Name: 从生物材料空间定向变化的光散射测量 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: 学习使用球形支架和高分辨率成像技术测量生物材料空间定向光散射变化的方法。该技术可无损捕获精细结构的方向性反射，适用于鸟类羽毛等复杂材料的多尺度光学研究。

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本研究由美国国家科学基金会（NSF CAREER 奖 CCF-0347303 和 NSF 资助项目 CCF-0541105）资助。作者谨此感谢 Jaroslav Křivánek、Jon Moon、Edgar Velázquez-Armendáriz、Wenzel Jakob、James Harvey、Susan Suarez、Ellis Loew 和 John Hermanson 在学术思想方面所做出的贡献。康奈尔球面悬臂装置的设计基于 Duane Fulk、Marc Levoy 和 Szymon Rusinkiewicz 的原始设计构建而成。

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未声明任何利益冲突。

尽管许多色素色和结构色的性能与功能已被广泛认知，但许多表皮结构的形态极为复杂，导致其结构细节和功能仍不清楚20。表皮已演化出在生物体表面空间上变化的特化结构，能够将光线选择性地定向反射至观察者。由于颜色随入射角和观察角度的变化而发生偏移，定向性主要在虹彩现象的研究中受到关注，而对生物表皮虹彩特性的研究主要获得了1D及部分2D的测量数据8,12,17。然而，无论是虹彩还是非虹彩表皮，通用的6D测量在表皮研究中尚未成为常规手段21-23，而目前关于生物体颜色表型的文献也因缺乏本方法所能提供的这类定向颜色数据而受到限制。
羽毛是一种特别丰富的皮肤衍生物，由羽枝的毫米级结构排列组成，包括羽枝、远端小羽枝和近端小羽枝。由于这些结构单元尺寸微小且排列复杂，难以分辨各个单元的光散射性能。我们的实验方案成功地将毫米级结构从宏观几何形态的影响中分离出来。通过表征毫米级结构的方向性表达对羽毛远场信号的功能性影响，我们得以深入探究其适应性意义。
我们在光谱、空间和角度分辨率之间面临实际的权衡。在研究中，我们选择了高空间分辨率、中等角度分辨率和低光谱分辨率。其他组合也可使用，但某些组合（例如 所有高设置都会导致无法实际操作的过长测量时间。必须将注意力集中在对所研究的特定现象具有重要意义的区域。在选择使用带有拜耳滤光片马赛克的RGB相机时，我们设计的方案旨在匹配人类视觉系统。该RGB相机可以被替换，且我们的方案也可相应调整，以测量任何生物体的相对颜色刺激。 例如 在紫外光谱范围内需要具备灵敏度，以测量鸟类的四色性颜色24,25光谱成像相机将提供最通用的解决方案25.
我们以三级飞羽演示了本实验方案，因为这些羽毛颜色鲜艳且易于紧贴参考板压平。然而，金属板的孔径仅能暴露羽毛表面的一小部分。如果我们能在测量羽毛反射率的同时，同步获取其表面的三维形貌25，便可避免对羽毛进行机械压平，从而在其自然、未压平的状态下完成整个羽毛的测量。
用于可视化数据的交互式、专业化、集成化工具，为探索和解读大量数据的科研人员提供了显著优势。集成度和交互性越高，数据中的关联就越容易被发现。在我们的软件中，用户可交互式地绘制表面位置函数的平均方向散射图（图4）。未来对本软件的进一步开发可集成其他绘图功能（图6、图7），以拓展交互体验。

生物体表皮的颜色和图案在大多数动物类群中均具有重要的生态学和社会学功能。这些表型特征由光与表皮结构的相互作用决定，表皮结构可表现出光学散射，其散射特性在空间上具有变化 空间上 （在体表表面分布）以及 定向地 （随着光照和观察方向的改变）。在羽毛等复杂的生物材料中，光散射的方向受到毫米级重复几何结构取向的影响。这些毫米级结构本身可能嵌有纳米级结构（如黑色素阵列），而这些纳米结构通常继承了毫米级结构的取向。从纳米到宏观尺度，表皮结构在功能上已进化以增强生物体的信号传递能力。为了评估不同尺度形态结构对整体外观的影响，需要具备灵活的工具来测量和分析生物结构的颜色，以在不同放大倍数下分离出特定方向的光散射信号。
我们开发了基于图像的测量工具，用于研究羽毛复杂且多样的毫米级形态结构（羽枝羽轴、远端羽小枝和近端羽小枝）如何扩展仅由纳米级结构所能实现的光学表达范围。在相机拍摄的单幅图像中，我们观察到光在羽毛表面不同位置的反射情况存在差异，即光反射具有空间变化性。当我们改变光源和相机相对于羽毛的方向时，发现反射特性也随之改变，即光反射具有方向变化性1。基于这些观察，我们设计了一套实验方案，利用球形支架系统2,3系统性地围绕样本调整光源和相机的位置，从而获取两个维度的表面位置（X 和 Y）、两个维度的光照方向（纬度和经度）以及两个维度的相机观测方向（纬度和经度）（图2）。在软件中，我们以可视化方式探索了散射光在位置、照明方向和观测方向这六个维度上的变化特性。
以往关于表皮反射率的研究过于频繁地忽视了方向性的作用—— 例如 漫反射与镜面反射，或各向同性与各向异性反射——对颜色表达的影响。大多数颜色测量方法均固定入射光、物体和观察几何结构，以精确避免方向性效应。例如，为消除颜色测量中的镜面反射，通常将光源垂直于表面照射，并在与法线成45°角的方向记录反射率。那些确实将形态结构与方向依赖性反射关联起来的研究，通常聚焦于纳米尺度及其产生的虹彩效应。4-8很少有人考虑微米、毫米和宏观尺度几何结构对远场光学特征的贡献8-11因此，通常采用光探测器来收集感兴趣区域内的反射光，该区域可能包含多个微米级和/或宏观结构，例如羽枝、羽小枝，甚至整个羽毛6,8,11-17当感兴趣区域小于探测器的分辨率极限或与探测器视场形状不一致时，常规方案要求对样本进行解剖，以分离出特定毫米尺度结构所产生的光散射信号8,10,13,15.
我们开发了一种更为全面的测量获取与可视化方案，旨在促进对以往许多集中式研究中常被忽略的多种变量进行探索。我们通过在系统设置的光源与观测方向下拍摄大量高动态范围、高分辨率的照片，实现对空间中某一区域及球面各个方向上的光散射进行测量。我们采用高分辨率成像传感器，其配备有由精细像素探测器组成的二维阵列。硬件层面的信号聚合发生在像素级别，其尺度小于我们所测量的毫尺度结构单元。第二阶段则在软件中对单个像素进行聚合，用户可根据需要选择感兴趣区域的形状与大小。因此，单次测量所得的数据集可在软件中被反复分析，以探究材料在多个生物学相关位置与尺度下与光相互作用的不同特性。通过避免解剖操作并实现对整根羽毛的测量，本方案具有保留羽片形态完整性的优势，从而维持其自然结构与功能，即光与内部毫尺度组分结构之间相互作用的真实状态。
生物体结构产生的光散射具有多维性，难以量化。目前尚无单一仪器能够将测得的六维光散射数据归因于多尺度层级结构中的特定形态。但我们在此方向上已迈出重要一步。我们开发了一种综合三种互补方法的工具——利用龙门架系统采样反射率、在软件中探索大规模数据集、以及通过图形可视化数据子集——从而扩展了我们在材料任意位置测量六维光散射的能力，精度可达毫米级尺度。随着包括我们在内的研究方案逐步推广应用，我们预测生物学家将识别出大量在方向和空间上变化的性状，以及发育多尺度下的相应结构适应。利用这些工具，我们正在表征毫米级结构在方向性和空间表达上的信号潜力，并希望揭示其适应性意义。我们探讨一系列问题，例如：从任意给定观察点出发，羽毛的哪些微细结构或宏观区域具有强反射？微细结构的取向如何影响散射光的方向？何种形态条件会产生丝缎般的光泽，而非亮片般的虹彩闪烁？某些物种是否比其他物种产生更宽的虹彩观察“窗口”？这些问题不仅适用于鸟类及其羽毛，也适用于其他任何因信号传递、伪装或其他原因而演化出特定表面外观的生物体。

测量生物材料的空间和方向变化光散射

Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

光与生物体表皮的相互作用发生在多种空间尺度上。例如，在具有虹彩的鸟类中：纳米尺度的结构产生颜色；羽枝和羽小枝的毫米尺度结构主要决定了反射光的方向性模式；而通过重叠、弯曲羽毛所形成的宏观尺度的空间结构，这些方向性效应进一步形成了视觉纹理。毫米尺度和宏观尺度的效应共同决定了在生物体身体的哪些部位、从何种视角以及在何种光照条件下能够观察到虹彩颜色。因此，仅用纳米尺度结构不足以充分解释蜂鸟虹彩喉部发出的高度定向的耀眼色彩，仍存在未解的问题。从某一特定观察点来看，羽毛的哪些毫米尺度结构单元被定向以强烈反射光线？某些物种是否比其他物种提供了更宽广的虹彩观察“窗口”？这些问题以及类似问题也可应用于所有为信号传递、伪装或其他目的而进化出特定表面外观的生物体。
为了研究羽毛散射光的方向性模式及其与鸟类毫米级形态的关系，我们开发了一种通过在不同照明和观测方向下拍摄大量高分辨率照片来测量生物材料散射光的实验方案。由于我们测量的是随方向变化的散射光，因此能够观察到特定羽毛散射光方向分布中的特征；又因为我们的图像能够分辨羽枝和羽小枝，故可明确地将这些方向性特征归因于不同的毫米级结构。保持样本完整可保留自然界中存在的宏观散射行为。本文所述方法提供了一种通用的实验流程，用于在多个结构尺度上分析复杂生物材料的空间和方向依赖性光散射特性。

本方案的主要测量（图1中的常规程序I）将相机方向固定为垂直于表面，仅移动光源。由于光散射遵循互易性原理，因此无论是固定相机并移动光源遍历半球面，还是相反操作，结果均相同。当固定相机或光源其中之一时，完整的四维方向集合将被欠采样。与主要测量不同，若同时将光源和相机从表面法线方向移开，并在多个方向上进行测量，则可观察到更全面的散射行为特征。理想情况下，我们可以从多个相机方向进行测量，测量方向数量甚至可与入射光方向数量相当，从而获得对称的数据集。然而在实际操作中，这需要进行过多的曝光测量。根据我们的经验，在假设系统关于表面法线具有180°旋转对称性的前提下，仅需移动相机数次即可获得关于不同观测位置的充分信息。在次级测量阶段，我们从分布在半球面上且与天顶角偏差不超过60°的7个观测方向获取了测量数据18,19（图1中的常规程序II.A）。
在本文的图示中，我们展示了从紫辉椋鸟（Lamprotornis purpureus）羽毛上测得的代表性数据，该羽毛的反射特性具有虹彩、光泽和各向异性（图5）。在7个不同的观察方向上，反射光均来自半球面上数百个入射光照方向。这些方向形成一条与羽毛主轴垂直的窄带（见图4中的羽毛图像）。当垂直于羽毛表面观察时，虹彩的颜色变化较为细微（在正入射时呈蓝绿色，在掠入射时呈绿蓝色），如图5中{0°,0°}的RGB图所示。随着观察角度趋近于掠射角，观察方向与掠入射方向之间的夹角达到最大，从而产生更显著的颜色变化（在入射与观察方向夹角为0°时呈蓝绿色，在240°时呈洋红色），如图5中{60°,0°}的RGB图所示。
当我们将运动限制在单一维度时，可以以更精细的角度分辨率对光源和相机进行步进。图6展示了L. purpureus羽毛反射率色度随入射光方向与观测方向之间夹角的变化情况，其中入射光与观测方向位于包含镜面反射带的平面内，该平面垂直于远端小羽枝的纵轴。当虹彩颜色在色度空间中划过弧线时，色调从蓝绿色逐渐转变为紫色。
在不同（X，Y）坐标的表皮区域对应于不同毫米级结构的位置，可以观察到定向反射率的空间变化。L. purpureus 在大部分区域仅可见一种结构——远端羽小枝；相比之下，在 C. cupreus 中，数据清晰地区分出三种毫米级结构——羽枝、远端羽小枝和近端羽小枝；我们可以观察到羽毛的反射率相对于每种结构的纵轴具有方向性（图8）。
<img alt="静态平衡示意图；初级/次级常规程序；空间采样；可视化结果；球体、半球。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
图1. 该示意图展示了两种安装方法、球形龙门架坐标系、采样获取类型及其相应的结果。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg" target="_blank">点击此处查看大图</a>。
<img alt="用于静态平衡分析的带XYZ轴的机械臂示意图。" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 一根展平的羽毛透过金属板上的一个孔径可见，金属板周围环绕着一圈靶标。 可调节球形悬臂以在多个入射光和观测方向上测量羽毛的光散射。L=光源臂（纬度方向）。C=相机臂（纬度方向）。B=相机底座（经度方向）。T=转台（经度方向）。F=羽毛。
<img alt="静力平衡示意图：点、线、矩形；力学中力与力矩的分析。" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 平均定向散射可从羽片的点、线或矩形区域计算得出。
<img alt="显示矿物样品双折射图案和取向的偏振光显微镜图像。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图4"> 
图4. 方向性散射绘图函数示例（R*=反射率，T*=透射率，P*=顶部，F*=前部，S*=侧面，A*=任意方向）及配色方案（*1=亮度，*2=RGB，*3=色度）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">点击此处查看大图</a>。
<img alt="极坐标亮度分布示意图；以球面坐标显示光强，按亮度进行颜色编码。" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
图 5. 从（仰角，方位角）坐标对：{0°,0°}、{30°,0°}、{30°,90°}、{60°,0°}、{60°,45°}、{60°,90°} 和 {60°,135°} 观察到的半球反射率在方向余弦空间中的亮度（上图）和 RGB 颜色（下图）。 反射率数据取自紫辉椋鸟（L. purpureus）羽毛侧翼羽片上 25×25 像素矩形区域的平均值。红色箭头表示相机观测方向。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图</a>。
<img alt="色度图显示光谱、白点和饱和度水平，用于光度分析。" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
图6. 反射率色度随入射光与观察方向之间半角的变化：CIE 1976 均匀色度标度（USC），含放大区域。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">点击此处查看大图</a>。
<img alt="显示色度角变化和光谱数据分析中亮度的极坐标图。" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 7"> 
图 7. 反射率作为入射光与观察方向之间夹角的函数，在羽小枝远端纵轴方向上（红色）和平行于该轴方向（阴影）的分布：（A）主波长，（B）色度百分比，（C）亮度百分比。 图 A 中的颜色阴影表示反射光的 RGB 颜色。负波长值代表非光谱紫色三角区内的颜色。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图</a>。
<img alt="孔雀羽毛显微镜图像；通过羽小枝片段进行亮度分析，附带百分比亮度刻度示意图。" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图8"> 
图8. C. cupreus（非洲翡翠杜鹃）相邻羽枝间远端羽小枝与近端羽小枝的平均定向反射率。
<img alt="使用旋光仪进行手性分析示意图；显示光学旋转和结构可视化。" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图9"> 
图9. (A) 由龙门灯照明的未校正图像，(B) 由相机闪光灯照明的未校正图像，(C) 在仿射变换后、闪光灯照明图像上的滤波目标候选区域，(D) 景深范围内清晰度可接受的目标，(E) 经校正的灯光照明图像，(F) 羽毛尖端向上旋转、裁剪并掩膜处理后的图像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图</a>。

我们提出一种非破坏性方法，用于采样结构复杂材料中散射光方向的空间变化。通过保持材料完整，我们既保留了宏观尺度的散射行为，同时利用高分辨率成像同步捕捉到微观尺度的方向性贡献。结果可在软件中以生物学相关的位置和尺度进行可视化。

光与生物体的表皮在多种空间尺度上发生相互作用。例如，在具有虹彩的鸟类中：纳米级结构产生颜色；……

本实验的总体目标是通过在多个结构尺度上测量和可视化结构复杂材料散射光方向的变化，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。选择材料上的一个感兴趣区域，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进行的额外测量，并提高角分辨率。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的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和羽毛外观，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铁质 Ferris 固定板，其周围有一圈目标标记。将待研究的羽毛紧贴在固定板背面，使感兴趣区域对准孔径中央。接下来，将一片带有类似尺寸孔径的磁性膜贴在羽毛背面，以使羽毛紧贴于平板上。对齐磁性膜与平板上的孔径，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齐平的平面宏观表面。为配置机架，首先在机架坐标系原点处确定圆形孔径的中心。将光源放置在机架外臂上。将光线对准并精确聚焦于羽毛上。接着，将相机置于龙门架的内臂上。调整相机距离和微距镜头的焦距，直至目标环充满传感器的宽度。此时，应校准机架臂，并配置相机的焦点和曝光参数。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。光源的位置应均匀分布在球面上，中心对准羽毛，并在暗室中进行。对于每个光源位置，分别采集先前确定的曝光时间范围内每档曝光的原始图像。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，开始处理每次事件的图像。光线方向。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。这些高动态范围彩色图像用于生成可视化数据。为了浏览过程数据，使用了自定义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结果，绘图窗口显示反射率随方向的变化关系。共符号位于图像窗口旁边，可调节色图的曝光度。通过软件，可在单位球面上循环切换反射率色图，选项包括亮度RGB和色度。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，请将球体恢复至其默认位置。将球体从默认位置旋转180度。若要以另一种方式查看数据的透射半球，可选择极坐标图模式，以显示单位球面上各方向半径按其对应亮度值缩放后的结果。将亮度缩放球体的色彩图从RGB更改为色度（chroma）。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，可查看从该方向照明的羽毛图像。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，将绘图模式恢复为单位球面，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，被线性区域覆盖的羽毛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。移动线性选择区域，直到其进入羽枝结构的该区域。在此处，线性平均图中主干分支的近端ES分支开始显现，近端ES表现为垂直反射光线。选择其中一个方向，以在左侧图像中显示高反射性的近端区域。观察线性图中以水平和垂直方向反射光的精细尺度结构，这些结构共同作用，形成了矩形图中所见的远场信号。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后，接下来将介绍高级相机校准技术，为使用固定在安装板上的羽毛夹具和紧贴安装板的棋盘格校准靶标，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。使用任何能够满足适当曝光的照明条件来拍摄一张图像。拍摄培养皿的图像，用于在 MATLAB 的相机标定工具箱中进行标定。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。接着，移除校准目标，露出围绕孔径的一圈目标点。使用安装在相机上的闪光灯拍摄两幅目标点的图像，一幅从垂直于平板的方向拍摄，另一幅从掠射角方向拍摄。这两幅图像将用于通过求解平移偏移量 T1 和 T2，来校准相机到目标环和羽毛的距离。在完成相机校准后，我们可以通过采用不同的方向采样模式，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面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定，以改进方向采样。这些位置应对镜面反射方向进行密集采样，对非镜面方向进行稀疏采样。选择六个在半球范围内均匀分布的附加相机方向。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标靶环。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。利用支架坐标对闪光灯照射下的照片进行粗略校正。然后找到并利用其目标中心，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。插图中显示了相机在球面上的位置。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，而掠入射时则变为品红色。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。当这些方向位于与远端杆纵向轴垂直的平面内时，随着虹彩色在色度空间中变化，色调从蓝绿色转变为紫色。此处展示了反射率的主波长随入射方向与观察方向之间夹角变化的关系。红线对应于这两个方向位于远端杆纵向轴所在平面内的情况。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，还有反射率的色度百分比和亮度百分比随入射光方向与观察方向之间夹角变化的数据。同样，红线对应入射光方向与观察方向位于远端棒状结构纵轴平面内的情况；阴影区域则对应这两个方向垂直于该轴线的情况。一旦掌握该典型测量方法，使用此技术可在不到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饰形态与鸟类视觉信号方向性效应之间的关系开辟了道路。

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