Mesure spatialement et Directionnellement variant diffusion de la lumière à partir de matériel biologique
20 mai 2013
Nous présentons une méthode non destructive pour l'échantillonnage de la variation spatiale dans la direction de la lumière diffusée à partir de matériaux de structure complexe. En gardant le matériel intact, nous préservons le comportement de diffusion brut échelle, tout en capturant simultanément contributions directionnelles à petite échelle avec l'imagerie à haute résolution. Les résultats sont visualisés dans le logiciel à des positions et des échelles biologiquement pertinents.
L'objectif général de cette procédure est de mesurer et de visualiser le changement de direction de la lumière diffusée par un matériau structurellement complexe à plusieurs échelles structurelles, afin de contrôler la lumière incidente et les directions d'observation. Placer 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. Photographier le matériau tout en déplaçant systématiquement la lampe à travers une série de positions discrètes sur une sphère centrée sur le matériau, dans le logiciel.
Sélectionnez une région d’intérêt sur le matériau et extrayez les pixels composant cette région dans chaque photographie. Ensuite, associez les valeurs des pixels à leurs positions respectives sur la sphère afin de visualiser la direction de la lumière diffusée par la région sélectionnée. Enfin, utilisez ces données pour planifier des mesures supplémentaires provenant 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 des organismes et la signalisation visuelle directionnelle. Le principal avantage de cette technique par rapport à la géométrie de diffusion d'imagerie existante réside dans notre capacité logicielle à visualiser la variation spatiale de la réflectance directionnelle des 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 structurales d'échelle.
Comme première étape de l'expérience, procurez-vous une fine plaque de montage métallique de Ferris dotée d'une ouverture d'environ un demi-pouce, entourée par un anneau de cibles. Placez la plume à étudier contre l'arrière de la plaque. Centrez la région d'intérêt au-dessus de l'ouverture.
Ensuite, placez une feuille de film magnétique comportant une ouverture de taille similaire contre l'arrière de la plume afin d'appliquer la plume contre la plaque. Alignez les ouvertures du film et de la plaque en prenant soin de ne pas cisailler la plume. Cela doit permettre à la plume de présenter une surface macroscopique plane approximativement coïncidente avec la surface de la plaque.
Pour configurer le portique, commencez par repérer le centre de l'ouverture circulaire à l'origine du système de coordonnées du portique. Placez une source lumineuse sur le bras extérieur du portique.
Dirigez et concentrez précisément 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 la rangée de cibles occupe toute la largeur du capteur.
À ce stade, les bras du portique doivent être étalonnés et la mise au point ainsi que l'exposition de la caméra doivent être configurées. Commencez les mesures en positionnant l'axe optique de la caméra perpendiculairement au plan de la surface. Placez la source lumineuse à la première position d'une série de positions définissant les directions d'incidence de la lumière.
Les positions doivent être uniformément réparties sur la sphère, centrées sur la plume dans une pièce sombre. Pour chaque position de la lumière, capturer une image brute pour chaque temps d'exposition du palier d'exposition déterminé précédemment. Ensuite, déplacer la lumière vers sa position suivante et répéter l'opération.
Une fois les données recueillies, commencez à traiter les images pour chaque incident. Direction de la lumière. Intégrez toutes les expositions à faible dynamique en une seule image couleur à haute dynamique.
Ces images en couleurs à haute plage dynamique sont utilisées pour créer les données destinées à la visualisation. Pour parcourir les données du processus, on utilise une application navigateur simple et personnalisée. Elle s'ouvre sur une fenêtre contenant l'image de la plume éclairée par la première direction d'éclairage incident.
Sélectionnez maintenant une région de la veine de la plume à analyser. Ici, une région rectangulaire est choisie parmi les options disponibles. Tracez la diffusion directionnelle moyenne de la lumière provenant de la région sélectionnée, une fenêtre de tracé affichant la réflectance en fonction de la direction.
La fenêtre de co-signature s'ouvre à côté de la fenêtre d'image ; ajustez l'exposition de la carte de couleurs. À l'aide du logiciel, il est possible de faire alterner la carte de réflectance en couleurs sur la sphère unitaire entre la luminance RVB et la chrominance. Notre GB est utilisé dans la suite.
Pour faire tourner la sphère, cliquez dessus. Pour activer l'interface de suivi sphérique, faites glisser l'interface afin de provoquer la rotation. Pour visualiser l'hémisphère de réflectance, remettez la sphère dans sa position par défaut.
Faites pivoter la sphère de 180 degrés à partir de la position par défaut. Pour visualiser l'hémisphère de transmission sous un autre angle, sélectionnez le mode de tracé polaire afin d'observer les rayons de chaque direction sur la sphère unité, mis à l'échelle selon leurs valeurs respectives de luminance. Modifiez la carte de couleurs de la sphère en fonction de la luminance, en passant du mode RVB au mode chroma.
La direction de l'illumination de l'image affichée est entourée en rouge sur le graphique de diffusion directionnelle. Cliquez sur une autre direction d'éclairage incident pour voir la plume illuminée depuis cette direction. Diminuez la durée d'exposition de l'image afin de corriger une surexposition.
Pour étudier la réflectance à travers une hiérarchie d'échelles, rétablissez le mode de tracé sur la sphère unité et utilisez la carte de couleurs RVB. Passez le type de sélection d'une région rectangulaire à une sélection linéaire. Cela permettra d'analyser la réflectance provenant de structures individuelles à fine échelle dans la région rectangulaire.
Tracer la réflectance de la moyenne linéaire dans une nouvelle fenêtre tout en conservant la moyenne rectangulaire comme référence. Ici, les barbillons distaux de la plume couverts par la région linéaire apparaissent réfléchir la lumière horizontalement. Sélectionner l'une des directions d'illumination dans le tracé linéaire pour afficher les barbillons distaux fortement réfléchissants sur l'image de gauche afin d'examiner la bande sombre adjacente.
Déplacez la sélection linéaire jusqu'à ce qu'elle pénètre dans cette région de la structure de la barbule. C'est ici que la branche ES proximale se sépare des rami dans le tracé linéaire moyen ; les ES proximales apparaissent réfléchir la lumière verticalement. Sélectionnez l'une des directions pour afficher les pares proximales fortement réfléchissantes sur l'image de gauche.
Observer que les structures à fine échelle qui réfléchissent la lumière horizontalement et verticalement dans le tracé linéaire se combinent pour produire le signal en champ lointain observé dans le tracé rectangulaire. Après avoir passé en revue les étapes de base permettant de mesurer et de visualiser la diffusion directionnelle de la lumière à différentes échelles, ce qui suit décrit des techniques avancées d'étalonnage de caméra en vue de réaliser des expériences à partir de plusieurs directions de caméra à l'aide d'une plume fixée par une pince, et d'une cible d'étalonnage présentant un motif quadrillé appliqué contre la plaque de fixation. Placer la caméra de manière à ce que son accès soit perpendiculaire à la plaque.
Utilisez un éclairage suffisant pour une exposition correcte afin de capturer une image. Prenez des images de la plaque pour les utiliser dans la boîte à outils de calibration de caméra boogey sous Matlab. Neuf images provenant de positions de caméra situées dans un cône de 120 degrés centré sur l'axe perpendiculaire de la plaque se sont révélées suffisantes.
Une fois cette étape terminée, étalonnez la position de la caméra, y compris sa distance Z par rapport à la cible d'étalonnage. Ensuite, retirez la cible d'étalonnage pour découvrir l'anneau de cibles entourant l'ouverture. Utilisez le flash monté sur la caméra pour capturer deux images des cibles, l'une selon une direction perpendiculaire à la plaque et la seconde selon un angle rasante.
Les deux images seront utilisées pour étalonner la distance entre la caméra et l'anneau cible ainsi que la plume, en déterminant les décalages de translation T un et T deux. Maintenant que la caméra est étalonnée, nous pouvons mesurer la diffusion de la lumière à partir de plusieurs directions de caméra en utilisant des motifs d'échantillonnage directionnels alternatifs. Pour commencer, utilisez le navigateur simple pour ouvrir un jeu de données contenant une sphère échantillonnée de manière dispersée de directions de lumière incidente et une direction de caméra perpendiculaire.
Examinez la distribution directionnelle de la lumière réfléchie par la plume. Sur la base de cet examen, affinez l'ensemble des directions de lumière incidente afin d'améliorer l'échantillonnage directionnel. Ces positions doivent échantillonner densément les directions spéculaires et éparsément les directions non spéculaires.
Choisissez six directions supplémentaires de caméra réparties uniformément sur une demi-sphère. Pour chaque direction, échantillonnez de manière dense l'hémisphère de réflectance pour les directions spéculaires et de manière clairsemée pour les directions non spéculaires, pour chaque direction de lumière incidente dans chaque hémisphère. Prenez d'abord une photographie de l'anneau cible entourant la plume à l'aide du flash monté sur l'appareil photo.
Deuxièmement, photographiez la plume à chaque exposition dans la plage d'expositions. Ensuite, combinez les expositions en une image couleur à grande dynamique. Rectifiez approximativement la photographie éclairée au flash à l'aide des coordonnées du portique.
Ensuite, recherchez et utilisez ses centres cibles pour projeter précisément l'image HDR de la plume, comme si elle avait été photographiée depuis une direction perpendiculaire. Après traitement, utilisez un navigateur simple pour parcourir visuellement la réflectance directionnelle provenant de la même région de la plume. Dans chacun des sept hémisphères échantillonnés de manière non uniforme, organisez les courbes de réflectance directionnelle pour chacune des directions de la caméra. Sur un système de coordonnées polaires, ce diagramme polaire présente plusieurs mesures effectuées à partir de positions de caméra différentes sur la plume d'un stourne crépu violet.
Les flèches rouges représentent les directions de la caméra. Les positions de la caméra sur la sphère sont indiquées dans l'encart. Dans chacune des directions de vision, la lumière réfléchie est collectée à partir de centaines de directions d'éclairage incidentes.
Les données de couleur RVB ont révélé que la plume est iridescente, passant d'un bleu-vert en incidence normale à un magenta en incidence rasante. La technique peut être utilisée pour des études à résolution angulaire plus fine lorsque l'éclairage incident et les directions de vue de la caméra sont limités à une seule dimension. L'inset représente la chromaticité de la réflectance en fonction de l'angle moitié entre les directions d'incidence et d'observation.
Lorsque ces directions se situent dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la barre distale, la couleur iridescente parcourant l'espace chromatique, la teinte passe du bleu-vert au pourpre. La longueur d'onde dominante de la réflectance en fonction de l'angle entre les directions d'incidence et d'observation est représentée ici. La ligne rouge correspond au cas où les deux directions sont dans le plan de l'axe longitudinal de la barre distale.
La zone ombrée correspond aux directions perpendiculaires à cet axe. La couleur de l'ombrage est la couleur RVB de l'onde réfléchie négative. Les valeurs de longueur représentent des couleurs dans une région non spectrale.
En plus de la longueur d'onde dominante, des données sont disponibles sur la chroma en pourcentage et la luminance en pourcentage de la réflectance en fonction de l'angle entre la direction d'incidence et la direction de vision. Encore une fois, la ligne rouge correspond à la situation où la direction de la lumière incidente et la direction d'observation sont dans le plan de l'axe longitudinal de la barre distale. La zone ombrée correspond à des directions perpendiculaires à cet axe.
Une fois maîtrisée, une mesure typique effectuée selon 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'informatique graphique pour explorer la relation entre la morphologie complexe du plumage et les effets directionnels de la signalisation visuelle aviaire.
Aperçu
Cette étude présente une méthode non destructive pour échantillonner la variation spatiale de la direction de la lumière diffusée par des matériaux structurellement complexes. La technique permet de préserver l'intégrité du matériau tout en capturant les contributions directionnelles à fine échelle à l'aide d'une imagerie haute résolution.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Neurosciences
- Biophysique
- Imagerie optique
Contexte
- Comprendre la diffusion de la lumière est essentiel pour l'étude des matériaux biologiques complexes.
- Les méthodes existantes compromettent souvent l'intégrité des échantillons.
- Cette méthode vise à visualiser la réflectance directionnelle sans endommager le matériau.
- Elle est particulièrement pertinente pour l'étude du plumage des oiseaux et des signaux associés.
Objectif de l'étude
- Mesurer et visualiser les changements de direction de la diffusion de la lumière provenant de matériaux complexes.
- Explorer la relation entre les caractéristiques structurales et les signaux visuels.
- Fournir une méthode applicable à divers systèmes optiques présentant des hiérarchies structurelles.
Méthodes utilisées
- Les matériaux sont placés au centre d'un portique sphérique équipé d'une source lumineuse et d'une caméra.
- Des photographies successives sont prises tandis que la source lumineuse se déplace selon des positions définies.
- Les données sont traitées afin de visualiser la diffusion de la lumière provenant de régions d'intérêt sélectionnées.
- Un logiciel personnalisé est utilisé pour la visualisation des données et l'analyse des motifs de réflectance.
Résultats principaux
- La méthode capture avec succès la variation spatiale de la réflectance directionnelle.
- Les visualisations révèlent la relation entre les structures à fine échelle et la diffusion globale de la lumière.
- Les résultats s'appliquent tant aux études sur les oiseaux qu'aux autres matériaux complexes.
- La technique améliore la compréhension des propriétés optiques à plusieurs échelles.
Conclusions
- Cette méthode non destructive représente une avancée significative dans l'imagerie de matériaux complexes.
- Elle permet une analyse détaillée de la diffusion de la lumière sans compromettre l'intégrité de l'échantillon.
- Cette approche peut être adaptée à diverses applications de recherche en biologie et en optique.
Questions fréquemment posées
Pertinence professionnelle pour l'industrie
La compréhension de la diffusion de la lumière variant spatialement et directionnellement dans des matériaux biologiques complexes permet une détection mécanistique des risques lors de la validation de cibles pour les voies de signalisation optique. Cette méthode renforce la prédictibilité en reliant des caractéristiques structurales à l'échelle millimétrique à des réponses de réflectance directionnelle, orientant ainsi le développement d'essais pour le criblage basé sur les phénotypes. Elle offre un système pertinent pour l'étude des hiérarchies structurelles influençant la signalisation visuelle, avec un potentiel de biomarqueur translationnel chez les organismes utilisant l'iridescence pour la communication ou le camouflage.
Applications stratégiques en recherche et développement en biopharmaceutique
Début de la découverte et validation de la cible
- Valeur scientifique : Permet d'étudier la manière dont les variations structurelles à l'échelle millimétrique induisent des phénotypes de diffusion directionnelle de la lumière.
- Valeur opérationnelle : Préserve l'intégrité de l'échantillon tout en mettant en évidence les relations structure-fonction à différentes échelles biologiques.
- Valeur prédictive : Facilite la vérification d'hypothèses sur l'existence de fenêtres de réflectance observables liées à des orientations spécifiques des barbillons.
Développement de criblages et de tests
- Valeur scientifique : Génère des cartes quantitatives de réflectance directionnelle comme indicateurs fonctionnels pour le criblage de variants structuraux.
- Valeur opérationnelle : Utilise l'imagerie haute résolution pour normaliser la mesure de la diffusion spatialement résolue entre les échantillons.
- Extensibilité : Permet la préparation de panaches en vue de comparaisons reproductibles entre conditions des profils d'interaction avec la lumière.
Recherche translationnelle et préclinique
- Continuité translationnelle : Relie les données structurales à l’échelle nanométrique à macroscopique aux résultats de signalisation au niveau de l’organisme.
- Dérisquage mécanistique : Isole la contribution d’éléments morphologiques spécifiques à la production directionnelle de signaux visuels.
- Confiance prédictive : Permet de modéliser la manière dont les modifications structurelles altèrent la visibilité des signaux sous éclairage naturel.
Intégration des pipelines et des flux de travail
La méthode s'intègre aux flux de travail de la phase précoce de découverte, où le test d'hypothèses structurales précède l'identification de composés promoteurs, en fournissant des données de diffusion directionnelles qui renseignent sur la confiance accordée à la cible dans les systèmes de signalisation optique.
- Biologie de la découverte : Évalue comment l'orientation des barbillons influence la directionnalité de la réflectance afin de clarifier les relations structure-fonction dans les voies de signalisation.
- Écrantage : Génère des graphiques de réflectance directionnelle permettant la comparaison quantitative de variants structuraux sous une illumination contrôlée.
- Analyse : Fournit des valeurs de luminance et de chromaticité en fonction de l'angle, permettant la comparaison statistique de profils de diffusion.
- Recherche translationnelle : Relie l'organisation des barbillons à l'échelle millimétrique aux motifs de signalisation visuelle à grande échelle, pertinents pour les tests comportementaux.
- Réutilisation en milieu professionnel : Met en place une plateforme réutilisable pour analyser tout matériau biologique structuralement complexe possédant des propriétés optiques hiérarchiques.
Impact opérationnel et organisationnel
- Valeur scientifique : Réduit l'ambiguïté mécanistique en attribuant la réflectance directionnelle à des structures résolues à l'échelle millimétrique.
- Valeur opérationnelle : Permet un échantillonnage reproductible et non destructif de la diffusion spatiale et directionnelle de la lumière sur des lots d'échantillons.
- Valeur stratégique : Améliore les décisions d'aller/arrêt dans la validation des cibles en précisant si des modifications structurelles produisent des changements détectables dans les signaux.
- Impact sur le portefeuille : Soutient la priorisation ajustée au risque des cibles selon la prévisibilité structurelle des phénotypes optiques.
Considérations relatives à la mise en œuvre
- Nécessite une expertise en imagerie optique, en analyse de la réflectance spectrale et en préparation d'échantillons biologiques.
- Requiert un système de montage sphérique doté de bras motorisés pour la lumière et la caméra, permettant un contrôle directionnel programmable.
- Exige une standardisation du choix de la région d'intérêt et de la variation d'exposition pour la génération d'images HDR.
- Implique des adaptations à prendre en compte lors de l'application à des matériaux biologiques non aviaires possédant des hiérarchies structurales différentes.
- Dépend d'un logiciel personnalisé pour la visualisation de la réflectance en fonction de la direction sur une sphère unitaire.
F.A.Q. sur la bio-industrie pharmaceutique
Chapters in this video
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Title
1:42
Mounting and Preparation of Object, Light, and Camera
2:55
Acquisition and Processing of Measurements from a Sparsely Sampled Sphere of Incident Directions
3:43
Browsing and Visualizing Measurements
6:50
Preparation for Measurements of Scattered Light in Multiple Camera Positions
8:10
Multiple Camera Position Example: Measurement of Seven Non-uniformly Sampled Reflectance Hemispheres
9:42
Results: Measurements from a Feather of the Purple Glossy Starling (Lamprotornis purpureus)
11:23
Conclusion
