Name: Mess-und Richtungs räumlich variierenden Lichtstreuung aus biologischem Material (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: Erfahren Sie eine zerstörungsfreie Methode zur Messung räumlich variierender Lichtstreuung aus biologischem Material. Diese Technik ermöglicht die Analyse von Struktur-Signal-Beziehungen bei komplexen optischen Systemen.

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Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (NSF CAREER Award CCF-0347303 und NSF CCF-0541105) gefördert. Die Autoren bedanken sich bei Jaroslav Křivánek, Jon Mond, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, und John Hermanson für ihre intellektuellen Beiträge danken. Die Cornell Sphärische Gantry wurde von einem Design durch Duane Fulk, Marc Levoy und Szymon Rusinkiewicz gebaut.

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Obwohl die Leistung und Funktion von vielen Pigmentstörungen und strukturelle Färbungen gut erkannt werden, ist die Morphologie von vielen Integumente so komplex, dass ihre strukturelle Detail und Funktion schlecht verstanden werden 20. Integumente haben Spezialisierungen, die räumlich variieren über die Oberfläche des Organismus unterschiedlich reflektieren das Licht gerichtet in Richtung des Betrachters entwickelt. Richtwirkung hat sich die Aufmerksamkeit in erster Linie in der Studie von Schillern aufgrund seiner Farbverschiebung mit Wechsel der Vorfall und Blickwinkel, und die Erforschung der biologischen Schillern integument erhalten hat sammelte hauptsächlich 1D-und 2D-Messungen einige 8,12,17. Aber generalisierte 6D Messungen wurden nicht Routine in der Studie von Integumente 21-23, irisierende oder anderweitig, und die Literatur über organismal Farbe Phänotypen wird durch das Fehlen von gerichteten Farbdaten der Art unserer Methode bietet eingeschränkt. Die Feder ist ein besonders rich integumentary umfassend Anordnungen von Milli-Skala Struktur der Widerhaken: rami, distalen barbules und proximalen barbules. Die geringe Größe der Elemente und ihrer komplexen Anordnungen ist es schwierig, die Lichtstreuung Leistung der einzelnen Elemente zu erkennen. Unser Protokoll erfolgreich Milli-Skala Struktur von dem Einfluss der Makro-Skala Geometrie isoliert. Mit der Charakterisierung der funktionellen Konsequenzen der gerichteten Expression von milli-Skala Strukturen Fernfeld Signatur der Feder, dadurch wir Untersuchung ihre adaptive Folgen. Wir standen praktische Kompromisse zwischen spektralen, räumlichen und Winkelauflösung. Wir entschieden uns für eine hohe räumliche, medium eckig und geringe spektrale für unsere Studien. Andere Kombinationen können verwendet werden, aber einige (zB alle hoch) führen zu unworkably lange Messzeiten. Zu beachten ist konzentriert, in denen es wichtig für die besonderen Phänomene untersucht werden ist. Bei der Wahl, um eine RGB ca. beschäftigenmera mit einem Bayer-Filter Mosaik, entwarfen wir unser Protokoll, das menschliche visuelle System entsprechen. Die RGB-Kamera ersetzt werden konnte und unser Protokoll angepasst, um die relative Farbreiz eines jeden Organismus zu messen, wird z. B. Empfindlichkeit im UV-Spektrum benötigt, um Vogelgrippe Tetra-chromatische Farbe 24,25 messen. Ein Spectral Imaging Kamera würde die meisten allgemeine Lösung 25. Wir zeigten unser Protokoll mit Tertial Schwungfedern da sie bunt und leicht gegen eine Referenz Platte abgeflacht sind. Leider ergab die Öffnung der Metallplatte nur einen Bruchteil der Feder Oberfläche. Wenn wir gleichzeitig messen konnte die 3D-Form der Feder Oberfläche während der Messung seiner Reflexion 25, konnten wir mechanisch vermeiden Abflachung der Feder und stattdessen messen die gesamte Feder in seiner natürlichen, nicht abgeflachten Zustand. Interactive, spezialisierte, integrierte Werkzeuge für die Visualisierung von Daten bieten haben ausal Wissenschaftler erforschen und Interpretation großer Datenmengen profitieren. Je größer die Integration und Interaktivität sind die Verbindungen leichter in den Daten beobachtet. In unserer Software kann ein Benutzer interaktiv darzustellen Average Directional Streuung als eine Funktion der Oberfläche Position (Abbildung 4). Weiterentwicklung unserer Software integrieren könnte anderen Plot-Funktionen (6, 7), um die interaktive Erfahrung zu erweitern.

Die Farbe und das Muster eines Organismus spielen integument ökologisch und sozial wichtige Funktionen in den meisten Tiergruppen. Diese phänotypischen Eigenschaften werden durch die Wechselwirkung von Licht mit der Struktur der Deckhaut, die optische Streuung, die räumlich (über die Oberfläche des Integument) und gerichtet (mit Veränderungen in der Beleuchtung und Blickrichtung) variiert aufweisen bestimmt. In komplexen biologischen Materialien, wie z. B. Federn, wird die Richtung der Lichtstreuung durch die Orientierung des sich wiederholenden milli-Skala Geometrie beeinflusst. Diese Milli-Skala Strukturen selbst kann mit Nano-Strukturen, wie Melanin-Arrays, die oft erben die Milli-Skala Orientierung eingebettet werden. Von Nano-bis Makro-Skalen, hat sich die Struktur des Integuments funktional, um die Signalisierung Fähigkeit des Organismus zu erhöhen entwickelt. Um den Einfluss der Morphologie von verschiedenen Skalen auf dem Gesamtbild zu beurteilen, Werkzeugemessen und analysieren die Farbe von biologischen Strukturen brauchen Flexibilität, um gerichtete Lichtstreuung in verschiedenen Maßstäben der Vergrößerung zu isolieren. Wir entwickelten Image-basierte Mess-Tools, um zu studieren, wie die Leistung von einer Feder ist komplex und vielfältig Milli-Skala Morphologie (rami Widerhaken, distalen barbules und proximalen barbules) die Bandbreite der möglichen Ausdruck von nanoskaligen Strukturen allein erweitert. In einem einzigen Bild mit der Kamera aufgenommen, wir beobachtet, dass das Licht anders reflektiert an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche der Feder, das heißt, Lichtreflexion war räumlich variierenden. Wenn wir das Licht und die Kamera bewegt in Bezug auf die Feder, beobachteten wir das Reflexionsvermögen verändert, das heißt, Lichtreflexion wurde gerichtet variierenden 1. Nach diesen Beobachtungen haben wir ein Protokoll, um methodisch bewegen das Licht und die Kamera um das Objekt mit einem sphärischen Gantry 2,3, mit dem wir erobert 2 Dimensionen surface Position (X und Y), 2 Dimensionen des Lichts Richtung (Breitengrad und Längengrad) und 2 Dimensionen der Kamera Richtung (Breitengrad und Längengrad) (Abbildung 2). In Software, die wir visuell erkundet die 6 Dimensionen des gestreuten Lichts in Abhängigkeit von Position, Richtung und Beleuchtung Blickrichtung. Frühere Untersuchungen in den Reflexionsgrad von Integumente hat zu oft den Beitrag der Richtwirkung abgezinst - zB diffuse vs spiegelnd oder isotropen vs anisotrope Reflexion - die Farbe Ausdruck. Die meisten Farben-Messungen haben das einfallende Licht, Objekt und Blickgeometrie fixiert sorgfältig vermeiden direktionale Effekte. Zum Beispiel, um Spiegelreflexion von Farbmessungen zu beseitigen, ist es üblich, das Licht senkrecht zur Oberfläche zu platzieren und Aufzeichnung der Reflexion um 45 ° von der Normalen. Studien, die Morphologie Link tun, um gerichtet variierenden Reflexionsgrad der Regel auf der Nano-Skala konzentrierenund seine schillernden Folgen 4-8. Wenige betrachten den Beitrag der Mikro-, Milli-und Makro-Skala Geometrien Fernfeld optische Signatur 8-11. Es ist daher üblich, eine Licht-Detektor zu aggregieren Reflexion beschäftigen über einen einzigen Bereich von Interesse, die mehrere Milli-und / oder Makroebene Komponenten wie Widerhaken rami, barbules und sogar ganze Federn 6,8,11-17 umfassen kann . Wenn der Bereich von Interesse entweder kleiner als die Auflösungsgrenze des Detektors oder nicht an die Form des Detektors Sichtfeld konform ist, gibt die gemeinsame Protokoll Probe Dissektion der Lichtstreuung von der spezifischen Millisekunden Skalenelement 8,10 isolieren , 13,15. Wir haben eine umfassende Protokoll zur Messwerterfassung und Visualisierung, die Erkundung der vielen Variablen oft in anderen stärker fokussierten Studien ignoriert fördert entwickelt. Wir messen Lichtstreuung über eine Kugel von Richtungen und acrossa Region des Weltraums mit einem massiven Reihe von High-Dynamic Range, Fotos in hoher Auflösung von einer systematischen Reihe von Licht und Blickrichtungen gemacht. Wir beschäftigen einen hochauflösenden Bildsensor mit seiner 2D-Array von feinskaligen Pixeldetektoren. Aggregation in Hardware erfolgt auf Pixel-Ebene, um eine Größenordnung kleiner als die Milli-Skala Elemente, die wir messen. Eine zweite Stufe Aggregate einzelnen Pixel in Software als der Benutzer die Form und Größe des Bereichs von Interesse. Dementsprechend kann eine einzelne Messung Satz wiederholt in Software ausgewertet werden, um verschiedene Aspekte des Lichts Wechselwirkung mit dem Material an verschiedenen biologisch relevanten Positionen und Skalen zu erkunden. Durch den Wegfall der Präparation und Messung der gesamten Feder, hat unser Protokoll den Vorteil, dass die Morphologie der Feder Flügel intakt, Beibehaltung natürlichen Kontext und Funktion, ist das Licht der Wechselwirkungen zwischen konstituierenden Milli-Skala Elemente. Lichtstreuung von organismal structure ist mehrdimensional und schwer zu quantifizieren. Gemessen 6D Lichtstreuung kann noch nicht auf bestimmte Morphologie innerhalb einer Hierarchie der Skala werden mit einem einzigartigen Instrument zurückzuführen. Aber wir haben einen wichtigen Schritt in diese Verfolgung gemacht. Probenahme Reflexion mit der Gantry, die Erkundung großer Datenmengen in Software und Visualisierung von Daten Teilmengen grafisch - - Wir haben ein Tool umfasst drei komplementäre Methoden entwickelt, um unsere Fähigkeit, 6D Lichtstreuung an jedem Punkt eines Materials zu messen verlängern, bis die Milli-Skala. Als Protokolle wie uns beschäftigt sind, rechnen wir Biologen eine Vielzahl von direktional und räumlich variierenden Eigenschaften und entsprechenden strukturellen Anpassungen an mehreren Skalen der Entwicklung zu identifizieren. Mit unseren Tools sind wir in die Charakterisierung der Signalisierung Potential der Richtungs-und räumliche Expression von Milli-Skala Strukturen beschäftigt, und hoffen, dass Licht auf ihre adaptive Konsequenzen zu vergießen. Wir wenden uns an eine Reihe von Fragen, wie zB: von einemy gegebenen Beobachtungspunkt, was in Ordnung angelegte Elemente oder grober Maßstab Regionen der Feder reflektieren stark? Wie wirkt sich die Orientierung der feinskaligen Elemente Einfluss auf die Richtung des gestreuten Lichts? Was morphologischen Bedingungen produzieren Eine samtweiche Glanz im Vergleich zu einem mit Pailletten funkeln des schillernden Ornament? Haben einige Arten produzieren breiteren &quot;Fenster&quot; für die Beobachtung von Schillern als andere? Diese Fragen können über Vögel und ihre Federn, sondern auch über alle anderen Organismen, die ein bestimmtes Aussehen der Oberfläche für die Signalisierung, Tarnung, oder aus anderen Gründen entstanden sind gefragt.

mess-und richtungs räumlich variierenden lichtstreuung aus biologischem material

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

Licht interagiert mit eines Organismus integument auf einer Vielzahl von räumlichen Skalen. Zum Beispiel in einem schillernden Vogel: Nano-Strukturen zu erzeugen Farbe, die Milli-Skala Struktur von Widerhaken und barbules bestimmt weitgehend die Richtcharakteristik des reflektierten Lichts, und durch die Makro-Skala räumliche Struktur von überlappenden, gebogene Federn, schaffen diese direktionale Effekte die visuelle Textur. Milli-Skala und Makro-Skala Auswirkungen bestimmen, wo auf den Organismus des Körpers, und von dem, was und unter welchen Gesichtspunkten Beleuchtung, die schillernden Farben zu sehen sind. Somit wird der stark gerichteten Blitz leuchtenden Farben von der schillernden Kehle eines Kolibris unzureichend durch seine Nano-Struktur allein und erläutert Fragen bleiben. Von einem bestimmten Beobachtungspunkt, sind die Milli-Skala Elemente der Feder orientiert sich an stark reflektieren? Haben einige Arten produzieren breiteren &quot;Fenster&quot; für die Beobachtung von Schillern als andere? Diese und ähnliche Fragen may über alle Organismen, die ein bestimmtes Aussehen der Oberfläche für die Signalisierung, Tarnung, oder aus anderen Gründen entstanden sind gefragt. Um die Richtcharakteristik der Lichtstreuung von Federn zu studieren, und ihre Beziehung zu den Vogel Milli-Skala Morphologie, entwickelten wir ein Protokoll zur Messung von Licht aus biologischen Materialien mit vielen Fotos in hoher Auflösung mit unterschiedlichen Beleuchtungs-und Blickrichtungen genommen verstreut. Da wir Streulicht gemessen als Funktion der Richtung, können wir die charakteristischen Merkmale in der gerichteten Lichtverteilung aus, dass insbesondere Feder verstreut zu beobachten, und weil Widerhaken und barbules sind in unserer Bilder gelöst, können wir klar führen die Richtungs-Funktionen, um diese unterschiedlichen Milli-Skala Strukturen. Halten Sie die Probe intakt bewahrt die Brutto-Skala Streuverhalten in der Natur gesehen. Das hier beschriebene Verfahren stellt eine verallgemeinerte Protokoll zur Analyse von räumlich und direktional-varying Lichtstreuung aus komplexen biologischen Materialien an mehreren strukturellen Skalen.

Die primäre Messung unseres Protokolls (Routine I in Abbildung 1) fixiert die Kamera Richtung senkrecht zur Oberfläche und nur das Licht bewegt. Seit Lichtstreuung folgt dem Grundsatz der Gegenseitigkeit, das Ergebnis ist das gleiche, ob wir die Kamera konstant zu halten, während sie sich das Licht über die Hemisphäre oder umgekehrt. Wenn wir entweder die Kamera oder das Licht zu beheben, wird die komplette 4-dimensional Satz unterabgetastete. Ein vollständiges Bild des Streuverhalten wird beobachtet, wenn, anders als die primäre Messung Licht und Kamera weg von der Oberfläche normaler und in eine Vielzahl von Richtungen bewegt werden. Im Idealfall könnten wir Lichtstreuung von vielen Kamera Richtungen messen, so viele wie die Anzahl der einfallenden Lichtes Richtungen, um eine symmetrische Daten-Set zu erhalten. In der Praxis würde dies viel zu viele Risiken. Nach unserer Erfahrung können wir ausreichende Informationen über die verschiedenen Blickrichtungen, indem Sie die Kamera ein paar Mal assu erhaltenMing 180 °-Rotationssymmetrie um die Flächennormale. Während der sekundären Messphase haben wir Messungen von 7 Blickrichtungen über die Hemisphäre und innerhalb von 60 ° der Zenit 18,19 (Routine II.A in Abbildung 1) verteilt. In den Figuren dieser Arbeit zeigen wir, repräsentative Daten aus einer Feder Lamprotornis purpureus (Lila Glossy Starling), das Reflexionsvermögen von denen schillernd, glänzend, und anisotrope ist (Abbildung 5) gemessen. In jeder der 7 Blickrichtungen, ist reflektiertes Licht von Hunderten von einfallendem Licht Richtungen auf der Halbkugel versammelt. Die Richtungen bilden ein schmales Band orthogonal ausgerichtet zu der Mittelachse der Feder (siehe Bild Feder in Abbildung 4). Das Schillern Farbverschiebung ist subtil (bläulich-grün bei senkrechtem Einfall und grünlich-blau unter streifendem Einfall), wenn die Feder betrachtet senkrecht zu ihrer Oberfläche, wie in der {0 °, 0 &amp; de geseheng;} RGB Grundstück von 5. Als Betrachtungswinkel Ansätze Beweidung werden die Winkel zwischen der Blickrichtung und die Beweidung Vorfall Richtungen maximiert, was zu einer markanten Farbverschiebung (bläulich-grün bei 0 ° und 240 ° bei Magenta zwischen Vorfall und Blickrichtungen), wie in der zu sehen {60 °, 0 °} RGB Grundstück in Abbildung 5. Wir können es sich leisten, das Licht und die Kamera auf viel feinere Winkelauflösung Schritt, wenn wir die Bewegungen 1 Dimension beschränken. Abbildung 6 zeigt die Farbigkeit der Reflexionsgrad von L. purpureus Gefieder in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen dem einfallenden und Blickrichtungen, wobei die einfallenden und Blickrichtungen in der Ebene, die die spiegelnde Band, die senkrecht zur Längsachse des distalen barbule. Da die schillernden Farben Bögen durch Farbwert-Raum verschiebt sich die Farbe von blau-grün bis violett. Räumliche Variablen<html> ation in der gerichteten Reflexion sichtbar ist, wo verschiedene (X, Y)-Koordinaten der Integument entsprechen unterschiedlichen milli angelegte Strukturen. Im Falle von L. purpureus nur eine Struktur - das distale barbule - sichtbar über den größten Teil der Region. Im Gegensatz dazu C. cupreus, drei Milli-Skala Strukturen - die rami, distalen barbules und proximalen barbules - sind deutlich in den Daten unterschieden, und wir können diese Reflexion aus der Feder beobachten orientiert sich in Bezug auf die Längsachse jeder Struktur (Abbildung 8) . <img alt="Abbildung 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Abbildung 1. Diese schematische Übersicht zeigt zwei Montage Methoden, die sphärische Gantry Koordinatensystem, Arten des Erwerbs Probenahme und ihre jeweiligen Ergebnisse.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Abbildung 2. Der abgeflachte Feder sichtbar ist durch eine Öffnung in einer Metallplatte durch einen Ring von Zielen umgeben. Eine sphärische Gantry gestellt zu Lichtstreuung von einer Feder an mehreren einfallenden Licht und Blickrichtungen zu messen. L = Leicht Arm (Breitengrad). C = Kamera Arm (Breitengrad). B = Kamera Basis (Längengrad). T = Turntable (Längengrad). F = Feather. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Abbildung 3. Average Directional Streuung kann von einem Punkt, Linie oder rechteckigen Bereich Feder Flügel berechnet werden. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Abbildung 4. Beispiel gerichteter Streuung Plot-Funktionen (R * = Reflexion, Transmission T * = P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = beliebig) und Farbschemata (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Abbildung 5. Die Leuchtdichte (oben) und RGB-Farbe (unten) des halbkugelförmigen Reflexionsgrad in Richtungskosinus Raum als aus den (Elevationswinkel, Azimutwinkel) Koordinatenpaaren angesehen: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} und {60 °, 135 °}. das Reflexionsvermögen<html> gemittelt aus einem 25 × 25 Pixel rechteckigen Bereich der seitlichen Flügel eines Tertial L. purpureus (Lila Glossy Starling) Feder. Die roten Pfeile stellen Kamera Richtungen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Abbildung 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> Abbildung 6. Chromaticity der Reflexion als eine Funktion des halben Winkel zwischen dem einfallenden Licht und Blickrichtungen:. CIE 1976 Uniform Chromaticity Scales (USC) mit vergrößerten Region <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Abbildung 7. Reflexion als eine Funktion der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und Blickrichtungen, in der Ebene mit (rot) und senkrecht zur (schattiert) der Längsachse des distalen barbule: (A) Dominant-Wellenlänge, (B) Prozent Chroma (C ) Prozent Leuchtkraft. Die Farbschattierungen in Kurve A ist die RGB-Farbe des Reflexionsvermögen. Negative Werte stellen Wellenlänge Farben in den nicht-spektralen lila Dreieck. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> . <img alt="Fig. 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Abbildung 8. Average Directional Reflexionsgrad von distalen und proximalen barbules barbules zwischen zwei benachbarten rami der C. cupreus (African Smaragdkuckuck). <img alt="Abbildung 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> Abbildung 9. (A) Non-entzerrten Bild von Gantry-Lampe beleuchtet, (B) Non-entzerrten Bild von Blitz auf der Kamera leuchtet, (C) Gefiltert Zielkandidaten auf affine transformierten, Flash-ausgeleuchteten Bild (D) Acceptably scharfen Ziele innerhalb Tiefe Feld (E) Richt-Lampe beleuchteten Bildes, (F) gedreht Feder up, Spitze abgeschnitten und maskiert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen</a> .

Wir stellen eine zerstörungsfreie Methode zum Abtasten räumliche Variation in der Richtung des Lichts von strukturell komplexen Materialien verteilt. Indem das Material intakt bewahren wir grober Maßstab Streuverhalten, während gleichzeitig die Erfassung feinskaligen direktionale Beiträge mit hochauflösender Bildgebung. Die Ergebnisse sind in der Software visualisiert in biologisch relevanten Positionen und Personenwaagen.

Mess-und Richtungs räumlich variierenden Lichtstreuung aus biologischem Material

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Änderung der Richtung des von einem strukturell komplexen Material auf mehreren strukturellen Skalen gestreuten Lichts zu messen und zu visualisieren, um die einfallende Licht- und Blickrichtung zu steuern. Platziere ein Material in der Mitte der sphärischen Halterung, wobei die Lampe auf einem Arm und die Kamera auf einem anderen Arm montiert ist, und führe nacheinander Aufnahmen durch. Fotografieren Sie das Material, während die Lampe systematisch durch eine Reihe diskreter Positionen auf einer um das Material zentrierten Kugel im Softwareprogramm bewegt wird.Wählen Sie einen interessierenden Bereich des Materials aus und extrahieren Sie die Pixel, die diesen Bereich in jedem Foto bilden. Anschließend werden die Pixelwerte ihren jeweiligen Positionen auf der Kugel zugeordnet, um die Streuungsrichtung des Lichts aus dem ausgewählten Bereich darzustellen. Abschließend nutzen Sie die Daten zur Planung zusätzlicher Messungen aus mehreren Kamerarichtungen und mit erhöhter Winkelauflösung.Letztlich hilft diese Methode Forschern dabei, den Zusammenhang zwischen der Organismusstruktur und der gerichteten visuellen Signalübertragung zu identifizieren. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden bildgebenden Streugeometrien liegt darin, dass wir in der Software in der Lage sind, räumliche Variationen der gerichteten Reflektanz komplexer Materialien über mehrere biologisch relevante Maßstäbe hinweg zu visualisieren. Obwohl wir uns auf die gerichtete Signalübertragung bei Vögeln und das Erscheinungsbild des Gefieders konzentrieren, ist diese Methode auch für andere optische Systeme anwendbar, die strukturelle Hierarchien der Skala aufweisen.Als ersten Schritt des Experiments beschaffen Sie sich eine dünne ferritische Metallhalteplatte mit einer Öffnung von etwa einem halben Zoll, die von einem Ring aus Zielmarken umgeben ist. Legen Sie die zu untersuchende Feder an die Rückseite der Platte. Zentrieren Sie den interessierenden Bereich über der Öffnung.Legen Sie anschließend eine magnetische Folie mit einer ähnlich großen Öffnung an der Rückseite der Feder an, um die Feder gegen die Platte zu drücken. Richten Sie die Öffnungen der Folie und der Platte aus, wobei darauf zu achten ist, dass die Feder nicht geschert wird. Dadurch sollte die Feder eine annähernd ebene makroskopische Oberfläche aufweisen, die etwa mit der Oberfläche der Platte übereinstimmt.Um die Gantry einzurichten, beginnen Sie damit, die Mitte der kreisförmigen Apertur am Ursprung des Gantry-Koordinatensystems zu bestimmen. Platzieren Sie eine Lichtquelle am äußeren Arm der Gantry.Richten Sie das Licht gezielt und fokussiert auf die Feder aus. Bringen Sie anschließend eine Kamera am inneren Arm des Gitters an. Stellen Sie den Abstand der Kamera und den Fokus des Makroobjektivs so ein, dass der Kreis der Zielmarken die gesamte Breite des Sensors ausfüllt.Zu diesem Zeitpunkt sollten die Gantry-Arme kalibriert sowie die Kamerafokussierung und Belichtungseinstellung konfiguriert sein. Beginnen Sie die Messungen, indem Sie die optische Achse der Kamera senkrecht zur Oberflächenebene ausrichten. Platzieren Sie die Lichtquelle an der ersten von mehreren Positionen, die die Richtungen des einfallenden Lichts definieren.Die Positionen sollten gleichmäßig auf der Kugel verteilt sein und im Dunkeln zentriert um die Feder liegen. Für jede Lichtposition wird ein Rohbild für jede Belichtungszeit aus dem zuvor bestimmten Belichtungsabstand aufgenommen. Danach wird das Licht in die nächste Position gebracht und der Vorgang wiederholt.Wenn die Daten gesammelt sind, beginnen Sie mit der Verarbeitung der Bilder für jeden Vorfall. Lichtrichtung. Kombinieren Sie alle Belichtungen mit niedrigem Dynamikumfang zu einem einzigen Farbbild mit hohem Dynamikumfang.Diese Farbbilder mit hohem Dynamikumfang werden zur Erstellung der Daten für die Visualisierung verwendet. Zum Durchsuchen der Prozessdaten kommt eine benutzerdefinierte, einfache Browseranwendung zum Einsatz. Sie öffnet ein Fenster, das das Bild der Feder zeigt, die durch die erste einfallende Lichtrichtung beleuchtet wird.Wählen Sie nun einen Bereich der Federader für die Analyse aus. Hier wird ein rechteckiger Bereich aus den verfügbaren Optionen gewählt. Zeichnen Sie die durchschnittliche gerichtete Lichtstreuung aus dem ausgewählten Bereich auf. Ein Diagrammfenster zeigt die Reflektanz als Funktion der Richtung.Das Ko-Signal öffnet sich neben dem Bildfenster und passt die Belichtung der Farbkarte an. Mithilfe der Software kann die Reflexions-Farbkarte auf der Einheitskugel zwischen Helligkeit (RGB) und Farbton (Chroma) umgeschaltet werden. Im Folgenden wird unser GB verwendet.Um die Kugel zu drehen, klicken Sie darauf. Um die Trackball-Oberfläche zu aktivieren, ziehen Sie die Oberfläche, um eine Drehung zu bewirken. Um die Reflektanz-Halbkugel anzusehen, bringen Sie die Kugel in ihre Ausgangsposition zurück.Drehen Sie die Kugel um 180 Grad aus der Standardposition heraus. Um die Transmissions-Halbkugel für eine alternative Darstellung der Daten anzuzeigen, wählen Sie den Polardiagramm-Modus, um die Radien jeder Richtung auf der Einheitskugel zu sehen, skaliert nach ihren jeweiligen Helligkeitswerten. Ändern Sie die Farbskala der helligkeitsgeregelten Kugel von RGB auf Chroma.Die Beleuchtungsrichtung des angezeigten Bildes ist im Streuungsdiagramm der Richtung mit einem roten Kreis markiert. Klicken Sie auf eine andere einfallende Beleuchtungsrichtung, um die Feder beleuchtet aus dieser Richtung anzuzeigen. Verringern Sie die Belichtung des Bildes, um eine Überbelichtung zu korrigieren.Um die Reflektanz über eine Hierarchie von Maßstäben zu untersuchen, kehren Sie den Plot-Modus zur Einheitskugel zurück und verwenden Sie die RGB-Farbpalette. Ändern Sie den Auswahltyp von einem rechteckigen Bereich zu einem linearen. Dies ermöglicht die Untersuchung der Reflektanz einzelner feiner Strukturen innerhalb des rechteckigen Bereichs.Zeichnen Sie die Reflexion des linearen Mittelwerts in einem neuen Fenster, während der rechteckige Mittelwert als Referenz beibehalten wird. Hier erkennt man, dass die distalen Bartmullen der Feder, die sich über den linearen Bereich erstrecken, Licht entlang der Horizontalen reflektieren. Wählen Sie eine der Beleuchtungsrichtungen im linearen Diagramm aus, um die stark reflektierenden distalen Bartmullen im linken Bild darzustellen, um den angrenzenden dunklen Streifen zu untersuchen.Verschieben Sie die lineare Auswahl, bis sie in diesen Bereich der Federstruktur eindringt. Hier zweigen die proximalen ES-Zweige von den Rami im linearen Durchschnittsplot ab; die proximalen ES erscheinen vertikal reflektierend. Wählen Sie eine der Richtungen aus, um die stark reflektierenden proximalen Partien im linken Bild darzustellen.Beobachten Sie, dass die feinskaligen Strukturen, die im linearen Diagramm Licht horizontal und vertikal reflektieren, sich zur Fernfeldsignatur kombinieren, wie sie im rechteckigen Diagramm zu sehen ist. Nachdem die grundlegenden Schritte zur Messung und Visualisierung der gerichteten Lichtstreuung über eine Skalenhierarchie erläutert wurden, folgen nun Beschreibungen fortgeschrittener Kameralibrierungstechniken, um Experimente mit mehreren Kamerapositionen vorzubereiten, wobei eine Feder mit einer Halterung befestigt wird und ein schachbrettartiges Kalibrierungsmuster flach an der Montageplatte anliegt. Platzieren Sie die Kamera so, dass ihr Zugang senkrecht zur Platte steht.Verwenden Sie eine beliebige Beleuchtung, die ausreicht, um eine korrekt belichtete Aufnahme zu erzielen. Nehmen Sie Bilder der Platte auf, die für die Kamerakalibrierung mit der Boogey Camera Calibration Toolbox in Matlab verwendet werden. Neun Aufnahmen aus Kamerapositionen innerhalb eines 120-Grad-Kegels, der um die zur Platte senkrechte Achse zentriert ist, haben sich als ausreichend erwiesen.Nach Abschluss dieses Schritts kalibrieren Sie die Kameraposition, einschließlich ihres Abstands Z zum Kalibrierziel. Entfernen Sie danach das Kalibrierziel, sodass der Kreis der Ziele um die Apertur sichtbar wird. Verwenden Sie den an der Kamera befestigten Blitz, um zwei Bilder der Ziele aufzunehmen: eines aus einer senkrecht zur Platte stehenden Richtung und ein zweites aus einem streifenden Winkel.Die beiden Bilder werden verwendet, um den Abstand der Kamera zum Zielring und zur Feder zu kalibrieren, indem die translatorischen Verschiebungen T eins und T zwei ermittelt werden. Nachdem die Kamera nun kalibriert ist, können wir die Lichtstreuung aus mehreren Kamerarichtungen mithilfe alternativer, gerichteter Abtastmuster messen. Beginnen Sie damit, mithilfe eines einfachen Browsers einen Datensatz zu öffnen, der eine dünn besetzte Sphäre aus einfallenden Lichtquellenrichtungen und eine senkrechte Kamerarichtung enthält.Untersuchen Sie die Richtungsverteilung des von der Feder reflektierten Lichts. Basierend auf dieser Analyse optimieren Sie den Satz der einfallenden Lichtstrahlen, um die Richtungsabtastung zu verbessern. Diese Positionen sollten die spekularen Richtungen dicht und die nicht-spekularen Richtungen spärlich abtasten.Wählen Sie sechs zusätzliche Kamerarichtungen, die gleichmäßig über eine halbe Hemisphäre verteilt sind. Für jede Richtung durchmustern Sie die Reflektanz-Hemisphäre dicht für spekular reflektierende Richtungen und spärlich für nicht-spekular reflektierende Richtungen, für jede einfallende Lichtquelle in jeder Hemisphäre. Fotografieren Sie zunächst den Zielring, der die Feder umgibt, mit dem am Kameragehäuse befestigten Blitzlicht.Zweitens fotografieren Sie die Feder bei jeder Belichtung in der Belichtungsreihe. Anschließend kombinieren Sie die Belichtungen zu einem Farbbild mit hohem Dynamikumfang. Korrigieren Sie das mit Blitzlicht beleuchtete Foto grob unter Verwendung der Gantry-Koordinaten.Danach die Zielzentren finden und nutzen, um das HDR-Bild der Feder präzise so zu projizieren, als wäre es aus senkrechter Richtung fotografiert worden. Nach der Verarbeitung einen einfachen Browser verwenden, um die gerichtete Reflektanz aus dem gleichen Bereich der Feder visuell zu durchsuchen. In jedem der sieben nicht gleichmäßig abgetasteten Halbkugeln die Plots der gerichteten Reflektanz für jede Kamerarichtung in einem Polarkoordinatensystem anordnen. In dieser Polardarstellung sind mehrere Messungen aus verschiedenen Kamerapositionen an der Feder eines violetten glänzenden Sterns dargestellt.Die roten Pfeile stellen die Kamerarichtungen dar. Die Positionen der Kamera auf der Kugel sind im Einzelbild dargestellt. In jeder der Betrachtungsrichtungen wird reflektiertes Licht aus Hunderten von einfallenden Beleuchtungsrichtungen gesammelt.Die RGB-Farbdaten zeigten, dass die Feder interferenzfarben ist und sich von blaugrün bei normalen Einfallswinkeln zu magenta bei streifenden Einfallswinkeln verändert. Die Technik kann für Untersuchungen mit feinerer Winkelauflösung verwendet werden, wenn die Richtung des einfallenden Lichts und die Kamerablickrichtung auf eine Dimension beschränkt sind. Im Einleger dargestellt ist die Chroma der Reflexion als Funktion des Halbwinkels zwischen Einfall- und Blickrichtung.Wenn diese Richtungen in der Ebene senkrecht zur Längsachse des distalen Balkens liegen, verändert sich beim Durchlaufen des irideszierenden Farbbogens durch den Farbraum der Farbton von blaugrün zu violett. Die dominante Wellenlänge der Reflexion in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Einfall- und Betrachtungsrichtung ist hier dargestellt. Die rote Linie entspricht dem Fall, bei dem die beiden Richtungen in einer Ebene mit der Längsachse des distalen Balkens liegen.Der schattierte Bereich gilt für den Fall, dass die Richtungen senkrecht zu dieser Achse verlaufen. Die Farbe der Schattierung entspricht der RGB-Farbe der reflektierten negativen Welle. Die Längenwerte stellen Farben in einem nicht spektralen Bereich dar.Neben der dominanten Wellenlänge liegen Daten zum prozentualen Chroma und zur prozentualen Leuchtdichte der Reflexion in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Einfallswinkel und Betrachtungswinkel vor. Auch hier entspricht die rote Linie der Konfiguration, bei der die Richtung des einfallenden Lichts und die Blickrichtung in einer Ebene mit der longitudinalen Achse des distalen Balkens liegen. Der schraffierte Bereich gilt für den Fall, dass die Richtungen senkrecht zu dieser Achse stehen.Wenn die Methode einmal beherrscht ist, kann eine typische Messung erfasst und in weniger als 14 Stunden verarbeitet werden. Diese Technik ebnete den Weg für Forscher in den Bereichen Ornithologie und Computergrafik, um den Zusammenhang zwischen komplexer Gefiedermorphologie und den richtungsabhängigen Effekten der visuellen Signalübertragung bei Vögeln zu untersuchen.

measuring-spatially-directionally-varying-light-scattering-from

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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