Medición espacialmente y direccionalmente variable dispersión de luz de material biológico

El objetivo general de este procedimiento es medir y visualizar el cambio en la dirección de la luz dispersada de un material estructuralmente complejo a múltiples escalas estructurales para controlar la luz incidente y ver las direcciones. Coloque un material en el centro del pórtico esférico con su lámpara montada en un brazo y su cámara montada en otro brazo secuencialmente. Fotografíe el material mientras mueve sistemáticamente la lámpara a través de una serie de posiciones discretas en una esfera, centradas en el material en el software.

Seleccione una región de interés en el material y extraiga los píxeles que componen la región en cada fotografía. A continuación, asigne los valores de píxel a sus respectivas posiciones en la esfera para visualizar la dirección de las luces dispersas desde la región seleccionada. Por último, utilice los datos para planificar mediciones adicionales desde múltiples direcciones de la cámara y con una resolución angular aumentada.

En última instancia, este método ayuda a los investigadores a identificar la relación entre la estructura del organismo y la señalización visual direccional. La principal ventaja de esta técnica sobre la geometría de dispersión de imágenes existente es nuestra capacidad en software para visualizar la variación espacial en la reflectancia direccional de materiales complejos en múltiples escalas biológicamente relevantes. Aunque nos centramos en la señalización direccional de las aves y la apariencia del plumaje, este método es válido para otros sistemas ópticos que exhiben jerarquías estructurales de escala.

Como primer paso en el experimento, obtenga una placa de montaje de metal Ferris delgada con una apertura de aproximadamente media pulgada, rodeada por un anillo de objetivos. Coloque la pluma a estudiar contra la parte posterior del plato. Centrar la región de interés sobre la apertura.

A continuación, coloque una lámina de película magnética con una abertura de tamaño similar contra la parte posterior de la pluma para presionar la pluma contra la placa. Alinee las aberturas de la película y la placa teniendo cuidado de no cortar la pluma. Esto debería dar como resultado que la pluma presente una macrosuperficie plana aproximadamente coincidente con la superficie de la placa.

Para configurar el pórtico. Comience ubicando el centro de la abertura circular en el origen del sistema de coordenadas del pórtico. Coloque una fuente de luz en el brazo exterior del pórtico.

Apunte y enfoque estrechamente la luz en la pluma. A continuación, coloque una cámara en el brazo interior del pórtico. Ajuste la distancia de la cámara y el enfoque de la lente macro hasta que el anillo de objetivos llene el ancho del sensor.

En este punto, se deben calibrar los brazos del pórtico y configurar el enfoque y la exposición de la cámara. Inicie las mediciones colocando el eje óptico de la cámara normal en el plano de la superficie. Coloque la luz en la primera de una serie de posiciones que definen las direcciones de la luz incidente.

Las posiciones deben distribuirse uniformemente en la esfera, centradas en la pluma en una habitación oscura. Para cada posición de luz, capture una imagen en bruto para cada tiempo de exposición en el rango de exposición previamente determinado. A continuación, mueva la luz a su siguiente posición y repita.

Una vez recopilados los datos, comience a procesar las imágenes de cada incidente. Dirección de la luz. Integre todas las exposiciones de bajo rango dinámico en una sola imagen en color de alto rango dinámico.

Estas imágenes en color de alto rango dinámico se utilizan para crear los datos para la visualización. Para examinar los datos de proceso, se utiliza la aplicación de navegador simple personalizada. Se abre a una ventana que contiene la imagen de la pluma iluminada por la primera dirección de iluminación incidente.

Ahora seleccione una región de la vena de pluma para el análisis. Aquí, se elige una región rectangular de las opciones disponibles. Trace la dispersión de luz direccional promedio desde la región seleccionada, una ventana de trazado que muestra la reflectancia en función de la dirección.

El signo conjunto se abre junto a la ventana de la imagen, ajusta la exposición del mapa de colores. Con el software, es posible alternar el mapa de color de reflectancia en la esfera unitaria entre luminancia RGB y croma. Nuestro GB se utiliza en lo que sigue.

Para rotar la esfera, haga clic en ella. Para habilitar la interfaz de bola de seguimiento, arrastre la interfaz para provocar la rotación. Para ver el hemisferio de reflectancia, devuelva la esfera a su posición predeterminada.

Gire la esfera 180 grados desde la posición predeterminada. Para ver el hemisferio de transmitancia para otra vista de los datos, seleccione el modo de gráfico polar para ver los radios de cada dirección en la esfera unitaria escalados por sus respectivos valores de luminancia. Cambie el mapa de color de la esfera escalada de luminancia de RGB a croma.

La dirección de iluminación de la imagen mostrada se marca con un círculo rojo en el gráfico de dispersión direccional. Haga clic en cualquier otra dirección de iluminación incidente para mostrar el calado iluminado desde esa dirección. Disminuya la exposición de la imagen para corregir la sobreexposición.

Para investigar la reflectancia en una jerarquía de escalas, devuelva el modo de trazado a la esfera unitaria y utilice el mapa de colores RGB. Cambie el tipo de selección de una región rectangular a una lineal. Esto permitirá el estudio de la reflectancia de estructuras individuales a escala fina en la región rectangular.

Represente la reflectancia de la media lineal en una nueva ventana manteniendo la media rectangular como referencia. Aquí, se ve que las mulas de la barra distal de la pluma atravesadas por la región lineal reflejan la luz a lo largo de la horizontal. Seleccione una de las direcciones de iluminación en el trazado lineal para mostrar las mulas de barra distal altamente reflectantes en la imagen de la izquierda para investigar la franja oscura adyacente.

Mueva la selección lineal hasta que entre en esa región de la estructura de calado. Es aquí donde el ES proximal se ramifica de las ramas en el gráfico de promedio lineal, se ve que los ES proximales reflejan la luz verticalmente. Seleccione una de las direcciones para mostrar los pares proximales altamente reflectantes en la imagen de la izquierda.

Observe que las estructuras de escala fina que reflejan la luz horizontal y verticalmente en el gráfico lineal se combinan para producir la señal de campo lejano que se ve en el gráfico rectangular. Después de haber revisado los pasos básicos para medir y visualizar la dispersión direccional de la luz en una jerarquía de escala, a continuación se describen las técnicas avanzadas de calibración de la cámara en preparación para realizar experimentos desde múltiples direcciones de la cámara con un clip montado en una pluma, un objetivo de calibración con patrón de ajedrez plano contra la placa de montaje. Coloque la cámara con su acceso perpendicular a la placa.

Utilice cualquier iluminación suficiente para una exposición adecuada para capturar una imagen. Capture imágenes de la placa para utilizarlas en la caja de herramientas de calibración de cámaras boogey de matlab. Nueve imágenes desde posiciones de cámara dentro de un cono de 120 grados centrado en el eje perpendicular de las placas han demostrado ser suficientes.

Una vez hecho esto, calibre la posición de la cámara, incluida su distancia Z al objetivo de calibración. A continuación, retire el objetivo de calibración revelando el anillo de objetivos que rodea la apertura. Utilice el flash montado en la cámara para capturar dos imágenes de los objetivos, una desde una dirección perpendicular a la placa y la segunda desde un ángulo rasante.

Las dos imágenes se utilizarán para calibrar la distancia de la cámara al anillo objetivo y a la pluma resolviendo los desplazamientos de traslación T uno y T dos. Ahora que hemos calibrado la cámara, podemos medir la dispersión de la luz desde múltiples direcciones de la cámara utilizando patrones de muestreo direccionales alternativos. Para empezar, utilice un navegador sencillo para abrir un conjunto de datos que contenga una esfera escasamente muestreada de direcciones de luz incidente y una dirección de cámara perpendicular.

Observa la distribución direccional de la luz reflejada por la pluma. Sobre la base de esta revisión, refine el conjunto de direcciones de luz incidente para mejorar el muestreo direccional. Estas posiciones deben muestrear direcciones especulares densamente y direcciones no seculares. Escasamente.

Elija seis direcciones de cámara adicionales distribuidas uniformemente en medio hemisferio. Para cada dirección, muestree el hemisferio de reflectancia densamente para las direcciones especulares y escasamente para las direcciones no especulares para cada dirección de luz incidente en cada hemisferio. Primero fotografíe el anillo objetivo que rodea la pluma con el flash montado en la cámara.

En segundo lugar, fotografíe la pluma en cada exposición en el soporte de exposición. A continuación, integre las exposiciones en una imagen en color de alto rango dinámico. Rectifique a grandes rasgos la fotografía iluminada con flash utilizando las coordenadas del pórtico.

A continuación, encuentre y utilice sus centros de destino para proyectar con precisión la imagen HDR de la pluma como si se hubiera fotografiado desde una dirección perpendicular. Después del procesamiento, utilice un navegador simple para examinar visualmente la reflectancia direccional de la misma región de la pluma. En cada uno de los siete hemisferios muestreados no uniformes, organice los gráficos de reflectancia direccional para cada una de las direcciones de la cámara En un sistema de coordenadas polares, se muestran en este gráfico polar múltiples mediciones de posición de la cámara realizadas en la pluma de un estornino púrpura brillante.

Las flechas rojas representan las direcciones de la cámara. Las posiciones de la cámara en la esfera se muestran en el recuadro. En cada una de las direcciones de visualización, la luz reflejada se recoge de cientos de direcciones de iluminación incidentes.

Los datos de color RGB revelaron que la pluma es iridiscente, cambiando de azul verdoso en incidentes normales a magenta en incidentes de pastoreo. La técnica se puede utilizar para estudios de resolución angular más finos cuando la iluminación incidente y las direcciones de visualización de la cámara están restringidas a una dimensión. En el recuadro se representa el croma de la reflectancia en función del medio ángulo entre las direcciones de incidencia y visualización.

Cuando estas direcciones están en el plano perpendicular al eje longitudinal de la barra distal, a medida que el color iridiscente se arquea a través del espacio de cromaticidad, el tono cambia de azul verdoso a púrpura. Aquí se representa la longitud de onda dominante de la reflectancia en función del ángulo entre las direcciones incidente y de visualización. La línea roja corresponde a cuando las dos direcciones están en plano con el eje longitudinal de la barra distal.

La región sombreada es para cuando las direcciones son perpendiculares a ese eje. El color del sombreado es el color RGB de la onda negativa de reflectancia. Los valores de longitud representan colores en una región no espectral.

Además de la longitud de onda dominante, hay datos sobre el porcentaje de croma y el porcentaje de luminancia de la reflectancia en función del ángulo entre el ángulo incidente y el ángulo de visión. De nuevo, la línea roja corresponde a cuando la dirección de la luz incidente y la dirección de visualización están en línea recta con el eje longitudinal de la barra distal. La región sombreada es para cuando las direcciones son perpendiculares a ese eje.

Una vez dominada una medición típica, el uso de esta técnica puede adquirirse y procesarse en menos de 14 horas. Esta técnica allanó el camino para que los investigadores en los campos de la ornitología y los gráficos por computadora exploraran la relación entre la morfología compleja del plumaje y los efectos direccionales de la señalización visual de las aves.