Name: Medición espacialmente y direccionalmente variable dispersión de luz de material biológico (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: Aprende a medir la dispersión direccional de luz en materiales biológicos complejos usando una plataforma esférica con fuente de luz y cámara. Este método no destructivo preserva la integridad de la muestra mientras captura patrones de reflectancia en múltiples escalas estructurales.

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Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation (NSF premio CARRERA CCF-0.347.303 y subvenciones NSF CCF-0541105). Los autores desean agradecer a Jaroslav Křivánek, Jon Luna, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, y John Hermanson por sus contribuciones intelectuales. El Cornell esférico pórtico fue construido a partir de un diseño debido a Duane Fulco, Marc Levoy y Szymon Rusinkiewicz.

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No hay conflictos de interés declarado.

Aunque el rendimiento y la función de muchas coloraciones pigmentarias y estructurales son bien reconocidos, la morfología de muchos tegumentos es tan complejo que su detalle estructural y función, son poco conocidos 20. Tegumentos han desarrollado especializaciones que varían espacialmente sobre la superficie del organismo para reflejar la luz diferencialmente direccionalmente hacia el espectador. Direccionalidad ha recibido atención principalmente en el estudio de la iridiscencia debido a su cambio de color con el cambio de incidente y ángulo de visión, y la investigación de iridiscencia de tegumento biológica ha obtenido principalmente 1D y 2D algunas mediciones 8,12,17. Sin embargo, las mediciones 6D generalizadas no han sido rutina en el estudio de tegumentos 21-23, iridiscentes o de otra manera, y la literatura sobre fenotipos de color organismal se ve limitada por la falta de datos de color direccionales del tipo nuestro método proporciona. La pluma es especialmente rmateriales tegumentario ich compuesto por un régimen de estructura mili-escala de las barbas: rami, barbules distales y proximales barbas. La pequeña escala de los elementos y sus complejos arreglos hacen que sea difícil discernir el comportamiento de dispersión de luz de los elementos individuales. Nuestro protocolo lograron aislar la estructura a gran escala mili de la influencia de la geometría macro escala. Al caracterizar las consecuencias funcionales de la expresión de dirección de las estructuras mili-escala a la firma en el campo lejano de la pluma, hemos habilitado investigación sobre sus consecuencias adaptativas. Enfrentamos intercambios prácticos entre espectral, resolución espacial y angular. Elegimos alta resolución espacial, angular media y baja espectral para nuestros estudios. Otras combinaciones podrían ser utilizados, pero algunos (por ejemplo, todos los alta) conducen a tiempos de medición unworkably largos. La atención debe centrarse en los que es importante para los fenómenos particulares que se están estudiando. En la elección de emplear un ca RGBmera con un filtro de mosaico Bayer, hemos diseñado nuestro protocolo para que coincida con el sistema visual humano. La cámara RGB podría ser sustituido y nuestro protocolo adaptado para medir el estímulo de color relativa de cualquier organismo, se necesita por ejemplo, sensibilidad en el espectro UV para medir aviar tetra-cromática de color 24,25. Una cámara de imagen espectral sería la solución más general 25. Demostramos nuestro protocolo con plumas de las alas terciarias ya que son coloridos y fácilmente aplastado contra una placa de referencia. Por desgracia, la abertura de la placa de metal reveló sólo una fracción de la superficie de la pluma. Si se pudiera medir simultáneamente la forma 3D de la superficie de la pluma, mientras que la medición de su reflectancia 25, podríamos evitar mecánicamente el aplanamiento de la pluma y en lugar de medir la totalidad de la pluma en su estado natural, sin aplanar. Herramientas interactivas, especializados e integrados para la visualización de datos proporcionan substantial beneficiar a los científicos explorar e interpretar grandes volúmenes de datos. Cuanto mayor sea la integración y la interactividad, se observan las conexiones más fáciles en los datos. En nuestro software, un usuario puede trazar interactiva dispersión direccional promedio como una función de la posición de la superficie (Figura 4). Un mayor desarrollo de nuestro software puede integrar otras funciones gráficas (Figuras 6, 7) para extender la experiencia interactiva.

El color y el patrón de tegumento de un organismo desempeñan funciones ecológicas y de crítica social en la mayoría de los taxa animales. Estas propiedades fenotípicas son determinados por la interacción de la luz con la estructura del tegumento, que puede exhibir dispersión óptica que varía tanto espacial (a través de la superficie del tegumento) y direccionalmente (con el cambio en la iluminación y la dirección de visión). En los materiales biológicos complejos, tales como plumas, la dirección de dispersión de la luz se ve influida por la orientación de repetir geometría mili-escala. Estas mismas estructuras mili escala pueden ser incorporados a las estructuras a nanoescala, como arrays de melanina, que a menudo heredan la orientación a escala mili. De nano-a macro-escalas, la estructura del tegumento ha evolucionado funcionalmente para aumentar la capacidad de señalización del organismo. Con el fin de evaluar la influencia de la morfología de las diferentes escalas en la apariencia general, herramientas paramedir y analizar el color de las estructuras biológicas necesitan flexibilidad para aislar dispersión de la luz direccional a varias escalas de ampliación. Hemos desarrollado herramientas de medición basadas en imágenes para estudiar cómo el rendimiento de la morfología de escala mili complejo y variado de una pluma (ramas lengüeta, barbules distales y proximales barbules) amplía la gama de expresión posible de estructuras de nanoescala solo. En una sola imagen registrada por la cámara, se observó que la luz reflejada de manera diferente en diferentes lugares sobre la superficie de la pluma, es decir, reflectancia de la luz fue espacialmente variable. Cuando nos mudamos de la dirección de la luz y la cámara con respecto a la pluma, se observó la reflectancia cambiado, es decir, reflexión de la luz fue direccionalmente variando 1. A raíz de estas observaciones, se ha diseñado un protocolo para moverse metódicamente la luz y una cámara en torno al tema mediante un pórtico esférica 2,3, con el que capturamos 2 dimensiones de doposición rface (X e Y), 2 dimensiones de la dirección de la luz (latitud y longitud) y 2 dimensiones de la dirección de la cámara (latitud y longitud) (Figura 2). En el software se exploraron visualmente las 6 dimensiones de la luz dispersada en función de la posición, la dirección de iluminación y dirección de la vista. Las investigaciones previas sobre la reflectancia de tegumentos ha descontado demasiada frecuencia la contribución de direccionalidad - por ejemplo, la reflexión difusa vs especular o isotrópica vs anisotrópico - a la expresión del color. La mayoría de las mediciones de color se han fijado la luz incidente, objeto, y la geometría de visualización de evitar cuidadosamente los efectos direccionales. Por ejemplo, para eliminar la reflexión especular a partir de las mediciones de color, es común colocar la luz normal a la superficie y registrar la reflectancia a 45 ° de la normal. Los estudios que hacen enlace morfología direccionalmente variable reflectancia suelen centrarse en la nano escalay sus consecuencias iridiscentes 4-8. Pocos consideran que la contribución de las micro, milisegundos y geometrías macro-escala para la firma óptica de campo lejano 8-11. Por lo tanto, es común emplear un detector de luz de reflexión global a través de una única área de interés que pueden incluir varios componentes mili-y / o macro-escala, tales como ramas de púa, barbas, e incluso plumas enteras 6,8,11-17 . Cuando la región de interés es o bien más pequeño que el límite de resolución del detector o no se ajusta a la forma del campo del detector de vista, el protocolo común especifica disección espécimen para aislar la dispersión de la luz desde el elemento de escala mili específico 8,10 , 13,15. Hemos desarrollado un protocolo más amplio para la adquisición de la medición y visualización que permite la exploración de las muchas variables a menudo ignorados en otros estudios más específicos. Medimos la dispersión de la luz en un campo de direcciones y acrossa región del espacio con un conjunto masivo de alto rango dinámico, fotografías de alta resolución tomadas desde un conjunto sistemático de la luz y direcciones de visión. Contamos con un sensor de imagen de alta resolución con su variedad de detectores de píxeles en 2D a escala fina. Agregación en el hardware se produce a nivel de píxel, en una escala más pequeña que los elementos mili-escala que estamos midiendo. Una segunda etapa agregados píxeles individuales de software que el usuario selecciona la forma y el tamaño de la región de interés. En consecuencia, un único conjunto de medición puede ser analizado varias veces en el software para explorar diferentes aspectos de la interacción de la luz con el material en múltiples posiciones y escalas biológicamente relevantes. Mediante la eliminación de la disección y la medición de toda la pluma, nuestro protocolo tiene la ventaja de dejar la morfología de la paleta pluma intacta, conservando contexto natural y la función, es decir, las interacciones de luz entre los elementos constitutivos escala mili. Dispersión de la luz de organismal structura es multidimensional y difícil de cuantificar. Medidas de dispersión de luz 6D no puede aún ser atribuido a la morfología específica dentro de una jerarquía de escala con cualquier instrumento singular. Pero hemos dado un paso importante en esta búsqueda. Hemos desarrollado una herramienta que abarca tres métodos complementarios - reflectancia de muestreo utilizando el pórtico, la exploración de grandes volúmenes de datos en el software, y la visualización de subconjuntos de datos gráficamente - de ampliar nuestra capacidad de medir la dispersión de la luz 6D en cualquier punto de un material, hasta el escala mili. Como se emplean protocolos como el nuestro, nosotros predecimos biólogos identificar miles de rasgos direccionalmente y espacialmente variable y adaptaciones estructurales correspondientes a múltiples escalas de desarrollo. Utilizando nuestras herramientas nos dedicamos a caracterizar el potencial de señalización de la expresión direccional y espacial de las estructuras mili-escala, y la esperanza de arrojar luz sobre las consecuencias adaptativas. Nos dirigimos a una serie de preguntas, tales como: a partir de unay dado el punto de observación, que los elementos a escala fina o regiones a escala bruto de la pluma se hacen eco? ¿Cómo afecta la orientación de los elementos a escala fina influir en la dirección de la luz dispersa? ¿Qué condiciones morfológicas producen un brillo satinado vs un brillo de lentejuelas del ornamento iridiscente? ¿Algunas especies producen más amplio &quot;ventanas&quot; para la observación de las irisaciones que otros? Estas preguntas pueden ser preguntado por las aves y sus plumas, sino también sobre otros organismos que han evolucionado a un aspecto de la superficie determinada para la señalización, camuflaje, o por otras razones.

medición espacialmente y direccionalmente variable dispersión de luz de material biológico

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

La luz interactúa con tegumento de un organismo en una variedad de escalas espaciales. Por ejemplo, en una ave iridiscente: estructuras a nanoescala producen el color, la estructura mili-escala de barbas y bárbulas determina en gran medida el patrón direccional de la luz reflejada, ya través de la estructura espacial macro-escala de superposición, plumas curvadas, estos efectos direccionales crear la textura visual. Efectos Milli escala y macro escala determinan en qué parte del cuerpo del organismo, y por lo que los puntos de vista y en que la iluminación, los colores iridiscentes se ven. De este modo, el flash muy direccional del color brillante de la garganta iridiscentes de un colibrí se explica adecuadamente por su estructura a escala nano solo y preguntas permanecen. Desde un punto de observación dado, que los elementos mili-escala de la pluma están orientados para reflejar fuertemente? ¿Algunas especies producen más amplio &quot;ventanas&quot; para la observación de las irisaciones que otros? Estas y otras preguntas similares may se le preguntó acerca de los organismos que han evolucionado a un aspecto de la superficie determinada para la señalización, camuflaje, o por otras razones. Para estudiar los patrones direccionales de dispersión de la luz de las plumas, y su relación con la morfología de escala mili del ave, se desarrolló un protocolo para la medición de la luz dispersada a partir de materiales biológicos con muchas fotografías de alta resolución tomadas con distintos iluminación y visualización de direcciones. Como medimos la luz dispersada en función de la dirección, se puede observar los rasgos característicos de la distribución direccional de la luz dispersada por esa pluma especial, y porque barbas y bárbulas se resuelven en nuestras imágenes, podemos atribuir claramente las funciones de dirección para estos diferentes estructuras de escala mili. Mantener la muestra intacta preserva el comportamiento de dispersión escala bruta visto en la naturaleza. El método descrito aquí presenta un protocolo generalizado para analizar espacialmente-y-direccionalmente VArying dispersión de la luz a partir de materiales biológicos complejos en múltiples escalas estructurales.

La medida primaria de nuestro protocolo (Rutina I en la Figura 1) fija la dirección de la cámara normal a la superficie y sólo se movió la luz. Dado que la luz se adhiere dispersión al principio de reciprocidad, el resultado es el mismo si mantenemos constante la cámara mientras se mueve la luz en el hemisferio, o viceversa. Cuando fijamos la cámara o de la luz, el juego completo dirección 4-dimensional se submuestreada. Se observa una imagen más completa del comportamiento de la dispersión cuando, a diferencia de la medición primaria, tanto de la luz y la cámara se mueven lejos de la normal de la superficie y en una multiplicidad de direcciones. Lo ideal sería que pudiéramos medir la dispersión de luz de muchas direcciones de cámara, para cuantos el número de direcciones de luz incidente, para producir un conjunto de datos simétrica. En la práctica, esto requeriría demasiadas exposiciones. En nuestra experiencia, podemos obtener suficiente información acerca de las diferentes posiciones de visión moviendo la cámara algunas veces assuming 180 ° simetría rotacional alrededor de la normal de la superficie. Durante la fase de medición secundaria, adquirimos mediciones de 7 direcciones visuales distribuidas en el hemisferio y dentro de 60 ° del cenit 18,19 (II.A de rutina en la Figura 1). En las figuras de este trabajo, mostramos datos representativos y medidos de una pluma de Lamprotornis purpureus (Starling brillante púrpura), la reflectancia de las cuales es iridiscente, brillante y anisotrópico (Figura 5). En cada una de las direcciones de visión 7, la luz reflejada se recoge de cientos de direcciones luminosas incidentes en el hemisferio. Las direcciones forman una banda estrecha orientada ortogonalmente al eje central de la pluma (ver imagen Pluma en la Figura 4). El cambio de color iridiscencia es sutil (de color verde azulado en incidencia normal y de color azul verdoso en incidencia rasante) cuando la pluma se considera normal a su superficie como se ve en la {0 °, 0 y deg;} RGB gráfica de la Figura 5. A medida que el ángulo de visión de los enfoques de pastoreo, los ángulos entre la dirección de la visión y la dirección incidente de pastoreo se maximizan, lo que lleva a un cambio de color más llamativo (azul-verde a 0 ° y magenta a 240 ° entre los hechos y las direcciones visuales) como se ve en la {60 °, 0 °} RGB parcela en la Figura 5. Nos podemos permitir el paso de la luz y una cámara en gran resolución angular más fina cuando se restringe el movimiento de dimensión 1. Figura 6 muestra la cromaticidad de la reflectancia de L. plumaje purpureus como una función del ángulo entre el incidente y direcciones de visión, donde el incidente y direcciones de observación están en el plano que contiene la banda especular, que es perpendicular al eje longitudinal de la bárbula distal. En los arcos de colores iridiscentes por el espacio cromático, el color cambia del verde azulado al púrpura. Variabilidad espacial<html> ción en la reflectancia direccional es visible cuando sean diferentes (X, Y) las coordenadas del tegumento corresponden a diferentes estructuras de escala mili. En el caso de L. purpureus sólo una estructura - la bárbula distal - es visible sobre la mayor parte de la zona. Por el contrario, en C. cupreus, tres estructuras mili escala - las ramas distales, barbas y bárbulas proximal - se distingue claramente en los datos, se puede observar que la reflectancia de la pluma se orienta con respecto al eje longitudinal de cada estructura (Figura 8) . <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Figura 1. Esta visión esquemática muestra dos métodos de montaje, el sistema de coordenadas de pórtico esférica, tipos de muestreo de adquisición y sus respectivos resultados.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver más grande la figura. <img alt="La figura 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figura 2. La pluma aplanada es visible a través de una abertura en una placa de metal rodeado por un anillo de objetivos. Un pórtico esférica se puede plantear para medir la dispersión de luz de una pluma en la iluminación incidente múltiple y direcciones visuales. L = brazo Light (latitud). C = brazo de la cámara (latitud). B = Cámara Base (longitud). T = Turntable (longitud). F = Feather. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figura 3. Promedio de dispersión direccional puede ser calculada a partir de una región de punto, línea o rectangular de paleta pluma. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; La Figura 4. Ejemplo de dispersión direccional representación de funciones (R * = reflectancia, T * = transmitancia, P * = C * = Top, Front, S * = Side, A * = arbitraria) a los regímenes y color (* 1 = luminancia, * 2 = RGB , * 3 = cromaticidad). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver más grande la figura</a> . <img alt="La figura 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Figura 5. La luminancia (parte superior) y de color RGB (parte inferior) de la reflectancia hemisférica en sentido espacio coseno según se ve desde los (ángulo de elevación, ángulo de azimut) pares de coordenadas: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, y {60 °, 135 °}. La reflectancia es<html> promediado a partir de una región rectangular 25 × 25 píxeles de la aleta lateral de una L. terciarias purpureus (Starling brillante púrpura) pluma. Las flechas rojas representan direcciones cámara. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver más grande la figura</a> . <img alt="La figura 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> La Figura 6. Cromaticidad de la reflectancia en función del ángulo medio entre la luz incidente y direcciones visuales:. CIE 1976 Escalas cromáticas uniformes (USC) con la región ampliada <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver más grande la figura</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figura 7. La reflectancia como una función del ángulo entre la iluminación incidente y direcciones de visión, en el plano con (rojo) y perpendicular a (sombreada) del eje longitudinal de la bárbula distal: (A) longitud de onda dominante, (B) Porcentaje de croma, (C ) Porcentaje de luminancia. El sombreado de color en la parcela A es el color RGB de la reflectancia. Los valores negativos representan los colores de longitud de onda en el triángulo púrpura no espectral. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver más grande la figura</a> . <img alt="Figura 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Figura 8. Promedio de reflectancia direccional barbules distales y proximales bárbulas entre dos ramas adyacentes del C. cupreus (African Emerald Cuckoo). <img alt="Figura 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> La Figura 9. (A) Imagen no rectificado iluminada por la luz del pórtico, (B) no rectificado imagen iluminada por el flash de la cámara, (C), se filtró candidatos destino en afín-transformado, imagen flash con iluminación, (d) Objetivos aceptablemente nítidas en profundidad de campo, (E) Rectificado imagen Lámpara iluminada, (F) Girado pluma punta hacia arriba, se ha cosechado y enmascarados. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver más grande la figura</a> .

Se presenta un método no destructivo para el muestreo de la variación espacial en la dirección de la luz dispersada a partir de materiales estructuralmente complejas. Al mantener el material intacto, preservamos el comportamiento de dispersión de escala gruesa, mientras que al mismo tiempo captar contribuciones direccionales escala fina con imágenes de alta resolución. Los resultados se visualizan en el software en las posiciones y escalas biológicamente relevantes.

Medición espacialmente y direccionalmente variable dispersión de luz de material biológico

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 ...

El objetivo general de este procedimiento es medir y visualizar el cambio en la dirección de la luz dispersada desde un material estructuralmente complejo a múltiples escalas estructurales, con el fin de controlar la luz incidente y las direcciones de observación. Coloque un material en el centro del soporte esférico, con su lámpara montada en un brazo y su cámara montada en otro brazo de forma secuencial. Fotografíe el material mientras mueve sistemáticamente la lámpara a través de una serie de posiciones discretas sobre una esfera, centrada en el material, mediante el software.Seleccione una región de interés en el material y extraiga los píxeles que componen la región en cada fotografía. Luego, asigne los valores de los píxeles a sus posiciones respectivas en la esfera para visualizar la dirección de la luz dispersada desde la región seleccionada. Finalmente, utilice los datos para planificar mediciones adicionales desde múltiples direcciones de la cámara y con mayor resolución angular.En última instancia, este método ayuda a los investigadores a identificar la relación entre la estructura organizacional y la señalización visual direccional. La principal ventaja de esta técnica frente a la geometría de dispersión de imágenes existente es nuestra capacidad en el software para visualizar la variación espacial en reflectancia direccional de materiales complejos a múltiples escalas biológicamente relevantes. Aunque nos centramos en la señalización direccional aviar y en 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 delgada de metal Ferris para montaje con una abertura de aproximadamente media pulgada, rodeada por un anillo de objetivos. Coloque la pluma que se estudiará contra la parte trasera de la placa. Centre la región de interés sobre la abertura.A continuación, coloque una lámina de película magnética con una abertura de tamaño similar contra el reverso de la pluma para presionar la pluma contra la placa. Alinee las aberturas de la película y la placa teniendo cuidado de no causar cizallamiento en la pluma. Esto debe resultar en que la pluma presente una superficie macroscópica plana aproximadamente coincidente con la superficie de la placa.Para configurar el portal. Comience localizando el centro de la abertura circular en el origen del sistema de coordenadas del portal. Coloque una fuente de luz en el brazo exterior del portal.Enfoque y centre estrechamente la luz sobre la pluma. A continuación, coloque una cámara en el brazo interno del portal. Ajuste la distancia de la cámara y el enfoque del objetivo macro hasta que el anillo de objetivos llene el ancho del sensor.En este punto, los brazos de la plataforma giratoria deben calibrarse y la enfoque y exposición de la cámara deben configurarse. Comience las mediciones colocando el eje óptico de la cámara normal al plano de la superficie. Coloque la luz en la primera de una serie de posiciones que definen las direcciones de incidencia de la luz.Las posiciones deben distribuirse uniformemente sobre la esfera, centradas en la pluma en una habitación oscura. Para cada posición de la luz, capture una imagen en bruto para cada tiempo de exposición en el rango de exposición determinado previamente. Luego mueva la luz a su siguiente posición y repita el procedimiento.Una vez que se han recopilado los datos, comience a procesar las imágenes de cada incidente. Dirección de la luz. Integre todas las exposiciones de bajo rango dinámico en una única imagen de color de alto rango dinámico.Estas imágenes de color de alto rango dinámico se utilizan para crear los datos para la visualización. Para explorar los datos del proceso, se utiliza una aplicación exploradora personalizada y sencilla. Esta se abre en 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 la pluma para su análisis. Aquí, se elige una región rectangular a partir de las opciones disponibles. Represente gráficamente la dispersión direccional promedio de la luz a partir de la región seleccionada, una ventana de gráfico que muestra la reflectancia en función de la dirección.Co-sign se abre adyacente a la ventana de la imagen; ajuste la exposición del mapa de colores. Mediante el software, es posible alternar el mapa de reflectancia de colores en la esfera unidad entre luminancia RGB y croma. Nuestro GB se utiliza en lo que sigue.Para rotar la esfera, haga clic sobre ella. Para habilitar la interfaz de bola de seguimiento, arrastre la interfaz para provocar la rotación. Para ver el hemisferio de reflectancia, regrese la esfera a su posición predeterminada.Gire la esfera 180 grados desde la posición predeterminada. Para visualizar el hemisferio de transmitancia desde otra perspectiva de los datos, seleccione el modo de gráfico polar para ver los radios de cada dirección sobre la esfera unidad escalados según sus respectivos valores de luminancia. Cambie el mapa de colores de la esfera con luminancia escalada de RGB a croma.La dirección de la iluminación de la imagen mostrada está marcada con un círculo rojo en el gráfico de dispersión direccional. Haga clic en cualquier otra dirección de iluminación incidente para mostrar la pluma iluminada desde esa dirección. Reduzca la exposición de la imagen para corregir la sobreexposición.Para investigar la reflectancia a través de una jerarquía de escalas, restablezca el modo de gráfico a la esfera unitaria y utilice el mapa de colores RGB. Cambie el tipo de selección de una región rectangular a una selección lineal. Esto permitirá estudiar la reflectancia de estructuras individuales a fina escala dentro de la región rectangular.Represente el reflejo del promedio lineal en una nueva ventana, manteniendo el promedio rectangular como referencia. Aquí, se observa que los filamentos distales de la barbilla de la pluma abarcados por la región lineal reflejan la luz a lo largo de la horizontal. Seleccione una de las direcciones de iluminación en el gráfico lineal para mostrar los filamentos distales altamente reflectantes en la imagen de la izquierda y así investigar la franja oscura adyacente.Mueva la selección lineal hasta que entre en esa región de la estructura de la barba. Aquí es donde la rama ES proximal se separa de los rami en el gráfico promedio lineal, y se observa que el ES proximal refleja 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 a pequeña escala que reflejan la luz horizontal y verticalmente en el gráfico lineal se combinan para producir la señal de campo lejano observada en el gráfico rectangular. Tras revisar los pasos básicos para medir y visualizar la dispersión direccional de la luz en una jerarquía de escalas, lo siguiente describe técnicas avanzadas de calibración de cámaras en preparación para realizar experimentos desde múltiples direcciones con una pluma sujeta con una pinza, un objetivo de calibración con patrón de cuadrícula colocado plano contra la placa de montaje. Coloque la cámara con su acceso perpendicular a la placa.Utilice cualquier iluminación suficiente para una exposición adecuada y capturar una imagen. Capture imágenes de la placa para su uso en la caja de herramientas de calibración de cámara boogey dentro de matlab. Se ha demostrado suficiente con nueve imágenes provenientes de posiciones de la cámara dentro de un cono de 120 grados centrado en el eje perpendicular de las placas.Una vez hecho esto, calibre la posición de la cámara, incluyendo su distancia Z respecto al objetivo de calibración. A continuación, retire el objetivo de calibración para revelar el anillo de objetivos que rodea la abertura. 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 traslacionales 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 alternos de muestreo direccional. Para comenzar, utilice un navegador sencillo para abrir un conjunto de datos que contenga una esfera con muestreo escaso de direcciones de luz incidente y una dirección de cámara perpendicular.Observe la distribución direccional de la luz reflejada desde la pluma. Con base en esta revisión, refine el conjunto de direcciones de la luz incidente para mejorar el muestreo direccional. Estas posiciones deben muestrear densamente las direcciones especulares y escasamente las direcciones no especulares.Seleccione seis direcciones adicionales de la cámara distribuidas uniformemente sobre la mitad de una semiesfera. Para cada dirección, muestree densamente el hemisferio de reflectancia en direcciones especulares y escasamente en direcciones no especulares para cada dirección de luz incidente en cada hemisferio. Primero, fotografíe el anillo objetivo que rodea la pluma utilizando el flash montado en la cámara.En segundo lugar, fotografíe la pluma en cada exposición del escalonamiento de exposición. Luego integre las exposiciones en una imagen de color de alto rango dinámico. Rectifique aproximadamente la fotografía iluminada con flash utilizando las coordenadas del carro.Luego, encuentre y utilice sus centros objetivo para proyectar con precisión la imagen HDR de la pluma, como si se hubiera fotografiado desde una dirección perpendicular. Después del procesamiento, use un navegador sencillo para examinar visualmente la reflectancia direccional de la misma región de la pluma. En cada uno de los siete hemisferios muestreados no uniformemente, organice las gráficas de reflectancia direccional para cada una de las direcciones de la cámara. En un sistema de coordenadas polares, como se muestra en este gráfico polar, se representan múltiples mediciones de posiciones de la cámara realizadas sobre la pluma de un estornino brillante púrpura.Las flechas rojas representan las direcciones de la cámara. Las posiciones de la cámara sobre la esfera se muestran en el recuadro. En cada una de las direcciones de visión, se recoge luz reflejada procedente de cientos de direcciones incidentes de iluminación.Los datos de color RGB revelaron que la pluma es iridiscente, cambiando de azul verde a incidencias normales a magenta a incidencias rasantes. La técnica puede utilizarse para estudios con mayor resolución angular cuando la iluminación incidente y las direcciones de visión de la cámara están restringidas a una dimensión. En el recuadro se grafica la croma de la reflectancia en función del ángulo medio entre las direcciones incidente y de observación.Cuando estas direcciones están en el plano perpendicular al eje longitudinal de la barra distal, a medida que el color iridiscente recorre el espacio cromático, el matiz cambia de verde-azulado a púrpura. Aquí se muestra la longitud de onda dominante de la reflectancia en función del ángulo entre las direcciones de incidencia y observación. La línea roja corresponde al caso en que ambas direcciones están en el mismo plano que el eje longitudinal de la barra distal.La región sombreada corresponde a 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 croma porcentual y la luminancia porcentual de la reflectancia en función del ángulo entre la dirección de incidencia y la de observación. Nuevamente, la línea roja corresponde a cuando la dirección de la luz incidente y la dirección de observación están en el mismo plano con el eje longitudinal de la barra distal. La región sombreada corresponde a cuando las direcciones son perpendiculares a ese eje.Una vez dominada una medición típica, esta técnica puede adquirirse y procesarse en menos de 14 horas. Esta técnica allanó el camino para que investigadores en los campos de la ornitología y la informática gráfica exploraran la relación entre la morfología compleja del plumaje y los efectos direccionales de la señalización visual aviar.

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Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

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