Mesure spatialement et Directionnellement variant diffusion de la lumière à partir de matériel biologique

L’objectif général de cette procédure est de mesurer et de visualiser le changement de direction de la lumière diffusée à partir d’un matériau structurellement complexe à plusieurs échelles structurelles afin de contrôler la lumière incidente et de visualiser les directions. Placez un matériau au centre du portique sphérique avec sa lampe montée sur un bras et sa caméra montée sur un autre bras de manière séquentielle. Photographiez le matériau tout en déplaçant systématiquement la lampe à travers une série de positions discrètes sur une sphère, centrées sur le matériau dans le logiciel.

Sélectionnez une région d’intérêt sur le matériau et extrayez les pixels qui la composent dans chaque photo. Mappez ensuite les valeurs des pixels à leurs positions respectives sur la sphère pour visualiser la direction des lumières diffusées à partir de la région sélectionnée. Enfin, utilisez les données pour planifier des mesures supplémentaires à partir de plusieurs directions de caméra et avec une résolution angulaire accrue.

En fin de compte, cette méthode aide les chercheurs à identifier la relation entre la structure de l’organisme et la signalisation visuelle directionnelle. Le principal avantage de cette technique par rapport à la géométrie de diffusion d’imagerie existante est notre capacité dans le logiciel à visualiser la variation spatiale de la réflectance directionnelle de matériaux complexes à plusieurs échelles biologiquement pertinentes. Bien que nous nous concentrions sur la signalisation directionnelle aviaire et l’apparence du plumage, cette méthode est valable pour d’autres systèmes optiques présentant des hiérarchies structurelles d’échelle.

Comme première étape de l’expérience, obtenez une fine plaque de montage en métal Ferris avec une ouverture d’environ un demi-pouce, entourée d’un anneau de cibles. Posez la plume à étudier contre le dos de l’assiette. Centrez la région d’intérêt sur l’ouverture.

Ensuite, posez une feuille de film magnétique avec une ouverture de taille similaire contre l’arrière de la plume pour presser la plume contre la plaque. Alignez les ouvertures du film et de la plaque en prenant soin de ne pas cisailler la plume. Cela devrait faire en sorte que le contour présente une macro-surface plane coïncidant approximativement avec la surface de la plaque.

Pour configurer le portique. Commencez par localiser le centre de l’ouverture circulaire à l’origine du système de coordonnées du portique. Placez une source de lumière sur le bras extérieur du portique.

Visez et concentrez étroitement la lumière sur la plume. Ensuite, placez une caméra sur le bras intérieur du portique. Ajustez la distance de la caméra et la mise au point de l’objectif macro jusqu’à ce que l’anneau de cibles remplisse la largeur du capteur.

À ce stade, les bras du portique doivent être calibrés et la mise au point et l’exposition de la caméra doivent être configurées. Commencez les mesures en positionnant l’axe optique de la caméra perpendiculairement au plan de surface. Placez la lumière dans la première d’une série de positions qui définissent les directions de la lumière incidente.

Les positions doivent être uniformément réparties sur la sphère, centrées sur la plume dans une pièce sombre. Pour chaque position d’éclairage, capturez une image brute pour chaque temps d’exposition dans la fourchette d’exposition précédemment déterminée. Déplacez ensuite la lumière à sa position suivante et répétez.

Une fois les données collectées, commencez à traiter les images de chaque incident. Direction de la lumière. Intégrez toutes les expositions à faible plage dynamique en une seule image couleur à plage dynamique élevée.

Ces images couleur à plage dynamique élevée sont utilisées pour créer les données de visualisation. Pour parcourir les données de processus, l’application de navigation simple personnalisée est utilisée. Elle s’ouvre sur une fenêtre contenant l’image de la plume éclairée par la première direction d’éclairage incidente.

Sélectionnez maintenant une région de la veine de la plume pour l’analyse. Ici, une région rectangulaire est choisie parmi les options disponibles. Tracez la diffusion directionnelle moyenne de la lumière à partir de la région sélectionnée, une fenêtre de tracé montrant la réflectance en fonction de la direction.

Co-signer s’ouvre à côté de la fenêtre de l’image, ajustez l’exposition de la carte des couleurs. À l’aide du logiciel, il est possible de faire défiler la carte de couleurs de réflectance sur la sphère unitaire entre la luminance RVB et la chrominance. Notre GB est utilisé dans ce qui suit.

Pour faire pivoter la sphère, cliquez dessus. Pour activer l’interface de boule de commande, faites glisser l’interface pour provoquer la rotation. Pour afficher l’hémisphère de réflectance, rétablissez sa position par défaut.

Faites pivoter la sphère de 180 degrés par rapport à la position par défaut. Pour afficher l’hémisphère de transmission pour une autre vue des données, sélectionnez le mode de tracé polaire pour voir les rayons de chaque direction sur la sphère unitaire mis à l’échelle en fonction de leurs valeurs de luminance respectives. Modifiez la palette de couleurs de la sphère mise à l’échelle de la luminance de RVB à chrominance.

La direction d’éclairage de l’image affichée est entourée en rouge dans le tracé de diffusion directionnelle. Cliquez sur n’importe quelle autre direction d’éclairage incident pour afficher la plume éclairée dans cette direction. Diminuez l’exposition de l’image pour corriger la surexposition.

Pour étudier la réflectance sur une hiérarchie d’échelles, rétablissez le mode de tracé sur la sphère unitaire et utilisez la palette de couleurs RVB. Modifiez le type de sélection d’une région rectangulaire à une région linéaire. Cela permettra d’étudier la réflectance à partir de structures individuelles à petite échelle dans la région rectangulaire.

Tracez la réflectance de la moyenne linéaire dans une nouvelle fenêtre tout en conservant la moyenne rectangulaire à titre de référence. Ici, les mules distales de la plume enjambées par la région linéaire réfléchissent la lumière le long de l’horizontale. Sélectionnez l’une des directions d’éclairage dans le tracé linéaire pour afficher les mules à barres distales hautement réfléchissantes dans l’image de gauche afin d’examiner la bande sombre adjacente.

Déplacez la sélection linéaire jusqu’à ce qu’elle pénètre dans cette zone de la structure du contour progressif. C’est ici que les SE proximaux se ramifient à partir du rami dans le graphique de moyenne linéaire, les ES proximaux sont vus réfléchir la lumière verticalement. Sélectionnez l’une des directions pour afficher les pares proximales hautement réfléchissantes dans l’image de gauche.

Observez que les structures à petite échelle qui réfléchissent la lumière horizontalement et verticalement dans le tracé linéaire se combinent pour produire le signal de champ lointain vu dans le tracé rectangulaire. Après avoir passé en revue les étapes de base pour mesurer et visualiser la diffusion directionnelle de la lumière sur une hiérarchie d’échelle, ce qui suit Décrivez les techniques avancées d’étalonnage de la caméra en préparation de la réalisation d’expériences à partir de plusieurs directions de caméra avec un clip monté sur la plume, une cible d’étalonnage à motif en damier à plat contre la plaque de montage. Placez l’appareil photo avec son accès perpendiculaire à la plaque.

Utilisez n’importe quel éclairage suffisant pour une bonne exposition pour capturer une image. Capturez des images de la plaque à utiliser dans la boîte à outils d’étalonnage de la caméra boogey dans matlab. Neuf images prises à partir des positions de la caméra à l’intérieur d’un cône de 120 degrés centré sur l’axe perpendiculaire des plaques se sont avérées suffisantes.

Une fois cela fait, calibrez la position de la caméra, y compris sa distance Z par rapport à la cible de calibrage. Ensuite, retirez la cible d’étalonnage révélant l’anneau de cibles entourant l’ouverture. Utilisez le flash monté sur l’appareil photo pour capturer deux images des cibles, l’une dans une direction perpendiculaire à la plaque et la seconde sous un angle rasant.

Les deux images seront utilisées pour calibrer la distance de la caméra par rapport à l’anneau cible et à la plume en résolvant les décalages de translation T un et T deux. Maintenant que nous avons calibré la caméra, nous pouvons mesurer la diffusion de la lumière à partir de plusieurs directions de caméra à l’aide de modèles d’échantillonnage directionnels alternatifs. Pour commencer, utilisez un navigateur simple pour ouvrir un ensemble de données contenant une sphère peu échantillonnée de directions de lumière incidente et une direction de caméra perpendiculaire.

Visualisez la distribution directionnelle de la lumière réfléchie par la plume. Sur la base de cet examen, affiner l’ensemble des directions des feux incidents afin d’améliorer l’échantillonnage directionnel. Ces positions devraient échantillonner les directions spéculaires denses et les directions non séculaires. Peu.

Choisissez six directions de caméra supplémentaires réparties uniformément sur un demi-hémisphère. Pour chaque direction, échantillonnez l’hémisphère de réflectance de manière dense pour les directions spéculaires et éparpillement pour les directions non spéculaires Pour chaque direction de lumière incidente dans chaque hémisphère. Photographiez d’abord l’anneau cible entourant la plume avec le flash monté sur l’appareil photo.

Deuxièmement, photographiez la plume à chaque exposition dans le bracket d’exposition. Intégrez ensuite les expositions dans une image couleur à plage dynamique élevée. Rectifiez grossièrement la photo éclairée par le flash à l’aide des coordonnées du portique.

Ensuite, trouvez et utilisez ses centres cibles pour projeter avec précision l’image HDR de la plume comme si elle avait été photographiée dans une direction perpendiculaire. Après le traitement, utilisez un navigateur simple pour parcourir visuellement la réflectance directionnelle à partir de la même région de la plume. Dans chacun des sept hémisphères échantillonnés non uniformes, disposez les tracés de réflectance directionnelle pour chacune des directions de la caméra Sur un système de coordonnées polaires, ce graphique polaire montre plusieurs mesures de position de caméra effectuées sur la plume d’un étourneau brillant violet.

Les flèches rouges représentent les directions de la caméra. Les positions de la caméra sur la sphère sont indiquées dans l’encadré. Dans chacune des directions de vision, la lumière réfléchie est recueillie à partir de centaines de directions d’éclairage incidentes.

Les données de couleur RVB ont révélé que la plume est irisée, passant du bleu-vert lors des incidents normaux au magenta lors des incidents de pâturage. Cette technique peut être utilisée pour des études de résolution angulaire plus fines lorsque l’éclairage incident et les directions de visualisation de la caméra sont limités à une dimension. Le tracé dans l’encart est la chrominance de la réflectance en fonction du demi-angle entre la direction de l’incident et la direction de l’observation.

Lorsque ces directions sont dans le plan perpendiculaire à l’axe longitudinal de la barre distale, lorsque la couleur irisée s’arque dans l’espace chromatique, la teinte passe du bleu-vert au violet. La longueur d’onde dominante de la réflectance en fonction de l’angle entre la direction incidente et la direction de l’observation est représentée ici. La ligne rouge correspond au moment où les deux directions sont en aligne avec l’axe longitudinal de la barre distale.

La région ombrée est utilisée lorsque les directions sont perpendiculaires à cet axe. La couleur de l’ombrage est la couleur RVB de l’onde négative de réflectance. Les valeurs de longueur représentent les couleurs dans une région non spectrale.

En plus de la longueur d’onde dominante, il existe des données sur le pourcentage de chrominance et le pourcentage de luminance de la réflectance en fonction de l’angle entre l’angle incident et l’angle de vue. Encore une fois, la ligne rouge correspond au moment où la direction de la lumière incidente et la direction de la vue sont en aligne avec l’axe longitudinal de la barre distale. La région ombrée est utilisée lorsque les directions sont perpendiculaires à cet axe.

Une fois maîtrisé une mesure typique, l’utilisation de cette technique peut être acquise et traitée en moins de 14 heures. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans les domaines de l’ornithologie et de l’infographie pour explorer la relation entre la morphologie complexe du plumage et les effets directionnels de la signalisation visuelle aviaire.