Mess-und Richtungs räumlich variierenden Lichtstreuung aus biologischem Material

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Richtungsänderung des von einem strukturell komplexen Material gestreuten Lichts auf mehreren strukturellen Skalen zu messen und zu visualisieren, um das einfallende Licht und die Blickrichtungen zu steuern. Platzieren Sie ein Material in der Mitte des kugelförmigen Portals, wobei die Lampe an einem Arm und die Kamera nacheinander an einem anderen Arm montiert ist. Fotografieren Sie das Material, während Sie die Lampe systematisch durch eine Reihe diskreter Positionen auf einer Kugel bewegen, die in der Software auf das Material zentriert sind.

Wählen Sie einen relevanten Bereich auf dem Material aus und extrahieren Sie die Pixel, aus denen der Bereich in jedem Foto besteht. Ordnen Sie dann die Pixelwerte den jeweiligen Positionen auf der Kugel zu, um die Richtung der Lichter zu visualisieren, die aus dem ausgewählten Bereich gestreut werden. Schließlich können Sie die Daten für die Planung zusätzlicher Messungen aus mehreren Kamerarichtungen und mit erhöhter Winkelauflösung verwenden.

Letztendlich hilft diese Methode den Forschern, die Beziehung zwischen der organismischen Struktur und der gerichteten visuellen Signalübertragung zu identifizieren. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber der bestehenden bildgebenden Streugeometrie besteht darin, dass wir in der Software in der Lage sind, die räumliche Variation des Richtungsreflexionsgrads von komplexen Materialien über mehrere biologisch relevante Skalen hinweg zu visualisieren. Obwohl wir uns auf die Richtungssignalisierung von Vögeln und das Aussehen des Gefieders konzentrieren, ist diese Methode auch für andere optische Systeme gültig, die strukturelle Skalenhierarchien aufweisen.

Als ersten Schritt des Experiments besorgen Sie sich eine dünne Ferris-Metall-Montageplatte mit einer Öffnung von etwa einem halben Zoll, die von einem Ring aus Zielen umgeben ist. Lege die zu untersuchende Feder auf die Rückseite der Platte. Zentrieren Sie den interessierenden Bereich über der Blende.

Lege als Nächstes ein Blatt Magnetfolie mit einer ähnlich großen Öffnung gegen die Rückseite der Feder, um die Feder gegen die Platte zu drücken. Richten Sie die Film- und Plattenöffnungen aus und achten Sie darauf, dass die Feder nicht schert. Dies sollte dazu führen, dass die weiche Kante eine planare Makrofläche aufweist, die ungefähr mit der Plattenoberfläche zusammenfällt.

So konfigurieren Sie das Portal. Beginnen Sie damit, den Mittelpunkt der kreisförmigen Apertur am Ursprung des Gantry-Koordinatensystems zu lokalisieren. Platzieren Sie eine Lichtquelle am äußeren Arm des Portals.

Zielen Sie und fokussieren Sie das Licht eng auf die Feder. Platzieren Sie als Nächstes eine Kamera auf dem inneren Arm des Portals. Passen Sie den Kameraabstand und den Fokus des Makroobjektivs an, bis der Zielring die Breite des Sensors ausfüllt.

Zu diesem Zeitpunkt sollten die Gantry-Arme kalibriert und der Kamerafokus und die Belichtung konfiguriert werden. Starten Sie die Messungen, indem Sie die optische Achse der Kamera senkrecht zur Oberflächenebene positionieren. Platzieren Sie das Licht an der ersten einer Reihe von Positionen, die die Richtungen des einfallenden Lichts definieren.

Die Positionen sollten gleichmäßig auf der Kugel verteilt sein, zentriert auf der Feder in einem dunklen Raum. Für jede Lichtposition wird für jede Belichtungszeit ein Rohbild in der zuvor festgelegten Belichtungsreihe aufgenommen. Bewegen Sie dann das Licht in die nächste Position und wiederholen Sie den Vorgang.

Sobald die Daten erfasst sind, beginnen Sie mit der Verarbeitung der Bilder für jeden Vorfall. Lichtrichtung. Integrieren Sie alle Aufnahmen mit niedrigem Dynamikbereich in ein einziges Farbbild mit hohem Dynamikbereich.

Diese Farbbilder mit hohem Dynamikbereich werden verwendet, um die Daten für die Visualisierung zu erstellen. Zum Durchsuchen der Prozessdaten wird die benutzerdefinierte einfache Browseranwendung verwendet. Es öffnet sich ein Fenster, das das Bild der Feder enthält, die von der ersten einfallenden Lichtrichtung beleuchtet wird.

Wählen Sie nun einen Bereich der Federvene für die Analyse aus. Hier wird ein rechteckiger Bereich aus den verfügbaren Optionen ausgewählt. Plottet die durchschnittliche gerichtete Lichtstreuung aus dem ausgewählten Bereich, Ein Plotfenster, das den Reflexionsgrad als Funktion der Richtung anzeigt.

Das Co-Sign-Fenster wird neben dem Bildfenster geöffnet, passen Sie die Belichtung der Farbkarte an. Mit der Software ist es möglich, die Reflexionsfarbkarte auf der Einheitskugel zwischen der Leuchtdichte RGB und Chroma zu wechseln. Unser GB wird im Folgenden verwendet.

Um die Kugel zu drehen, klicken Sie darauf. Um die Trackball-Schnittstelle zu aktivieren, ziehen Sie die Schnittstelle, um eine Drehung zu verursachen. Um die Reflexionshalbkugel anzuzeigen, setzen Sie die Kugel auf ihre Standardposition zurück.

Drehen Sie die Kugel um 180 Grad von der Standardposition. Wenn Sie die Durchlässigkeitshalbkugel für eine andere Ansicht der Daten anzeigen möchten, wählen Sie den Modus Polardiagramm aus, um die Radien der einzelnen Richtungen auf der Einheitskugel skaliert um die jeweiligen Luminanzwerte anzuzeigen. Ändern Sie die Farbkarte der mit Luminanz skalierten Kugel von RGB in Chroma.

Die Beleuchtungsrichtung des angezeigten Bildes wird im Richtungsstreudiagramm rot eingekreist. Klicken Sie auf eine andere einfallende Beleuchtungsrichtung, um die weiche Kante aus dieser Richtung zu beleuchten. Verringern Sie die Belichtung des Bildes, um eine Überbelichtung zu korrigieren.

Um den Reflexionsgrad in einer Hierarchie von Skalen zu untersuchen, geben Sie den Zeichnungsmodus an die Einheitskugel zurück und verwenden Sie die RGB-Farbkarte. Ändern Sie den Auswahltyp von einem rechteckigen Bereich in einen linearen. Dies wird es ermöglichen, den Reflexionsgrad einzelner feinskaliger Strukturen im rechteckigen Bereich zu untersuchen.

Plotten Sie den Reflexionsgrad des linearen Mittelwerts in einem neuen Fenster, wobei der rechteckige Mittelwert als Referenz beibehalten wird. Hier ist zu sehen, dass die distalen Balken der Feder, die von der linearen Region überspannt werden, das Licht entlang der Horizontalen reflektieren. Wählen Sie eine der Beleuchtungsrichtungen im linearen Diagramm aus, um die stark reflektierenden distalen Balkenmules im Bild links anzuzeigen und den angrenzenden dunklen Streifen zu untersuchen.

Verschieben Sie die lineare Auswahl, bis sie in diesen Bereich in der Struktur der weichen Kante eintritt. Hier verzweigt sich der proximale ES von den Rami im linearen Durchschnittsdiagramm, wobei die proximale ES das Licht vertikal reflektiert. Wählen Sie eine der Richtungen aus, um die stark reflektierenden proximalen Pares im Bild links anzuzeigen.

Beachten Sie, dass die feinen Skalenstrukturen, die das Licht horizontal und vertikal im linearen Diagramm reflektieren, zusammen das Fernfeldsignal erzeugen, das im rechteckigen Diagramm zu sehen ist. Nach der Wiederholung der grundlegenden Schritte zum Messen und Visualisieren der gerichteten Lichtstreuung über eine Skalenhierarchie werden im Folgenden erweiterte Kamerakalibrierungstechniken zur Vorbereitung auf die Durchführung von Experimenten aus mehreren Kamerarichtungen mit einem federmontierten Clip beschrieben, einem Kalibrierungsziel mit Schachbrettmuster, das flach an der Montageplatte anliegt. Platzieren Sie die Kamera so, dass der Zugang senkrecht zur Platte steht.

Verwenden Sie eine für die richtige Belichtung ausreichende Beleuchtung, um ein Bild aufzunehmen. Nehmen Sie Bilder der Platte für die Verwendung in der Boogey-Kamerakalibrierungs-Toolbox in matlab auf. Neun Bilder von Kamerapositionen innerhalb eines 120-Grad-Kegels, der auf der senkrechten Achse der Platten zentriert ist, haben sich als ausreichend erwiesen.

Sobald dies erledigt ist, kalibrieren Sie die Kameraposition, einschließlich des Abstands Z zum Kalibrierungsziel. Entfernen Sie als Nächstes das Kalibrierungsziel, so dass der Ring der Ziele, der die Blende umgibt, sichtbar wird. Verwenden Sie den an der Kamera montierten Blitz, um zwei Bilder der Ziele aufzunehmen, eines aus einer Richtung senkrecht zur Platte und das zweite aus einem Streifwinkel.

Die beiden Bilder werden verwendet, um den Abstand der Kamera zum Zielring und zur Feder zu kalibrieren, indem die Translationsversätze T eins und T zwei gelöst werden. Nachdem wir die Kamera kalibriert haben, können wir die Lichtstreuung aus mehreren Kamerarichtungen mit Hilfe von abwechselnd gerichteten Abtastmustern messen. Verwenden Sie zunächst einen einfachen Browser, um ein Dataset zu öffnen, das eine spärlich abgetastete Kugel mit einfallenden Lichtrichtungen und eine senkrechte Kamerarichtung enthält.

Sehen Sie sich die Richtungsverteilung des von der Feder reflektierten Lichts an. Verfeinern Sie auf der Grundlage dieser Überprüfung den Satz der einfallenden Lichtrichtungen, um die gerichtete Abtastung zu verbessern. Diese Positionen sollten die spekularen Richtungen dicht und die nicht-säkularen Richtungen abtasten. Dünn.

Wählen Sie sechs zusätzliche Kamerarichtungen, die gleichmäßig über eine halbe Hemisphäre verteilt sind. Für jede Richtung ist die Reflexionshalbkugel für Spekularrichtungen dicht und für jede nicht spekulare Richtung spärlich für jede einfallende Lichtrichtung in jeder Hemisphäre dünn abzutasten. Fotografieren Sie zunächst den Zielring, der die Feder umgibt, mit dem an der Kamera montierten Blitz.

Fotografieren Sie zweitens die Feder bei jeder Belichtung in der Belichtungsreihe. Integrieren Sie dann die Belichtungen in ein Farbbild mit hohem Dynamikumfang. Entzerren Sie das mit Blitzlicht beleuchtete Foto grob anhand von Gantry-Koordinaten.

Suchen und verwenden Sie dann die Zielzentren, um das HDR-Bild der Feder präzise zu projizieren, als wäre es aus einer senkrechten Richtung fotografiert worden. Verwenden Sie nach der Verarbeitung einen einfachen Browser, um den Richtungsreflexionsgrad aus demselben Bereich der weichen Kante visuell zu durchsuchen. Ordnen Sie in jeder der sieben ungleichmäßig abgetasteten Hemisphären die Richtungsreflexionsdiagramme für jede der Kamerarichtungen an. In einem polaren Koordinatensystem, das in diesem Polardiagramm dargestellt ist, sind mehrere Kamerapositionsmessungen an der Feder eines violett glänzenden Stars zu sehen.

Die roten Pfeile stellen die Kamerarichtungen dar. Die Positionen der Kamera auf der Kugel werden im Einschub angezeigt. In jeder der Betrachtungsrichtungen wird reflektiertes Licht aus Hunderten von einfallenden Lichtrichtungen gesammelt.

Die RGB-Farbdaten zeigten, dass die Feder schillernd ist und von Blaugrün bei normalen Vorfällen zu Magenta bei Weideereignissen wechselt. Die Technik kann für Studien mit feinerer Winkelauflösung verwendet werden, wenn die einfallende Beleuchtung und die Blickrichtung der Kamera auf eine Dimension beschränkt sind. Im Einschub ist das Chroma des Reflexionsgrads in Abhängigkeit vom Halbwinkel zwischen der Einfalls- und der Betrachtungsrichtung dargestellt.

Wenn sich diese Richtungen in der Ebene senkrecht zur Längsachse des distalen Balkens befinden, verschiebt sich der Farbton von Blaugrün zu Violett, während sich die schillernde Farbe durch den Farbraum bewegt. Die dominante Wellenlänge des Reflexionsgrads in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Einfalls- und Blickrichtung ist hier dargestellt. Die rote Linie entspricht der Zeit, in der die beiden Richtungen mit der Längsachse des distalen Stegs in einer Ebene liegen.

Der schattierte Bereich ist für den Fall vorgesehen, dass die Richtungen senkrecht zu dieser Achse verlaufen. Die Farbe der Schattierung ist die RGB-Farbe der negativen Reflexionswelle. Die Längenwerte stellen Farben in einem nicht-spektralen Bereich dar.

Neben der dominanten Wellenlänge gibt es Daten über die prozentuale Chroma und die prozentuale Leuchtdichte des Reflexionsgrads in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Einfalls- und Betrachtungswinkel. Auch hier entspricht die rote Linie dem Zeitpunkt, an dem die einfallende Lichtrichtung und die Blickrichtung mit der Längsachse des distalen Balkens planmäßig liegen. Der schattierte Bereich ist für den Fall vorgesehen, dass die Richtungen senkrecht zu dieser Achse verlaufen.

Einmal gemeistert, kann eine typische Messung mit dieser Technik in weniger als 14 Stunden erfasst und verarbeitet werden. Diese Technik ebnete Forschern aus den Bereichen Ornithologie und Computergrafik den Weg, um die Beziehung zwischen komplexer Gefiedermorphologie und den Richtungseffekten der visuellen Signalübertragung von Vögeln zu untersuchen.