Meten Ruimtelijk-en Directionally-variërend lichtverstrooiing van biologisch materiaal

Het algemene doel van deze procedure is om de verandering in de richting van het verstrooide licht van een structureel complex materiaal op meerdere structurele schalen te meten en te visualiseren, om zo het invallende licht en de kijkrichtingen te beheersen. Plaats een materiaal in het centrum van het sferische frame, waarbij de lamp op de ene arm en de camera op een andere arm sequentieel worden gemonteerd. Fotografeer het materiaal terwijl de lamp systematisch door een reeks discrete posities op een sfeer wordt bewogen, die in de software is gecentreerd op het materiaal.

Selecteer een gebied van interesse op het materiaal en extraheer de pixels die het gebied vormen in elke foto. Koppel vervolgens de pixelwaarden aan hun respectievelijke posities op de bol om de richting van het licht te visualiseren dat vanuit het geselecteerde gebied wordt verstrooid. Gebruik ten slotte de gegevens voor het plannen van aanvullende metingen vanuit meerdere camerarichtingen en met een verhoogde hoekresolutie.

Uiteindelijk helpt deze methode onderzoekers om de relatie tussen de organismische structuur en directionele visuele signalering te identificeren. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande imaging scatter-geometrie is ons vermogen om via software ruimtelijke variaties in directionele reflectie van complexe materialen over meerdere biologisch relevante schalen te visualiseren. Hoewel we ons richten op directionele signalering en het uiterlijk van het verenkleed bij vogels, is deze methode geldig voor andere optische systemen die structurele schaalhiërarchieën vertonen.

Als eerste stap in het experiment verkrijgt u een dunne Ferris metalen montageplaat met een opening van ongeveer een halve inch, omringd door een ring van targets. Leg de te bestuderen veer tegen de achterzijde van de plaat. Centreer het gebied van interesse over de opening.

Plaats vervolgens een vel magnetische folie met een opening van vergelijkbare grootte tegen de achterzijde van de veer om de veer tegen de plaat aan te drukken. Lijn de openingen van de folie en de plaat uit, waarbij u er zorg voor draagt dat de veer niet wordt afgescheurd. Dit moet ertoe leiden dat de veer een planair macro-oppervlak presenteert dat nagenoeg samenvalt met het plaaToppervlak.

Om het portaal te configureren. Begin met het positioneren van het midden van de cirkelvormige opening op de oorsprong van het coördinatensysteem van het portaal. Plaats een lichtbron op de buitenarm van het portaal.

Richt het licht nauwkeurig op de veer. Plaats vervolgens een camera op de binnenarm van het portaal. Pas de afstand van de camera en de focus van de macrolens aan totdat de ring met doelen de volledige breedte van de sensor vult.

Op dit punt moeten de armen van het portaal zijn gekalibreerd en moeten de focus en belichting van de camera zijn geconfigureerd. Begin de metingen door de optische as van de camera loodrecht op het vlak van het oppervlak te positioneren. Plaats de lichtbron in de eerste van een reeks posities die de richtingen van het invallende licht definiëren.

De posities moeten gelijkmatig over de bol worden verdeeld, gecentreerd op de veer in een donkere kamer. Leg voor elke lichtpositie een ruwe afbeelding vast voor elke belichtingstijd in de eerder vastgestelde belichtingsreeks. Verplaats vervolgens de lichtbron naar de volgende positie en herhaal dit proces.

Zodra de gegevens zijn verzameld, begint men met het verwerken van de beelden voor elk incident. Lichtrichting. Integreer alle belichtingen met een laag dynamisch bereik tot één kleurenbeeld met een hoog dynamisch bereik.

Deze kleurenbeelden met een hoog dynamisch bereik worden gebruikt om de gegevens voor visualisatie te creëren. Om door de procesgegevens te bladeren, wordt de aangepaste eenvoudige browserapplicatie gebruikt. Deze opent een venster met het beeld van de veer, verlicht vanuit de eerste invalsrichting van het licht.

Select nu een gebied van de veernerf voor analyse. Hier wordt een rechthoekig gebied gekozen uit de beschikbare opties. Zet de gemiddelde directionele lichtverstrooiing van het geselecteerde gebied uit. Een plotvenster dat de reflectantie weergeeft als functie van de richting.

Co-sign opent naast het venster met de afbeelding, waardoor de belichting van de kleurkaart kan worden aangepast. Met behulp van de software is het mogelijk om de reflectiekleurkaart op de eenheidsbol te schakelen tussen luminantie RGB en chroma. Onze GB wordt in het vervolg gebruikt.

Klik op de bol om deze te draaien. Om de trackball-interface te activeren, sleept u de interface om rotatie te veroorzaken. Om de reflectiehemisfeer te bekijken, brengt u de bol terug naar de standaardpositie.

Draai de bol 180 graden vanuit de standaardpositie. Om de transmissiehemisfeer voor een ander aanzicht van de gegevens te bekijken, selecteert u de polaire plotmodus om de radii van elke richting op de eenheidsbol te zien, geschaald naar hun respectieve luminantiewaarden. Wijzig de kleurkaart van de op luminantie geschaalde bol van RGB naar chroma.

De verlichtingsrichting van de weergegeven afbeelding is rood omcirkeld in de plot van de directionele verstrooiing. Klik op een andere richting van het invallende licht om de veer te tonen die vanuit die richting wordt verlicht. Verlaag de belichting van de afbeelding om overbelichting te corrigeren.

Om de reflectie over een hiërarchie van schalen te onderzoeken, schakelt u de plotmodus terug naar de eenheidssfeer en gebruikt u de RGB-kleurenkaart. Wijzig het selectietype van een rechthoekig gebied naar een lineair gebied. Hiermee kan de reflectie van individuele fijnmazige structuren in het rechthoekige gebied worden bestudeerd.

Plot de reflectie van het lineaire gemiddelde in een nieuw venster, terwijl het rechthoekige gemiddelde als referentie behouden blijft. Hier is te zien dat de distale baarbulen van de veer, bestreken door de lineaire regio, licht reflecteren langs de horizontale as. Selecteer een van de verlichtingsrichtingen in de lineaire plot om de sterk reflecterende distale baarbulen weer te geven in de afbeelding links, om zo de aangrenzende donkere streep te onderzoeken.

Verplaats de lineaire selectie tot deze dat gebied in de veerstructuur binnenkomt. Hier wijkt de proximale ES-tak van de rami af in de lineaire gemiddelde plot; de proximale ES reflecteren hier het licht verticaal. Selecteer een van de richtingen om de sterk reflecterende proximale paren weer te geven in de afbeelding links.

Let op dat de fijnmazige structuren die licht horizontaal en verticaal reflecteren in de lineaire plot samen het verre-veld-signaal produceren dat zichtbaar is in de rechthoekige plot. Na het doornemen van de basisstappen voor het meten en visualiseren van directionele lichtverstrooiing over een schaalhiërarchie, beschrijft het volgende geavanceerde camerakalibratietechnieken ter voorbereiding op het uitvoeren van experimenten vanuit meerdere camerarichtingen met een clip gemonteerd met een klem en een kalibratiedoel met een schaakbordpatroon vlak tegen de montageplaat. Plaats de camera zo dat de as loodrecht op de plaat staat.

Gebruik een verlichting die voldoende is voor een juiste belichting om één afbeelding vast te leggen. Maak afbeeldingen van de plaat voor gebruik in de boogey camera calibration toolbox binnen Matlab. Negen afbeeldingen vanuit cameraposities binnen een kegel van 120 graden, gecentreerd op de loodrechte as van de platen, zijn hiervoor voldoende gebleken.

Zodra dit is voltooid, kalibreert u de camerapositie, inclusief de afstand Z tot het kalibratiestreefdoel. Verwijder vervolgens het kalibratiestreefdoel, waardoor de ring van doelen rondom de opening zichtbaar wordt. Gebruik de gemonteerde flitser van de camera om twee afbeeldingen van de doelen vast te leggen: één vanuit een richting loodrecht op de plaat en de tweede vanuit een strijkende hoek.

De twee afbeeldingen worden gebruikt om de afstand van de camera tot de doelring en de veer te kalibreren door de translationele verschuivingen T één en T twee te berekenen. Nu de camera is gekalibreerd, kunnen we lichtverstrooiing vanuit meerdere camerarichtingen meten met behulp van alternatieve directionele bemonsteringspatronen. Begin hiermee door een eenvoudige browser te gebruiken om een dataset te openen die een schaars bemonsterde bol van invallende lichtrichtingen en een loodrechte camerarichting bevat.

Bekijk de directionele distributie van het licht dat door de veer wordt gereflecteerd. Verfijn op basis van deze beoordeling de set van invalshoeken van het licht om de directionele bemonstering te verbeteren. Deze posities moeten speculaire richtingen dicht bemonsteren en niet-speculaire richtingen schaars.

Kies zes aanvullende camerarictingen die gelijkmatig over een halve hemisfeer zijn verdeeld. Bemonster voor elke richting de reflectiehemisfeer dicht voor speculaire richtingen en schaars voor niet-speculaire richtingen voor elke invallende lichtrichting in elke hemisfeer. Fotografeer eerst de targetring rondom de veer met de gemonteerde flitser op de camera.

Fotografeer vervolgens de veer bij elke belichting in de belichtingsreeks. Integreer daarna de belichtingen tot een kleurenbeeld met een hoog dynamisch bereik. Rectificeer de met flits belichte foto ruwweg met behulp van de gantry-coördinaten.

Zoek vervolgens de doelcentra en gebruik deze om het HDR-beeld van de veer nauwkeurig te projecteren, alsof deze vanuit een loodrechte richting is gefotografeerd. Gebruik na de verwerking de simple browser om de directionele reflectie van hetzelfde gebied van de veer visueel te bekijken. Plaats in elk van de zeven niet-uniform bemonsterde halve sferen de plots van de directionele reflectie voor elke camerarijrichting in een polair coördinatensysteem; in dit polaire plot worden meerdere metingen van cameraposities getoond die zijn uitgevoerd op de veer van een glanzende sterling.

De rode pijlen geven de camerarichtingen aan. De posities van de camera op de bol worden getoond in de inzet. In elke kijkrichting wordt gereflecteerd licht verzameld vanuit honderden invalshoeken van de belichting.

De RGB-kleurgegevens onthulden dat de veer iriserend is en verandert van blauwgroen bij normale invalshoeken naar magenta bij strijkinginval. De techniek kan worden gebruikt voor studies met een fijnere hoekresolutie wanneer de invallende verlichting en de kijkrichting van de camera beperkt zijn tot één dimensie. In het inzetstuk is de chroma van de reflectie uitgezet als functie van de halve hoek tussen de invals- en kijkrichting.

Wanneer deze richtingen zich in het vlak loodrecht op de longitudinale as van de distale staaf bevinden, verschuift de kleurtoon van blauwgroen naar paars terwijl de iriserende kleur door de chromaticiteitsruimte boogt. De dominante golflengte van de reflectie als functie van de hoek tussen de invals- en kijkrichting is hier afgebeeld. De rode lijn komt overeen met de situatie waarin de twee richtingen in het vlak van de longitudinale as van de distale staaf liggen.

Het gearceerde gebied is voor wanneer de richtingen loodrecht op die as staan. De kleur van de arcering is de RGB-kleur van de reflectiegat-golf. De lengtewaarden vertegenwoordigen kleuren in een niet-spectrale regio.

Naast de dominante golflengte zijn er gegevens over het chroma-percentage en het luminantiepercentage van de reflectie als functie van de hoek tussen de invallende hoek en de kijkhoek. Opnieuw komt de rode lijn overeen met de situatie waarin de richting van het invallende licht en de kijkrichting in hetzelfde vlak liggen als de longitudinale as van de distale staaf. Het gearceerde gebied is voor wanneer de richtingen loodrecht op die as staan.

Zodra een typische meting onder de knie is, kan deze techniek worden toegepast en verwerkt in minder dan 14 uur. Deze techniek heeft de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in de velden van de ornithologie en computergrafiek om de relatie tussen complexe verenmorfologie en de directionele effecten van visuele signalering bij vogels te onderzoeken.