从生物材料空间定向变化的光散射测量

该程序的总体目标是在多个结构尺度上测量和可视化从结构复杂的材料散射的光的方向变化，以控制入射光和视图方向。将材料放置在球形龙门架的中心，其灯安装在一个臂上，其相机依次安装在另一个臂上。拍摄材料，同时系统地将灯移动到球体上的一系列离散位置，以软件中的材料为中心。

在材质上选择一个感兴趣区域，并提取构成每张照片中该区域的像素。然后将像素值映射到它们在球体上的相应位置，以可视化从所选区域散射的灯光的方向。最后，使用这些数据来规划来自多个相机方向的额外测量，并提高角度分辨率。

最终，这种方法帮助研究人员确定生物体结构和定向视觉信号之间的关系。与现有的成像散射几何结构相比，该技术的主要优势在于我们能够在软件中可视化复杂材料在多个生物相关尺度上定向反射的空间变化。尽管我们专注于鸟类的定向信号和羽毛外观，但这种方法适用于表现出规模结构层次结构的其他光学系统。

作为实验的第一步，获得一个孔径约为半英寸的薄摩天轮金属安装板，周围环绕着一圈目标。将要研究的羽毛靠在盘子的背面。将感兴趣区域置于孔径的中心。

接下来，将一张具有类似大小孔径的磁性薄膜靠在羽毛的背面，以将羽毛压在板上。对齐薄膜和板孔，注意不要剪切羽毛。这应导致羽化呈现与板表面大致重合的平面宏表面。

配置机架。首先将圆孔的中心定位在 gantry 坐标系的原点。将光源放在龙门架外臂上。

对准并缩小光线对准羽毛。接下来，将相机放在龙门架内臂上。调整相机距离和微距镜头的焦距，直到目标环填满传感器的宽度。

此时，应校准龙门臂，并配置相机焦距和曝光。通过将相机的光轴垂直于表面平面定位来开始测量。将光源放置在定义入射光源方向的一系列位置中的第一个位置。

位置应均匀分布在球体上，以暗室中的羽毛为中心。对于每个光照位置，在先前确定的曝光范围内为每个曝光时间捕获原始图像。然后将光源移动到下一个位置并重复。

收集数据后，开始处理每个事件的图像。灯光方向。将所有低动态范围曝光集成到单个高动态范围彩色图像中。

这些高动态范围彩色图像用于创建可视化数据。要浏览流程数据，请使用自定义的简单浏览器应用程序。它将打开一个窗口，其中包含由第一个入射照明方向照亮的羽化图像。

现在选择羽毛脉的一个区域进行分析。在这里，从可用选项中选择一个矩形区域。绘制来自选定区域的平均定向光散射，一个显示反射率与方向函数关系的绘图窗口。

Co-sign 将在图像窗口旁边打开，调整色图的曝光度。使用该软件，可以在亮度 RGB 和色度之间循环单位球体上的反射颜色图。我们的 GB 用于以下内容。

要旋转球体，请单击它。要启用轨迹球界面，请拖动界面以引起旋转。要查看反射率半球，请将球体返回到其默认位置。

将球体从默认位置旋转 180 度。要查看透射率半球以获得另一个数据视图，请选择极坐标图模式，以查看按其各自的亮度值缩放的单位球体上每个方向的半径。将明亮度缩放球体的颜色图从 RGB 更改为色度。

在定向散射图中，显示图像的照明方向用红色圈出。单击任何其他入射照明方向可显示从该方向照亮的羽化。降低图像的曝光度以校正过度曝光。

要研究跨比例层次结构的反射率，请将绘图模式返回到单位球体并使用 RGB 颜色映射。将选区类型从矩形区域更改为线性区域。这将允许研究矩形区域中单个精细结构的反射率。

在新窗口中绘制线性平均值的反射率，同时保持矩形平均值以供参考。在这里，可以看到由线性区域跨越的羽毛的远端条形骡子沿水平方向反射光线。在线性图中选择一个照明方向，在左侧图像中显示高反射率的远端条形骡子，以研究相邻的深色条纹。

移动线性选区，直到它进入羽化结构中的该区域。在这里，在线性平均图中，来自 rami 的近端 ES 分支，可以看到近端 ES 垂直反射光。选择其中一个方向，在左侧图像中显示高反射性近端间隙。

观察一下，在线性图中水平和垂直反射光的精细尺度结构结合在一起，产生了矩形图中看到的远场信号。在回顾了在尺度层次结构上测量和可视化定向光散射的基本步骤之后，以下内容描述了先进的相机校准技术，以准备使用羽化安装夹（平贴安装板的棋盘格图案校准目标）从多个相机方向进行实验。放置相机，使其入口垂直于板。

使用任何足以进行适当曝光的照明来捕获一张图像。捕获印版图像，以便在 MATLAB 的 Boogey 相机校准工具箱中使用。事实证明，来自以板垂直轴为中心的 120 度圆锥体内的相机位置的 9 张图像已足够。

完成此作后，校准相机位置，包括其到校准目标的 Z 距离。接下来，移除校准目标，露出孔径周围的目标环。使用安装在相机上的闪光灯捕捉目标的两张图像，一张来自垂直于板的方向，另一张来自掠射角。

这两个图像将用于通过求解平移偏移 T 1 和 T 2 来校准相机到目标环和羽化的距离。现在我们已经校准了相机，我们可以使用交替的定向采样模式来测量来自多个相机方向的光散射。首先，使用简单的浏览器打开一个数据集，其中包含一个稀疏采样的入射光方向球体和一个垂直的相机方向。

查看从羽化反射的光的方向分布。基于此回顾，优化入射光方向集以改进定向采样。这些位置应密集地对镜面反射方向和非长期方向进行采样。稀少。

选择在半个半球上均匀分布的 6 个附加照相机方向。对于每个方向，对于镜面反射方向，对反射率半球进行密集采样，对于非镜面反射方向进行稀疏采样对于每个半球中的每个入射光方向。首先，使用安装在相机上的闪光灯拍摄羽毛周围的目标环。

其次，在曝光范围内每次曝光时拍摄羽毛。然后将曝光整合到高动态范围彩色图像中。使用龙门架坐标粗略校正闪光灯照明的照片。

然后找到并使用其目标中心精确投影羽毛的 HDR 图像，就像它是从垂直方向拍摄的一样。处理后，使用简单的浏览器直观地浏览羽化同一区域的定向反射率。在七个非均匀采样半球中，为每个相机方向安排定向反射图在极坐标系上，此极坐标图中显示了对紫色光泽椋鸟的羽毛进行的多个相机位置测量。

红色箭头表示照相机方向。相机在球体上的位置显示在插图中。在每个观察方向中，反射光是从数百个入射照明方向收集的。

RGB 颜色数据显示，羽毛是彩虹色的，从正常事件时的蓝绿色变为放牧事件时的洋红色。当入射照明和相机观察方向被限制在一个维度时，该技术可用于更精细的角度分辨率算例。插图中绘制的是反射率的色度，它是入射方向和观察方向之间半角的函数。

当这些方向位于垂直于远端条纵轴的平面中时，当彩虹色弧穿过色度空间时，色调从蓝绿色变为紫色。此处描述了反射率的主波长与入射方向和观察方向之间角度的函数关系。红线对应于两个方向与远端杆的纵轴平齐时。

阴影区域适用于方向垂直于该轴的情况。着色的颜色是反射率负波的 RGB 颜色。长度值表示非光谱区域中的颜色。

除了主波长之外，还有关于反射率的百分比色度和百分比亮度的数据，这些数据是入射角度和视角之间角度的函数。同样，红线对应于入射光方向和观察方向与远端杆的纵轴平齐时。阴影区域适用于方向垂直于该轴的情况。

一旦掌握了典型的测量，使用这种技术就可以在 14 小时内获得和处理。这项技术为鸟类学和计算机图形学领域的研究人员探索复杂的羽毛形态与鸟类视觉信号的方向效应之间的关系铺平了道路。