов на аффинно-трансформированных, флэш-подсветкой изображения, (D) Приемлемо резкое целей в глубине поля, (E) ректификованный лампы подсветки изображения, (F) повернутого перо чаевые, укороченные и масках. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

Discussion

Хотя производительность и функции многих пигментных и структурных окраски, хорошо известны, морфология многих кожных покровов настолько сложна, что их структурных деталей и функции мало изучены ^20. Кожные разработали специализации, которые изменяются пространственно по поверхности организма к дифференциально отражают свет направленно к зрителю. Направленность получила внимание в первую очередь при изучении радужные из-за его цветового сдвига с изменением инцидентом и угол обзора, а также исследования в радужные биологических покровов собрал первую очередь 1D и 2D некоторых измерений ^8,12,17. Но обобщенно 6D измерения не рутина в исследовании кожных покровов ^21-23, радужные или иначе, и литература по организменную фенотипы цвета сдерживается отсутствием данных направления цвета типа наш вариант.

Перо особенно RICH покровного материала, содержащего механизмы Милли-масштабной структуры бородки: Рами, бородочки дистальных, проксимальных и бородки. Малый масштаб элементов и их сложные механизмы делают его трудно различить освещенности рассеяния отдельных элементов. Наш протокол успешно изолированы милли-масштабной структуры от влияния макро-масштабе геометрии. Характеризуя функциональные последствия направленного выражение милли-штабных структур в дальнем поле подпись пером, мы включили в свой запрос адаптивные последствия.

Мы столкнулись практические компромиссы между спектральным, пространственным и угловым разрешением. Мы выбрали высокое пространственное, угловое среднего и низкого спектрального для наших исследований. Другие комбинации могут быть использованы, но некоторые (например, все высокие) приводят к unworkably длительное время измерения. Внимание должно быть сосредоточено, где важно для конкретного изучаемых явлений. При выборе использовать RGB CAMERA с мозаичным фильтром Байера, мы разработали наш протокол, чтобы соответствовать зрительной системы человека. Камера RGB может быть заменен и наш протокол адаптирован для измерения относительной стимул цвет любого организма, например, чувствительность в УФ-спектре необходимо измерить птичий тетра-хроматического цвета ^24,25. Спектральная камера обеспечит самое общее решение ^25.

Мы показали наш протокол с tertial перья крыла, так как они красочные и легко прижался ссылкой пластины. К сожалению, в апертуре металлической пластины показал только часть пера поверхности. Если бы мы могли одновременно измерять 3D форма пера поверхности при измерении его отражение ^25, мы могли бы избежать механического выравнивания перьев и вместо измерить всю перо в его естественном, неуплощающаяся государства.

Interactive, специализированных, интегрированных инструментов для визуализации данных обеспечивают обосновадр. пользы для ученых, исследующих и интерпретации больших объемов данных. Чем больше интеграции и интерактивность, тем легче соединений в данные не наблюдается. В наше программное обеспечение, пользователь может интерактивно построить среднего направленного рассеяния в зависимости от положения поверхности (рис. 4). Дальнейшее развитие нашего программного обеспечения может интегрировать другие функции рисования (рис. 6, 7) расширить интерактивный опыт.