Misurare spazialmente e Directionally-variante Light Scattering da materiale biologico

L'obiettivo generale di questa procedura è misurare e visualizzare il cambiamento nella direzione della luce diffusa da un materiale strutturalmente complesso su più scale strutturali per controllare la luce incidente e le direzioni della vista. Posizionare un materiale al centro del portale sferico con la sua lampada montata su un braccio e la sua fotocamera montata su un altro braccio in sequenza. Fotografa il materiale mentre muovi sistematicamente la lampada attraverso una serie di posizioni discrete su una sfera, centrata sul materiale nel software.

Seleziona una regione di interesse sul materiale ed estrai i pixel che compongono la regione in ogni fotografia. Quindi mappare i valori dei pixel nelle rispettive posizioni sulla sfera per visualizzare la direzione delle luci diffuse dalla regione selezionata. Infine, utilizza i dati per pianificare misurazioni aggiuntive da più direzioni della fotocamera e con una risoluzione angolare maggiore.

In definitiva, questo metodo aiuta i ricercatori a identificare la relazione tra la struttura dell'organismo e la segnalazione visiva direzionale. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto alla geometria di dispersione dell'imaging esistente è la nostra capacità nel software di visualizzare la variazione spaziale della riflettanza direzionale da materiali complessi su più scale biologicamente rilevanti. Sebbene ci concentriamo sulla segnalazione direzionale degli uccelli e sull'aspetto del piumaggio, questo metodo è valido per altri sistemi ottici che presentano gerarchie strutturali di scala.

Come primo passo dell'esperimento, procurarsi una sottile piastra di montaggio in metallo Ferris con un'apertura di circa mezzo pollice, circondata da un anello di bersagli. Appoggiare la piuma da studiare contro il retro del piatto. Centrare la regione di interesse sull'apertura.

Quindi, stendi un foglio di pellicola magnetica con un'apertura di dimensioni simili contro la parte posteriore della piuma per premere la piuma contro la piastra. Allineare le aperture della pellicola e della piastra facendo attenzione a non tranciare la piuma. Questo dovrebbe far sì che la piuma presenti una macro superficie planare approssimativamente coincidente con la superficie della piastra.

Per configurare il gantry. Iniziare individuando il centro dell'apertura circolare all'origine del sistema di coordinate del gantry. Posizionare una fonte di luce sul braccio esterno del gantry.

Mira e focalizza strettamente la luce sulla piuma. Quindi, posizionare una telecamera sul braccio interno del gantry. Regola la distanza della fotocamera e la messa a fuoco dell'obiettivo macro fino a quando l'anello dei bersagli riempie la larghezza del sensore.

A questo punto, i bracci del gantry devono essere calibrati e la messa a fuoco e l'esposizione della fotocamera devono essere configurate. Avviare le misurazioni posizionando l'asse ottico della fotocamera perpendicolarmente al piano della superficie. Posizionare la luce nella prima di una serie di posizioni che definiscono le direzioni della luce incidente.

Le posizioni dovrebbero essere distribuite uniformemente sulla sfera, centrate sulla piuma in una stanza buia. Per ogni posizione di luce, acquisire un'immagine raw per ogni tempo di esposizione nella fascia di esposizione precedentemente determinata. Quindi spostare la luce nella posizione successiva e ripetere.

Una volta raccolti i dati, inizia a elaborare le immagini per ogni incidente. Direzione della luce. Integra tutte le esposizioni a bassa gamma dinamica in un'unica immagine a colori ad alta gamma dinamica.

Queste immagini a colori ad alta gamma dinamica vengono utilizzate per creare i dati per la visualizzazione. Per sfogliare i dati di processo, viene utilizzata l'applicazione browser semplice personalizzata. Si apre su una finestra contenente l'immagine della piuma illuminata dalla prima direzione di illuminazione incidente.

Ora seleziona una regione della vena della piuma per l'analisi. In questo caso, viene scelta una regione rettangolare tra le opzioni disponibili. Traccia la diffusione media della luce direzionale dalla regione selezionata, una finestra del grafico che mostra la riflettanza in funzione della direzione.

Il co-firma si apre adiacente alla finestra dell'immagine, regola l'esposizione della mappa dei colori. Utilizzando il software, è possibile ciclare la mappa dei colori di riflettanza sulla sfera unitaria tra luminanza RGB e crominanza. Il nostro GB viene utilizzato in ciò che segue.

Per ruotare la sfera, fare clic su di essa. Per abilitare l'interfaccia della trackball, trascinare l'interfaccia per provocarne la rotazione. Per visualizzare l'emisfero di riflettanza, riportare la sfera nella posizione predefinita.

Ruotate la sfera di 180 gradi rispetto alla posizione predefinita. Per visualizzare l'emisfero di trasmittanza per un'altra visualizzazione dei dati, selezionare la modalità grafico polare per visualizzare i raggi di ciascuna direzione sulla sfera unitaria ridimensionati dai rispettivi valori di luminanza. Cambia la mappa dei colori della sfera in scala di luminanza da RGB a croma.

La direzione di illuminazione dell'immagine visualizzata è cerchiata in rosso nel grafico di dispersione direzionale. Fare clic su qualsiasi altra direzione di illuminazione incidente per visualizzare la piuma illuminata da tale direzione. Diminuire l'esposizione dell'immagine per correggere la sovraesposizione.

Per esaminare la riflettanza in una gerarchia di scale, riportare la modalità di stampa alla sfera unitaria e utilizzare la mappa dei colori RGB. Modificare il tipo di selezione da una regione rettangolare a una lineare. Ciò consentirà lo studio della riflettanza da singole strutture a scala fine nella regione rettangolare.

Traccia la riflettanza della media lineare in una nuova finestra mantenendo la media rettangolare come riferimento. Qui, si vedono i muli a barra distale della piuma attraversata dalla regione lineare riflettere la luce lungo l'orizzontale. Selezionare una delle direzioni di illuminazione nel grafico lineare per visualizzare i muli a barra distale altamente riflettenti nell'immagine a sinistra per esaminare la striscia scura adiacente.

Spostate la selezione lineare fino a quando non entra in quella regione nella struttura della sfumatura. È qui che si vede il ramo ES prossimale dai rami nel grafico della media lineare, l'ES prossimale che riflette la luce verticalmente. Selezionare una delle direzioni per visualizzare le parti prossimali altamente riflettenti nell'immagine a sinistra.

Si osservi che le strutture in scala fine che riflettono la luce orizzontalmente e verticalmente nel grafico lineare si combinano per produrre il segnale di campo lontano visto nel grafico rettangolare. Dopo aver esaminato i passaggi di base per misurare e visualizzare la diffusione della luce direzionale su una gerarchia di scala, di seguito sono descritte le tecniche avanzate di calibrazione della fotocamera in preparazione per condurre esperimenti da più direzioni della telecamera con una clip montata su una piuma, un bersaglio di calibrazione a scacchiera piatto contro la piastra di montaggio. Posizionare la telecamera con l'accesso perpendicolare alla piastra.

Utilizzare un'illuminazione sufficiente per un'esposizione corretta per catturare un'immagine. Acquisisci immagini della piastra da utilizzare nella cassetta degli attrezzi per la calibrazione della boogey camera all'interno di matlab. Nove immagini da posizioni della fotocamera all'interno di un cono di 120 gradi centrato sull'asse perpendicolare delle lastre si sono dimostrate sufficienti.

Fatto ciò, calibrare la posizione della telecamera, compresa la sua distanza Z dal target di calibrazione. Quindi, rimuovere il bersaglio di calibrazione rivelando l'anello di bersagli che circonda l'apertura. Utilizzare il flash montato sulla fotocamera per acquisire due immagini dei bersagli, una da una direzione perpendicolare alla piastra e la seconda da un angolo radente.

Le due immagini verranno utilizzate per calibrare la distanza della fotocamera dall'anello bersaglio e dalla piuma risolvendo gli offset di traslazione T uno e T due. Ora che abbiamo calibrato la fotocamera, possiamo misurare la diffusione della luce da più direzioni della fotocamera utilizzando modelli di campionamento direzionali alternativi. Per iniziare, utilizzare un semplice browser per aprire un set di dati contenente una sfera scarsamente campionata di direzioni della luce incidente e una direzione perpendicolare della telecamera.

Visualizza la distribuzione direzionale della luce riflessa dalla piuma. Sulla base di questa revisione, perfezionare l'insieme delle direzioni della luce incidente per migliorare il campionamento direzionale. Queste posizioni dovrebbero campionare densamente direzioni speculari e direzioni non secolari. Parsimoniosamente.

Scegli sei direzioni aggiuntive della telecamera distribuite uniformemente su mezzo emisfero. Per ogni direzione, campionare l'emisfero di riflettanza densamente per le direzioni speculari e scarsamente per le direzioni speculari non s Per ogni direzione della luce incidente in ciascun emisfero. Per prima cosa fotografa l'anello bersaglio che circonda la piuma con il flash montato sulla fotocamera.

In secondo luogo, fotografa la piuma ad ogni esposizione nella parentesi di esposizione. Quindi integra le esposizioni in un'immagine a colori ad alta gamma dinamica. Rettificare approssimativamente la fotografia illuminata con il flash utilizzando le coordinate del gantry.

Quindi trova e usa i suoi centri di destinazione per proiettare con precisione l'immagine HDR della piuma come se fosse stata fotografata da una direzione perpendicolare. Dopo l'elaborazione, utilizzare un semplice browser per sfogliare visivamente la riflettanza direzionale dalla stessa regione della piuma. In ciascuno dei sette emisferi campionati non uniformi, disporre i grafici di riflettanza direzionale per ciascuna delle direzioni della fotocamera Su un sistema di coordinate polari, mostrato in questo grafico polare ci sono misurazioni multiple della posizione della fotocamera effettuate sulla piuma di uno storno lucido viola.

Le frecce rosse rappresentano le direzioni della telecamera. Le posizioni della telecamera sulla sfera sono mostrate nel riquadro. In ciascuna delle direzioni di osservazione, la luce riflessa viene raccolta da centinaia di direzioni di illuminazione incidente.

I dati di colore RGB hanno rivelato che la piuma è iridescente, passando dal blu, al verde negli incidenti normali al magenta negli incidenti di pascolo. La tecnica può essere utilizzata per studi con risoluzione angolare più fine quando l'illuminazione incidente e le direzioni di visualizzazione della telecamera sono limitate a una dimensione. Nel riquadro è tracciata la crominanza della riflettanza in funzione del semiangolo tra la direzione di incidenza e quella di osservazione.

Quando queste direzioni si trovano nel piano perpendicolare all'asse longitudinale della barra distale, mentre il colore iridescente si inarca attraverso lo spazio di cromaticità, la tonalità passa dal blu-verde al viola. Qui è illustrata la lunghezza d'onda dominante della riflettanza in funzione dell'angolo tra la direzione di incidenza e quella di osservazione. La linea rossa corrisponde a quando le due direzioni sono in pianura con l'asse longitudinale della barra distale.

La regione ombreggiata è per quando le direzioni sono perpendicolari a quell'asse. Il colore dell'ombreggiatura è il colore RGB dell'onda negativa di riflettanza. I valori di lunghezza rappresentano i colori in una regione non spettrale.

Oltre alla lunghezza d'onda dominante, ci sono dati sulla percentuale di crominanza e sulla percentuale di luminanza della riflettanza in funzione dell'angolo tra l'angolo di incidenza e l'angolo di visione. Anche in questo caso, la linea rossa corrisponde a quando la direzione della luce incidente e la direzione di osservazione sono in linea con l'asse longitudinale della barra distale. La regione ombreggiata è per quando le direzioni sono perpendicolari a quell'asse.

Una volta padroneggiata una misurazione tipica, l'utilizzo di questa tecnica può essere acquisita ed elaborata in meno di 14 ore. Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'ornitologia e della computer grafica per esplorare la relazione tra la complessa morfologia del piumaggio e gli effetti direzionali della segnalazione visiva aviaria.