Pomiar przestrzennego i kierunkowego rozpraszania światła od materiału biologicznego
20 maja 2013
Prezentujemy nieniszczącą metodę próbkowania zmienności przestrzennej w kierunku światła rozproszonego z materiałów strukturalnie złożonych. Utrzymując materiał w stanie nienaruszonym, zachowujemy rozpraszanie w skali grubej, jednocześnie rejestrując precyzyjne wkłady kierunkowe za pomocą obrazowania o wysokiej rozdzielczości. Wyniki są wizualizowane w oprogramowaniu w biologicznie istotnych pozycjach i skalach.
Ogólnym celem tej procedury jest pomiar i wizualizacja zmiany kierunku światła rozproszonego od strukturalnie złożonego materiału w wielu skalach strukturalnych w celu kontrolowania padającego światła i kierunków widzenia. Umieść materiał na środku suwnicy sferycznej z lampą zamontowaną na jednym ramieniu i kamerą zamontowaną kolejno na drugim ramieniu. Sfotografuj materiał, systematycznie przesuwając lampę przez szereg dyskretnych pozycji na kuli, wyśrodkowanej na materiale w oprogramowaniu.
Wybierz obszar zainteresowania na materiale i wyodrębnij piksele składające się na ten obszar na każdym zdjęciu. Następnie odwzoruj wartości pikseli na ich odpowiednie pozycje na kuli, aby zobrazować kierunek świateł rozproszonych z wybranego obszaru. Na koniec wykorzystaj dane do zaplanowania dodatkowych pomiarów z wielu kierunków kamery i ze zwiększoną rozdzielczością kątową.
Ostatecznie metoda ta pomaga naukowcom zidentyfikować związek między strukturą organizmu a kierunkową sygnalizacją wizualną. Główną przewagą tej techniki nad istniejącą geometrią rozproszenia obrazowania jest nasza zdolność do wizualizacji przestrzennej zmienności kierunkowego odbicia od złożonych materiałów w wielu biologicznie istotnych skalach. Chociaż skupiamy się na ptasiej sygnalizacji kierunkowej i wyglądzie upierzenia, ta metoda jest ważna dla innych systemów optycznych wykazujących strukturalną hierarchię skali.
Jako pierwszy krok w eksperymencie zdobądź cienką metalową płytkę montażową Ferris z otworem około pół cala, otoczoną pierścieniem celów. Połóż pióro, które ma być badane, na odwrocie talerza. Wyśrodkuj obszar zainteresowania nad przysłoną.
Następnie połóż arkusz folii magnetycznej z otworem o podobnej wielkości na tylnej stronie pióra, aby docisnąć pióro do płytki. Wyrównaj otwory folii i płyty, uważając, aby nie ścinać pióra. Powinno to spowodować, że pióro będzie miało płaską powierzchnię makro w przybliżeniu zbieżną z powierzchnią płyty.
Aby skonfigurować suwnicę. Rozpocznij od zlokalizowania środka okrągłej apertury w punkcie początkowym układu współrzędnych portalu. Umieść źródło światła na zewnętrznym ramieniu suwnicy.
Wyceluj i wąsko skup światło na piórze. Następnie umieść kamerę na wewnętrznym ramieniu suwnicy. Dostosuj odległość aparatu i ostrość obiektywu makro, aż pierścień obiektów wypełni szerokość matrycy.
W tym momencie należy skalibrować ramiona portalowe oraz skonfigurować ostrość i ekspozycję kamery. Pomiary należy rozpocząć od ustawienia osi optycznej kamery prostopadle do płaszczyzny powierzchni. Umieść światło w pierwszym z serii pozycji, które definiują kierunki padania światła.
Pozycje powinny być równomiernie rozmieszczone na kuli, wyśrodkowane na piórze w ciemnym pomieszczeniu. Dla każdej pozycji światła uchwyć surowy obraz dla każdego czasu ekspozycji w wcześniej określonym przedziale ekspozycji. Następnie przesuń światło do następnej pozycji i powtórz.
Po zebraniu danych rozpocznij przetwarzanie obrazów dla każdego zdarzenia. Kierunek światła. Zintegruj wszystkie ekspozycje o niskim zakresie dynamiki z jednym kolorowym obrazem o wysokim zakresie dynamiki.
Te kolorowe obrazy o wysokim zakresie dynamiki są używane do tworzenia danych do wizualizacji. Do przeglądania danych procesowych używana jest niestandardowa prosta aplikacja przeglądarkowa. Otwiera się na okno zawierające obraz pióra oświetlonego pierwszym padającym kierunkiem oświetlenia.
Teraz wybierz obszar żyły pióra do analizy. Tutaj z dostępnych opcji wybierany jest prostokątny region. Wykreśl średnie kierunkowe rozpraszanie światła z wybranego obszaru, Okno wykresu przedstawiające współczynnik odbicia w funkcji kierunku.
Znak współtworzenia otwiera się obok okna obrazu, dostosuj ekspozycję mapy kolorów. Za pomocą oprogramowania można przełączać mapę kolorów odbicia na sferze jednostkowej między luminancją RGB a nasyceniem. Nasz GB jest używany w tym, co poniżej.
Aby obrócić kulę, kliknij na nią. Aby włączyć interfejs kuli gąsienicy, przeciągnij interfejs, aby spowodować obrót. Aby wyświetlić półkulę odbicia, przywróć kulę do jej domyślnego położenia.
Obróć kulę o 180 stopni od pozycji domyślnej. Aby wyświetlić półkulę transmitancji w celu uzyskania innego widoku danych, wybierz tryb wykresu biegunowego, aby zobaczyć promienie każdego kierunku na sferze jednostkowej przeskalowane według odpowiednich wartości luminancji. Zmienia mapę kolorów sfery skalowanej luminancji z RGB na chrominancję.
Kierunek oświetlenia wyświetlanego obrazu jest zakreślony na czerwono na wykresie rozproszenia kierunkowego. Kliknij dowolny inny kierunek padającego oświetlenia, aby wyświetlić pióro oświetlone z tego kierunku. Zmniejsz ekspozycję obrazu, aby skorygować prześwietlenie.
Aby zbadać współczynnik odbicia światła w hierarchii skal, przywróć tryb wydruku do sfery jednostkowej i użyj mapy kolorów RGB. Zmienia typ zaznaczenia z obszaru prostokątnego na obszar liniowy. Umożliwi to badanie współczynnika odbicia od poszczególnych struktur w małej skali w obszarze prostokątnym.
Wykreśl współczynnik odbicia średniej liniowej w nowym oknie, zachowując średnią prostokątną jako odniesienie. W tym przypadku dystalne prętowe pióra rozpięte przez obszar liniowy odbijają światło wzdłuż poziomu. Wybierz jeden z kierunków oświetlenia na wykresie liniowym, aby wyświetlić silnie odblaskowe dystalne paskowe na obrazie po lewej stronie, aby zbadać sąsiedni ciemny pasek.
Przesuwaj zaznaczenie liniowe, aż wejdzie ono w ten obszar w strukturze wtapiania. To tutaj proksymalna gałąź ES od rami na liniowym wykresie średnim, proksymalne ES są widziane jako odbijające światło w pionie. Wybierz jeden z kierunków, aby wyświetlić silnie odblaskowe parowniki proksymalne na obrazie po lewej stronie.
Zauważ, że struktury o drobnej skali, które odbijają światło w poziomie i w pionie na wykresie liniowym, łączą się, tworząc sygnał dalekiego pola widoczny na wykresie prostokątnym. Po zapoznaniu się z podstawowymi krokami pomiaru i wizualizacji kierunkowego rozpraszania światła w hierarchii skali, poniżej opisano zaawansowane techniki kalibracji kamery w ramach przygotowań do przeprowadzania eksperymentów z wielu kierunków kamery za pomocą klipsa montowanego na piórze, wzorca wzorca kalibracji płasko przylegającego do płyty montażowej. Ustaw kamerę tak, aby jej dostęp był prostopadły do płyty.
Użyj dowolnego oświetlenia wystarczającego do prawidłowego naświetlenia, aby uchwycić jedno zdjęcie. Zrób obrazy płytki do wykorzystania w zestawie narzędzi do kalibracji kamery boogey w matlabie. Dziewięć obrazów z pozycji kamer w obrębie stożka 120 stopni wyśrodkowanego na osi prostopadłej płyt okazało się wystarczających.
Po wykonaniu tej czynności skalibruj pozycję kamery, w tym jej odległość Z od celu kalibracji. Następnie usuń tarczę kalibracyjną, odsłaniając pierścień obiektów otaczających przysłonę. Użyj lampy błyskowej zamontowanej w aparacie, aby uchwycić dwa obrazy celów, jeden z kierunku prostopadłego do płyty, a drugi pod kątem otarcia.
Dwa obrazy zostaną wykorzystane do kalibracji odległości kamery od pierścienia celu i pióra poprzez rozwiązanie dla przesunięć translacyjnych T jeden i T dwa. Teraz, gdy skalibrowaliśmy kamerę, możemy zmierzyć rozpraszanie światła z wielu kierunków kamery za pomocą alternatywnych kierunkowych wzorców próbkowania. Aby rozpocząć, użyj prostej przeglądarki, aby otworzyć zestaw danych zawierający rzadko próbkowaną sferę kierunków padającego światła i prostopadły kierunek kamery.
Wyświetlanie kierunkowego rozkładu światła odbitego od pióra. Na podstawie tego przeglądu doprecyzuj zestaw kierunków padającego światła, aby poprawić próbkowanie kierunkowe. Pozycje te powinny gęsto próbkować kierunki zwierciadlane i kierunki niesekularne. Słabo.
Wybierz sześć dodatkowych kierunków kamery rozmieszczonych równomiernie na połowie półkuli. Dla każdego kierunku należy gęsto pobrać próbkę półkuli odbicia dla kierunków zwierciadlanych i słabo dla kierunków niezwierciadlanych Dla każdego kierunku padającego światła na każdej półkuli. Najpierw sfotografuj pierścień tarczy otaczający pióro za pomocą lampy błyskowej zamontowanej w aparacie.
Po drugie, sfotografuj pióro przy każdej ekspozycji w nawiasie ekspozycji. Następnie zintegruj ekspozycje z kolorowym obrazem o wysokim zakresie dynamiki. Z grubsza skoryguj zdjęcie oświetlone lampą błyskową, używając współrzędnych bramowych.
Następnie znajdź i użyj jego środków docelowych, aby precyzyjnie wyświetlić obraz HDR pióra, tak jakby zostało sfotografowane z prostopadłego kierunku. Po przetworzeniu użyj prostej przeglądarki, aby wizualnie przejrzeć kierunkowy współczynnik odbicia z tego samego obszaru pióra. W każdej z siedmiu niejednorodnych próbkowanych półkul ułóż kierunkowe wykresy odbicia dla każdego z kierunków kamery W układzie współrzędnych biegunowych, pokazanych na tym wykresie biegunowym, są wiele pomiarów położenia kamery wykonanych na piórze fioletowego błyszczącego szpaka.
Czerwone strzałki reprezentują kierunki kamery. Pozycje kamery na kuli są pokazane we wstawce. W każdym z kierunków patrzenia zbierane jest światło odbite z setek kierunków padającego oświetlenia.
Dane kolorystyczne RGB ujawniły, że pióro jest opalizujące, zmieniając się z niebiesko-zielonego w normalnych przypadkach do magenty podczas wypasu. Technika ta może być stosowana do dokładniejszych badań rozdzielczości kątowej, gdy oświetlenie padające i kierunki obserwacji z kamery są ograniczone do jednego wymiaru. We wstawce wykreślona jest chrominancja odbicia w funkcji kąta połówkowego między kierunkiem padania a kierunkiem patrzenia.
Gdy te kierunki znajdują się w płaszczyźnie prostopadłej do osi podłużnej dystalnego pręta, gdy opalizujący kolor zatacza łuk w przestrzeni chromatyczności, odcień zmienia się z niebiesko-zielonego na fioletowy. Przedstawiono tutaj dominującą długość fali odbicia w funkcji kąta między padaniem a kierunkiem obserwacji. Czerwona linia odpowiada, gdy oba kierunki są zbieżne z osią podłużną dystalnego pręta.
Zacieniony obszar oznacza, gdy kierunki są prostopadłe do tej osi. Kolor cieniowania to kolor RGB ujemnej fali odbicia. Wartości długości reprezentują kolory w obszarze niespektralnym
.Oprócz dominującej długości fali dostępne są dane dotyczące procentowej nasycenia i procentowej luminancji odbicia w funkcji kąta między kątem padania a kątem widzenia. Ponownie, czerwona linia odpowiada, kiedy kierunek padającego światła i kierunek patrzenia są zbieżne z osią podłużną dystalnego pręta. Zacieniony obszar oznacza, gdy kierunki są prostopadłe do tej osi.
Po opanowaniu typowego pomiaru, przy użyciu tej techniki, można go uzyskać i przetworzyć w mniej niż 14 godzin. Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się ornitologią i grafiką komputerową do zbadania związku między złożoną morfologią upierzenia a kierunkowymi efektami ptasiej sygnalizacji wizualnej.
Przegląd
Niniejsza praca przedstawia nieniszczącą metodę próbkowania zmienności przestrzennej kierunku światła rozproszonego przez materiały o złożonej strukturze. Technika ta pozwala na zachowanie integralności materiału przy jednoczesnym rejestrowaniu drobnoziarnistych wkładów kierunkowych z wykorzystaniem obrazowania o wysokiej rozdzielczości.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biofizyka
- Obrazowanie optyczne
Wstęp
- Zrozumienie rozpraszania światła jest kluczowe dla badania złożonych materiałów biologicznych.
- Istniejące metody często naruszają integralność próbek.
- Celem niniejszej metody jest wizualizacja odbicia kierunkowego bez uszkadzania materiału.
- Ma ona szczególne znaczenie dla badania upierzenia i sygnałów u ptaków.
Cel badania
- Pomiar i wizualizacja zmian kierunku rozpraszania światła w materiałach złożonych.
- Badanie zależności między cechami strukturalnymi a sygnałami wizualnymi.
- Opracowanie metody stosowalnej w różnych układach optycznych z hierarchią strukturalną.
Zastosowane metody
- Materiały są umieszczone w centrum sferycznego portalu z źródłem światła i kamerą.
- Kolejne fotografie są wykonywane w miarę przemieszczania się źródła światła przez określone pozycje.
- Dane są przetwarzane w celu wizualizacji rozpraszania światła z wybranych obszarów zainteresowania.
- Do wizualizacji danych i analizy wzorców odbicia wykorzystywane jest dedykowane oprogramowanie.
Główne wyniki
- Metoda ta skutecznie rejestruje zmienność przestrzenną odblasku kierunkowego.
- Wizualizacje ujawniają zależność między strukturami w małej skali a ogólnym rozpraszaniem światła.
- Wyniki mają zastosowanie zarówno w badaniach nad ptakami, jak i w analizie innych złożonych materiałów.
- Technika ta pozwala na lepsze zrozumienie właściwości optycznych w wielu skalach.
Wnioski
- Ta nieniszcząca metoda stanowi znaczący postęp w obrazowaniu złożonych materiałów.
- Umożliwia ona szczegółową analizę rozpraszania światła bez naruszania integralności próbki.
- Podejście to można dostosować do różnych zastosowań badawczych w biologii i optyce.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Zrozumienie rozpraszania światła zmieniającego się przestrzennie i kierunkowo w złożonych materiałach biologicznych umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka w walidacji celów dla szlaków sygnalizacji optycznej. Metoda ta zwiększa pewność predykcyjną poprzez powiązanie cech strukturalnych w skali mili z wynikami odbicia kierunkowego, co wspomaga opracowywanie testów do przesiewu opartego na fenotypie. Dostarcza ona systemu istotnego dla badanych schorzeń do analizy hierarchii strukturalnych wpływających na sygnalizację wizualną, z potencjałem translacyjnym w zakresie biomarkerów u organizmów wykorzystujących irydescencję do komunikacji lub kamuflażu.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutyki
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie, w jaki sposób strukturalne wariacje w skali milimetrowej wpływają na fenotypy kierunkowego rozpraszania światła.
- Wartość operacyjna: Pozwala zachować integralność preparatu przy jednoczesnym rozstrzyganiu zależności między strukturą a funkcją w różnych skalach biologicznych.
- Wartość prognostyczna: Wspiera weryfikację hipotez dotyczących tego, czy konkretne orientacje barbuli generują obserwowalne okna refleksyjności.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe mapy odbicia kierunkowego jako funkcjonalne odczyty do przesiewania wariantów strukturalnych.
- Wartość operacyjna: Wykorzystuje obrazowanie o wysokiej rozdzielczości do standaryzacji pomiaru rozpraszania rozdzielonego przestrzennie w wielu próbkach.
- Skalowalność: Umożliwia przygotowanie pióropuszy do powtarzalnego porównywania profili oddziaływania światła w różnych warunkach.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy dane strukturalne w skali nano i makro z efektami sygnalizacyjnymi na poziomie organizmu.
- Minimalizacja ryzyka mechanistycznego: Izoluje wkład konkretnych elementów morfologicznych w kierunkowy efekt wizualny.
- Pewność prognostyczna: Umożliwia modelowanie tego, w jaki sposób zmiany strukturalne wpływają na widoczność sygnałów w naturalnym oświetleniu.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w wczesne etapy procesów odkrywania leków, w których testowanie hipotez strukturalnych poprzedza identyfikację związków wiodących, dostarczając kierunkowych danych rozproszeniowych, które pozwalają ocenić stopień pewności w odniesieniu do celu w optycznych systemach sygnalizacyjnych.
- Biologia odkrywcza: Bada, w jaki sposób orientacja barbuli wpływa na kierunkowość odbicia, aby wyjaśnić zależności między strukturą a funkcją w szlakach sygnalizacyjnych.
- Przesiewanie: Pozwala na tworzenie wykresów odbicia kierunkowego, umożliwiając ilościowe porównanie wariantów strukturalnych w kontrolowanym oświetleniu.
- Analityka: Dostarcza wartości jasności i chromatyczności jako funkcji kąta, co wspiera statystyczne porównywanie profili rozproszenia.
- Badania translacyjne: Łączy organizację barbuli w skali milimetrowej z makroskalowymi wzorami sygnalizacji wizualnej istotnymi dla testów behawioralnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy platformę wielokrotnego użytku do analizy dowolnego, strukturalnie złożonego materiału biologicznego o hierarchicznych właściwościach optycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną poprzez przypisanie kierunkowej odbijalności do rozdzielczych struktur w skali mili).
- Wartość operacyjna: Umożliwia powtarzalne, niedestrukcyjne próbkowanie przestrzennego i kierunkowego rozpraszania światła w partiach preparatów.
- Wartość strategiczna: Poprawia podejmowanie decyzji go/no-go w walidacji celów poprzez wyjaśnienie, czy zmiany strukturalne wywołują wykrywalne przesunięcia sygnałowe.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację celów z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o przewidywalność strukturalną fenotypów optycznych.
Wskazówki dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w obrazowaniu optycznym, analizie odbicia spektralnego oraz przygotowywaniu preparatów biologicznych.
- Wymaga sferycznego systemu wsporników z programowalnymi ramionami lamp i kamer w celu kontroli kierunku.
- Wymaga standaryzacji wyboru obszarów zainteresowania oraz bracketingu ekspozycji do generowania obrazów HDR.
- Wiąże się z koniecznością wprowadzenia modyfikacji przy zastosowaniu metody do materiałów biologicznych nieptasich o innej hierarchii strukturalnej.
- Zależne od specjalistycznego oprogramowania do wizualizacji odbicia jako funkcji kierunku na sferze jednostkowej.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
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
