测量生物材料的空间和方向变化光散射

本实验的总体目标是测量并可视化结构复杂的材料在多个结构尺度上散射光方向的变化，以控制入射光和观测方向。将待测材料置于球形支架中心，光源安装在其中一个机械臂上，相机则依次安装在另一个机械臂上。在软件控制下，光源围绕材料中心在球面上按一系列离散位置系统移动，同时对材料进行拍摄。

在材料上选择一个感兴趣的区域，并提取每张照片中构成该区域的像素。然后将像素值映射到球面上的相应位置，以可视化从选定区域散射的光线方向。最后，利用这些数据规划从多个相机方向以及更高角度分辨率的额外测量。

最终，该方法有助于研究人员确定生物体结构与定向视觉信号之间的关系。与现有的成像散射几何技术相比，该技术的主要优势在于，我们能够通过软件在多个生物学相关尺度上，可视化复杂材料定向反射率的空间变化。尽管我们的研究重点是鸟类的定向信号传递及羽毛外观，但该方法同样适用于具有多尺度结构层次的其他光学系统。

实验的第一步是取一块带有约半英寸孔径的薄型费里斯金属安装板，其周围环绕着一圈目标标记。将待研究的羽毛平放在板的背面，使感兴趣的区域对准孔径中央。

接下来，将一片带有类似尺寸开孔的磁性薄膜贴在羽毛背面，以使羽毛紧贴于平板上。对齐薄膜与平板的开孔，注意避免对羽毛造成剪切。这将使羽毛呈现出一个大致与平板表面共面的宏观平面表面。

为配置机架，首先找到机架坐标系原点处圆形孔径的中心。将光源放置在机架的外臂上。

将光线聚焦并精确对准羽毛。接着，将相机安装在龙门架的内臂上。调整相机距离以及微距镜头的焦距，直至目标环充满传感器的宽度。

此时，应校准机架臂，并配置相机的焦距和曝光参数。通过将相机光轴垂直于表面平面进行定位，开始测量。将光源放置在一系列定义入射光方向的位置中的第一个位置上。

光源的位置应在暗室中围绕羽毛均匀分布在球面上。对于每个光源位置，分别采集先前确定的曝光范围内每种曝光时间的原始图像。然后将光源移至下一个位置，并重复上述步骤。

数据采集完成后，开始处理每次成像事件的图像。光源方向。将所有低动态范围曝光图像合成为单一的高动态范围彩色图像。

这些高动态范围的彩色图像用于生成可视化数据。要浏览处理数据，需使用定制的简易浏览器应用程序。该程序打开后会显示一个窗口，其中包含由第一个入射光照方向照射下的羽毛图像。

现在选择羽毛羽轴的一个区域进行分析。此处，从可用选项中选择一个矩形区域。绘制所选区域的平均方向性光散射，绘图窗口显示反射率随方向的变化关系。

协同窗口位于图像窗口旁边，可调节色图的曝光。通过软件，可在单位球面上循环显示反射率色图，切换于亮度RGB与色度之间。下文将使用我们的GB。

要旋转球体，请点击该球体。要启用轨迹球界面，请拖动界面以实现旋转。要查看反射半球，请将球体恢复至默认位置。

将球体从默认位置旋转180度。要以另一种视角查看数据的透射半球，可选择极坐标图模式，以显示单位球体上各方向半径按其相应亮度值缩放的结果。将亮度缩放球体的颜色映射从RGB更改为色度。

在方向散射图中，显示图像的照明方向以红色圆圈标出。单击其他任意入射光方向，可查看羽毛从该方向照明时的效果。降低图像曝光度以校正过度曝光。

为了研究跨多个尺度的反射率，将绘图模式恢复到单位球面，并使用 RGB 色彩图。将选择类型从矩形区域更改为线性区域。这将有助于研究矩形区域内单个精细结构的反射率。

在新窗口中绘制线性平均的反射率，同时保留矩形平均作为参考。此处可见，线性区域所覆盖羽毛的远端羽小枝沿水平方向反射光线。在线性图中选择一个照明方向，以在左侧图像中显示高反射性的远端羽小枝，进而研究相邻的暗条带。

将线性选择区域移动至羽枝结构的该区域。在此处，线性平均图中近端ES支从主干分出，近端ES表现出垂直反射光线的特性。选择其中一个方向，以在左侧图像中显示高反射性的近端羽小支。

观察到线性图中以水平和垂直方向反射光的精细结构，在矩形图中组合形成了所见的远场信号。在回顾了测量和可视化多尺度层级上方向性光散射的基本步骤之后，接下来将描述高级相机校准技术，为使用安装夹固定羽毛、将带有棋盘格图案的校准目标紧贴安装板，并从多个相机方向开展实验做好准备。将相机放置，使其光轴垂直于安装板。

使用任何能够实现适当曝光的照明条件来拍摄一张图像。拍摄培养皿的图像，用于 MATLAB 中的相机标定工具箱。已证明，从以培养皿垂直轴为中心的 120 度圆锥范围内的相机位置拍摄九幅图像即已足够。

完成此操作后，校准相机位置，包括其到校准目标的距离 Z。接下来，移除校准目标，露出围绕孔径的一圈目标。使用安装在相机上的闪光灯拍摄目标的两张图像，一张从垂直于平板的方向拍摄，另一张从掠射角方向拍摄。

这两幅图像将用于校准相机到目标环和羽毛的距离，方法是求解平移偏移量 T1 和 T2。完成相机校准后，我们即可通过交替的方向采样模式，从多个相机方向测量光散射。首先，使用简易浏览器打开一个数据集，该数据集包含一个稀疏采样的入射光方向球体以及一个垂直的相机方向。

观察羽毛反射光的方向分布。根据此评估，优化入射光方向的设置，以改进方向采样。这些位置应密集采样镜面反射方向，稀疏采样非镜面反射方向。

选择六个额外的相机方向，均匀分布在半球的一半范围内。针对每个方向，在反射半球中对镜面反射方向进行密集采样，对非镜面反射方向进行稀疏采样。针对每个半球中的每个入射光方向，首先使用安装在相机上的闪光灯拍摄羽毛周围的目标环。

其次，在曝光包围序列中的每次曝光下拍摄羽毛照片，然后将各次曝光图像合成为一幅高动态范围彩色图像。利用吊架坐标对闪光灯照射下的照片进行粗略校正。

然后查找并利用其目标中心，精确投影羽毛的高动态范围（HDR）图像，就像从垂直方向拍摄的一样。处理完成后，使用简单的浏览器直观浏览羽毛同一区域的定向反射率。在七个非均匀采样的半球中，将每个相机方向的定向反射率图谱按极坐标系排列，如下极坐标图所示，展示了在紫辉椋鸟羽毛上多个相机位置的测量结果。

红色箭头表示相机方向。相机在球面上的位置如插图所示。在每个观察方向上，均会从数百个入射光照方向收集反射光。

RGB 颜色数据显示，该羽毛具有虹彩特性，入射光垂直照射时呈蓝绿色，而以掠入射角度照射时则变为品红色。当入射光照方向与相机观测方向被限制在单一维度时，该技术可用于更高角度分辨率的研究。插图中绘制了反射光的色度随入射光与观测方向之间半角的变化关系。

当入射光与观察方向位于垂直于远端杆纵向轴的平面内时，随着虹彩颜色在色度空间中移动，色调从蓝绿色转变为紫色。此处展示了反射光的主波长随入射方向与观察方向之间夹角变化的关系。红线对应于入射光与观察方向位于远端杆纵向轴所在平面的情况。

阴影区域表示方向与该轴垂直时的情况。阴影的颜色是反射率负波的 RGB 颜色。长度值代表非光谱区域中的颜色。

除了主波长外，还有关于反射率的色度百分比和亮度百分比随入射角与观察角之间夹角变化的数据。同样，红线表示入射光方向与观察方向位于远端棒状结构纵轴所在平面时的情况。阴影区域表示这两个方向垂直于该轴时的情况。

一旦掌握典型测量方法，使用该技术可在不到14小时内完成数据采集与处理。该技术为鸟类学和计算机图形学领域的研究人员探索复杂羽毛形态与鸟类视觉信号方向性效应之间的关系奠定了基础。