Medindo espacialmente e direcional variando espalhamento de luz a partir de Material Biológico

Resumo

Nós apresentamos um método não destrutivo para a amostragem variação espacial na direção da luz espalhada a partir de materiais estruturalmente complexos. Ao manter o material intacto, preservamos o comportamento de dispersão bruto escala, ao mesmo tempo em captar contribuições direcionais escala bem com imagens de alta resolução. Os resultados são visualizados no software em posições e escalas biologicamente relevantes.

Resumo

A luz interage com tegumento de um organismo de uma variedade de escalas espaciais. Por exemplo, numa ave iridescente: estruturas em escala nano produzir uma cor, a estrutura de mili-escala de farpas e bárbulas determina em grande parte o padrão direccional da luz reflectida, e através da estrutura espacial macro-escala de curvas sobrepostas, penas, estes efeitos direccionais criar a textura visual. Milli efeitos escala e macro-escala determinar onde no corpo do organismo, e de que pontos de vista e em que a iluminação, as cores iridescentes são vistos. Assim, o flash altamente direcional de cor brilhante da garganta iridescente de um beija-flor não está devidamente explicado pela sua estrutura de nano-escala sozinho e questões permanecem. A partir de um determinado ponto de observação, quais os elementos mili-escala da pena são orientados a refletir fortemente? Que algumas espécies produzem mais amplo "janelas" para a observação de iridescência do que outros? Estas e outras questões semelhantes may ser perguntado sobre quaisquer organismos que evoluíram a aparência da superfície especial para sinalização, camuflagem, ou por outros motivos.

A fim de estudar os padrões direcionais de espalhamento de luz a partir de penas, e sua relação com a morfologia mili-escala da ave, desenvolvemos um protocolo para medição da luz espalhada a partir de materiais biológicos utilizando muitas fotografias de alta resolução tiradas com diferentes iluminação e visualização direções. Uma vez que medir a luz espalhada em função de direção, pode-se observar as características da distribuição direcional da luz espalhada de que pena particular, e porque farpas e bárbulas são resolvidas em nossas imagens, podemos atribuir claramente as características direcionais para esses diferentes estruturas mili-escala. Manter a amostra intacta preserva o comportamento de dispersão bruto escala visto na natureza. O método aqui descrito apresenta um protocolo generalizado para analisar espacialmente e direcionalmente-varying espalhamento de luz a partir de materiais biológicos complexos em escalas múltiplas estruturais.

Introdução

A cor eo padrão de tegumento de um organismo desempenhar funções ecológica e socialmente críticos mais taxa animal. Estas propriedades fenotípicas são determinados pela interacção da luz com a estrutura do tegumento, que podem exibir dispersão óptica que varia tanto espacialmente (por toda a superfície do tegumento), e direccionalmente (com mudança de direcção de iluminação e de visualização). Em materiais biológicos complexos, tais como penas, a direcção de dispersão de luz é influenciada pela orientação dos repetindo geometria mili-escala. Estas estruturas mili-escala em si pode ser incorporado com estruturas em escala nanométrica, como matrizes de melanina, que muitas vezes herdam a orientação mili-escala. De nano-a macro-escalas, a estrutura do tegumento evoluiu funcionalmente para aumentar a capacidade de sinalização do organismo. A fim de avaliar a influência da morfologia das escalas diferentes sobre a aparência geral, a ferramentasmedir e analisar a cor de estruturas biológicas precisam de flexibilidade para isolar espalhamento de luz direcional em várias escalas de ampliação.

Nós desenvolvemos ferramentas de medição baseados em imagens de estudar como o desempenho da complexa e variada morfologia mili-escala de uma pena (rami farpa, bárbulas distais e proximais bárbulas) amplia a gama de expressão possível de estruturas em escala nanométrica sozinho. Em uma única imagem gravada pela câmera, observou-se que a luz refletida de forma diferente em diferentes locais da superfície da pena, isto é, reflexão de luz foi espacialmente variável. Quando foi transferida direcção da luz e da câmara em relação à pena, observou-se a reflectância mudada, isto é, a reflectância de luz foi direccionalmente variante ^1. Após essas observações, foi elaborado um protocolo para mover metodicamente a luz e câmera em torno do assunto usando um pórtico esférica ^2,3, com o qual nós capturamos duas dimensões de suposição rface (X e Y), 2 dimensões da direção da luz (latitude e longitude), e duas dimensões da direção da câmera (latitude e longitude) (Figura 2). Em software, exploramos visualmente as seis dimensões da luz espalhada em função da posição, direção de iluminação e direção de exibição.

Pesquisas anteriores na reflectância de tegumentos tem muita freqüência descontada a contribuição de direcionalidade - por exemplo, a reflexão difusa vs especular ou isotrópico vs anisotrópica - a expressão da cor. A maioria das medidas de cor fixaram a luz incidente, objeto e geometria de visualização para evitar cuidadosamente os efeitos direcionais. Por exemplo, para eliminar a reflexão especular a partir de medições de cor, é comum colocar a luz perpendicular à superfície e registar a reflectância a 45 ° em relação à normal. Estudos que fazem ligação a morfologia direcional variando de reflectância geralmente se concentram em escala nanométricae suas conseqüências iridescentes ^4-8. Poucos consideram a contribuição de micro, mili-e geometrias macro-escala para a assinatura óptica de campo distante ^8-11. Por isso, é comum empregar um detector de luz para reflexão agregado em uma única área de interesse, que pode incluir vários componentes mili-e / ou macro-escala, como rami farpa, barbas, e até mesmo penas inteiras ^6,8,11-17 . Quando a região de interesse seja mais pequeno do que o limite de resolução do detector, ou não se conforma com a forma do campo de visão do detector, o protocolo comum especifica dissecção espécime para isolar o espalhamento de luz a partir do elemento de mili-escala específica ^{8,10 , 13,15.}

Nós desenvolvemos um protocolo mais abrangente para aquisição de medição e visualização que incentiva a exploração das muitas variáveis, muitas vezes ignorados em outros estudos mais focalizados. Medimos o espalhamento de luz sobre uma esfera de direções e acrossa região do espaço através de um conjunto enorme de high-dynamic range, fotografias de alta resolução tirada de um conjunto sistemático de luz e direções de visualização. Nós empregamos um sensor de imagem de alta resolução com a sua matriz 2D de detectores de pixel escala bem. Agregação de hardware ocorre no nível de pixel, em uma escala menor do que os elementos mili-escala que estamos medindo. Uma segunda etapa agregados pixels individuais no software que o utilizador selecciona a forma eo tamanho da região de interesse. Por conseguinte, um único conjunto de medição pode ser analisada repetidamente em software para explorar diferentes aspectos da interacção de luz com material em várias posições e escalas biologicamente relevantes. Ao eliminar a dissecção e medindo toda a pena, nosso protocolo tem a vantagem de deixar a morfologia da pena cata intacta, mantendo contexto natural e função, isto é, as interações da luz entre elementos mili escala constituintes.

A dispersão de luz a partir do organismo structure é multidimensional e difíceis de quantificar. Medido de espalhamento de luz 6D ainda não pode ser atribuída à morfologia específica dentro de uma hierarquia de escala com qualquer instrumento singular. Mas fizemos um passo importante nessa busca. Nós desenvolvemos uma ferramenta que abrange três métodos complementares - reflectância de amostragem utilizando o pórtico, explorar grandes volumes de dados em software, e visualizar subconjuntos de dados graficamente - a alargar a nossa capacidade de medir o espalhamento de luz 6D em qualquer ponto em um material, até o mili-escala. Como são utilizados protocolos como o nosso, podemos prever os biólogos irá identificar uma infinidade de traços-direcional e espacialmente diferentes e adaptações estruturais correspondentes em múltiplas escalas de desenvolvimento. Usando nossas ferramentas estamos empenhados em caracterizar o potencial de sinalização da expressão direcional e espacial das estruturas mili-escala, e espero lançar luz sobre suas conseqüências adaptativas. Nós abordar uma série de questões, tais como: a partir de umy dado ponto de observação, quais os elementos em escala bem ou regiões bruto escala da pena refletem fortemente? Como a orientação dos elementos de escala fina influenciar a direcção da luz dispersa? Quais as condições morfológicas produzir um brilho acetinado contra um brilho de lantejoulas do ornamento iridescente? Que algumas espécies produzem mais amplo "janelas" para a observação de iridescência do que outros? Estas perguntas podem ser feitas sobre os pássaros e as suas penas, mas também sobre quaisquer outros organismos que evoluíram a aparência da superfície especial para sinalização, camuflagem, ou por outros motivos.

Protocolo

Ao utilizar nossos métodos para medir uma amostra, o pesquisador deve decidir sobre um conjunto de câmera e direções de luz, e para cada combinação de câmera e luz direções, a câmera faz várias exposições com diferentes velocidades do obturador. Movendo a câmara requer processamento adicional, uma vez que altera o ponto de vista da amostra, tal como visto na imagem, de modo que normalmente usam um pequeno número de instruções da câmara e um maior número de direcções de fonte de luz.

Nos protocolos detalhados abaixo, primeiro descrevem como realizar uma medição com muitas direções fonte de luz e uma única direção da câmera, e como processar e visualizar os dados resultantes (Protocolo 1). No protocolo do primário, o qual pode ser usado por si só quando uma única visualização é suficiente para observar os fenómenos a ser estudados, sempre manter a câmara de vista perpendicular à amostra (Rotina primária na figura 1). Quando são necessárias múltiplas direções da câmera, aresultando oblíqua da amostra pode ser transportado para desfazer os efeitos do movimento da câmera e, assim, alinhar as imagens exatamente com a visão perpendicular canônica. Para calcular essas teias, que execute os passos de calibração adicionais que utilizam observações de alvos colocados à volta da amostra para determinar com precisão o movimento da câmara em relação à amostra. Protocolo 2 detalha esse procedimento de calibração e explica como selecionar os parâmetros e executar um protocolo várias vezes para coletar dados a partir de múltiplos pontos de vista (Rotinas Secundário na Figura 1). Finalmente, o Protocolo de 3 detalha os passos adicionais que devem ser inseridos em um protocolo para corrigir os oblíqua durante o processamento de dados.

1. Meça luz espalhada na direção da normal da superfície sobre a esfera da Directions Incidentes (Rotina primária na Figura 1)

1. Preparar e montar o objeto a ser medido
   1. Prepare uma placa de montagem de metal ferroso finacom uma abertura de ½ polegada rodeado por um anel de alvos (como visto na Figura 2).
   2. Preparar o material a ser medido. Se medir a pena, noivo as farpas para corrigir qualquer seções descompactados ou desalinhado do cata-pennaceous.
   3. Colocar a superfície do objecto (face visível da pluma) contra o lado traseiro (lado oposto do anel de alvo) da placa.
   4. Centro da região de interesse sobre a abertura de ½ polegada da placa.
   5. Colocar uma folha de película magnética com uma abertura 5/8-inch contra o lado de trás do objecto (face oposta da pluma), pressionando, assim, o objecto plano contra a placa.
   6. Alinhar a abertura da película para a abertura da placa de corte, sem a superfície. A superfície achatada, fixado em torno da circunferência da abertura circular, produz uma grande superfície plana, aproximadamente coincidente com a superfície da placa.
2. Configure o Gantry
   1. Localize acentro da abertura circular na origem do sistema de coordenadas de pórtico.
   2. Depositar uma fonte de luz no braço exterior pórtico. Aponte e por pouco concentrar a luz no objeto, garantindo que a abertura é uniformemente iluminado para todos os ângulos da fonte de luz.
   3. Coloque uma câmera no braço interior do pórtico. Ajuste a distância da câmara e a distância focal da lente macro até que o anel de alvos preenche a largura do sensor.
   4. Calibrar os movimentos de rotação (θ, φ) da câmera e os braços da lâmpada. Calibrar o inclinação (θ) em relação à superfície do objecto normal, de modo que a câmara ea luz estão alinhadas com a superfície normal quando θ = 0. Calibrar o azimute (φ) da câmera para o azimute da lâmpada. A orientação azimutal absoluta não é crítica, uma vez que as imagens capturadas podem ser rodado mais tarde no protocolo.
3. Configure a câmera foco ea exposição
   1. Rotate da câmara até que o objeto é visto em um ângulo de pastagem. Diminuir o número f de minimizar a profundidade de campo (DOF) e, em seguida ajustar o plano de foco no centro da abertura. Aumentar o número f para aumentar o DOF até que o anel de metas em torno da abertura está em foco. Pode ser necessário um compromisso entre difração e borrão DOF-induzida.
   2. Cortar um padrão de cor plana contra a placa de montagem. Para imagens RGB usar um verificador Cor Macbeth. Para medições de UV-visível-NIR usar Spectralon.
   3. Fotografe o padrão de cor em formato RAW. Calcular os multiplicadores de canal de cor para o balanço de brancos da imagem.
   4. Encontre o suporte de exposição que abrange a faixa dinâmica da cena sob a visão mais extrema e direções de iluminação.
   5. Para cada tempo de exposição na faixa, adquirir uma imagem de ruído escuro, expondo o sensor com a tampa da lente.
4. Adquirir Medidas de um Sphere escassamente amostrada Directions Incidentes
   1. Posicione o eixo da câmera normal ao plano da superfície {θ, φ} = {0,0}.
   2. Passo a luz através de uma série de posições distribuídas uniformemente na esfera, usando uma amostra grosseiro (por exemplo, menos de 500 pontos).
   3. Para cada direção da luz incidente na amostra:
   4. Capturar uma imagem crua para cada tempo de exposição na faixa de exposição.
   5. Capturar uma única imagem iluminada pela câmera montada flash sincronizado, para um tempo de exposição relativamente curto para suprimir a iluminação da lâmpada de pórtico.
   6. Avançar para a próxima direção da luz incidente e repita.
5. Processo de Medidas de Sphere Sparsely amostrados
   1. Usando o modo de dcraw ^um debug (documento) para desativar a função demosaicing, converter de formato RAW para tons de cinza, 16-bit, linear, formato PGM:
      1. Cada exposição ao ruído escuro.
      2. Cada exposição do objeto em cada direção da luz incidente.
      3. Integrar tudo baixo alcance dinâmico (LDR) exposições em tons de cinza sob pórtico iluminação lâmpada em uma imagem de cor para cada direção da luz incidente único high dynamic range (HDR).
         1. Subtrair o ruído de imagem escura correspondente de cada LDR exposição.
         2. Demosaico cada LDR exposição para produzir uma imagem em escala de um quarto.
         3. Balanço de branco cada LDR exposição utilizando os multiplicadores de canal de cor calculado em 1.C.3 passo.
         4. Mesclar dark-noise-subtraído LDR exposições em uma única imagem HDR, somando todos os valores em cada posição de pixel e dividindo pela soma dos tempos de exposição, omitindo superexpostas pixels de ambas as somas.
         5. Loja imagem HDR no formato EXR codificado em precisão de meio-float e compressão lossless wavelet (PIZ).
      4. Se a direção da câmera não é a direção canônica ou fuga medida faz parte de um conjunto de direção de múltiplas câmeras (Rotinas secundários na Figura 1 aProtocolo nd 2):
         1. Converter a única exposição LDR tons de cinza das metas de rastreamento flash-iluminados para cada direção da luz incidente a uma escala sem mosaicos, um quarto, LDR imagem a cores em formato EXR.
         2. Siga Protocol 3 para usar a imagem flash-iluminado para projetiva transformar cada imagem lâmpada iluminada HDR na visão canônica.
      5. Gire as imagens HDR para a orientação desejada - por exemplo, no nosso caso, uma rotação de 90 ° orienta a ráquis verticalmente ea ponta da pena para cima.
      6. Cortar as imagens HDR firmemente em torno da abertura circular. Mascarando as metas e placa de metal fora da abertura reduz o tamanho do arquivo em até 25%.
      7. Permutar os dados na totalidade do conjunto de imagens HDR para criar um conjunto de ficheiros, um para cada um dos vários blocos na imagem, que contém todos os valores de reflectância direccionais organizados por pixel. Esses arquivos de cache reflectância direcional são organizados para permitir o acesso rápido a umall as medições de cor direcional em uma posição único pixel da projeção 2D do objeto 3D.
   2. Visualize espalhamento de luz espacialmente variando Através de uma hierarquia de escala
      1. Para ver alguns dos medições, use o aplicativo SimpleBrowser costume de interpretar os dados processados ​​em 1.E. passo SimpleBrowser abre-se para uma janela que contém a imagem da pluma iluminada pela primeira direcção de iluminação incidente.
      2. Na imagem da palheta de penas, os pixels ou grupos de pixels em arranjos lineares ou rectangulares individuais podem ser seleccionados (Figura 3). Proceder ao selecionar uma região retangular da palheta pena para análise. Em seguida, trace a dispersão média luz direcional da região selecionada. Uma janela gráfico que mostra a reflectância em função do co-senos de direcção abre adjacente à janela de imagem (R1 na Figura 4).
      3. Por padrão, a direção da luminância máxima (a direção de transmitância em um tymedição pena Pical) é atribuída uma exposição de 1. Diminuir ou aumentar a exposição em um meio-stop (√ 2 x) incrementos para ajustar a exposição de mapa de cores a reflectância.
      4. Ciclo o mapa de cores de reflectância entre a luminância, RGB e cromaticidade (Veja R1, R2 e R3 na Figura 4). Para os passos seguintes utilizam RGB.
      5. Para girar a esfera, clique nele para ativar a interface trackball. Arrastar a interface para provocar a rotação. Para visualizar o hemisfério reflectância, voltar a esfera para a posição padrão (Veja R2 na Figura 4). Girar a esfera de 180 ° a partir da sua posição padrão para ler o hemisfério transmitância (Ver T2 na Figura 4).
      6. Por outro ponto de vista dos dados, selecione o modo gráfico polar para dimensionar os raios de cada sentido na esfera unitária pelos respectivos valores de luminância. Alterar o mapa de cores da esfera escalado luminância de RGB para cromaticidade (Veja P3, F3, S3, A3 na Figura 4 ).
      7. A direção da iluminação da imagem exibida está circulado em vermelho no gráfico de dispersão direcional (Figura 4). Clique em qualquer outra direção, iluminação incidente para mostrar a imagem da pena iluminado daquela direção.
      8. Diminuir ou aumentar a exposição da imagem para revelar mais e subexposta regiões.
      9. Para investigar reflectância através de uma hierarquia de escalas, restaurar o modo de conspiração para a esfera unitária eo mapa de cores para RGB. Na revisão, este enredo mostra a reflectância média direcional da região retangular selecionada na imagem.
      10. Altere o tipo de seleção retangular para linear (Figura 3). Isto irá permitir o estudo da reflectância direccional a partir de estruturas de escala fina individuais na região rectangular.
      11. Traça-se a reflectância da média linear de uma nova janela, mantendo a média rectangular para referência. Ajustar a exposição e set mapa de cores para RGB.
      12. Na trama linear média, os bárbulas distais distribuídas pela região linear são vistos para refletir a luz em direções horizontais (Figura 8). Selecione uma das direções de iluminação na trama linear para mostrar os bárbulas distais altamente refletivos na imagem à esquerda.
      13. Passo a linha para a ponta da pluma até atingir a região da pluma, onde o ramo bárbulas proximal dos ramos adjacentes. Na trama média linear dos bárbulas proximais são vistos para refletir a luz em direções verticais (Figura 8). Selecione uma das direções para exibir os bárbulas proximais altamente refletivos na imagem à esquerda.
      14. Na trama linear, observar as estruturas em escala bem que refletem a luz em direções horizontais e verticais combinam para produzir o sinal de campo distante visto na trama retangular.

   2. Medir a luz Espalhados em várias direções da câmera (Rotina secundários na Figura 1)

   Múltiplas visões de câmera e amostragem direcional não uniforme nos permitem estudar as características particulares da reflectância direcional. Com a adição das etapas de calibração 2.A e 2.B, um protocolo foi expandido para lidar com múltiplas visões de câmera. Dois exemplos específicos ilustrados graficamente como Secundário Rotinas II.A e IIB na Figura 1 encontram-se para a frente em Passos 2.C e 2.D abaixo. Em tais casos, o sentido da câmara é alterado a partir da sua direcção canónica (normal à superfície), o que significa que o objecto é fotografada a partir de uma direcção inclinada a partir da sua superfície normal. Desde que as imagens devem ser mapeados para o mesmo sistema de coordenadas, temos de corrigir e deformar cada fotografia para coincidir com a orientação canônica referenciando as metas flash-fotografadas em torno da amostra (Figura 9).

   1. Calibrar Projeção Camera e posição:
      A finalidade destes passos são para calcular o proj câmaraexão e posição usada na transformação da imagem.
      1. Clipe um destino de calibragem do verificador-padrão plana contra a placa de montagem.
      2. Capturar uma imagem com a visão da câmera canônica (ie {θ, φ} = {0,0}) e várias imagens de vários outros pontos de vista da câmera ao longo de um cone 120 ° centrado na visão canônica.
      3. Carregar as imagens no Bouguet Toolbox ^b, a MATLAB câmera kit de ferramentas de calibração. Extrair os cantos da rede em cada uma das imagens para reconstruir as matrizes da câmara. Exportar o intrínseco câmera matriz de projeção (P) eo extrínseco câmera posição da matriz (M). A projecção da câmara intrínseca é composta por a distância focal e o principal ponto. A posição da câmera extrínseca é composto principalmente de uma tradução, que traduz a origem do mundo para a posição da câmera.
      4. Resolver para a matriz, que transforma as coordenadas de calibração-alvo para pórtico giratória coordenadas (X), isto é, Bouguet espaço para pórtico do espaço.
      5. Retire o padrão verificador da placa de metal.
   2. Calibrar posições de destino e Deslocamentos de Projeção:
      A finalidade destes passos é para calcular os desvios entre o plano de calibração, o plano do alvo e da amostra, e para localizar as posições do alvo.
      1. Rodar a câmara em pórtico coordenadas de modo que o eixo óptico é perpendicular ao plano da superfície, ou seja, a moldura canónica.
      2. Capturar uma imagem do anel de metas em torno da abertura com iluminação flash. Esta é a imagem canônica para o alinhamento de imagem.
      3. Processar a saída Camera Raw (Protocolo descrito nas etapas 1.E.3.a. e 1.E.4.).
      4. Mascarar a região dentro e fora da zona alvo anel, eliminando vadios realces especulares que podem confundir o reconhecimento alvo, em seguida, encontrar as metas da imagem.
      5. Girar a câmera em um ângulo de pastagem e capturar uma imagem.
      6. Calcule o canônico camera representar (Mc = M * Rc) eo ângulo da câmera pastagem representam (Mg = M * Rg) com base na câmera extrínseca matriz M em 2.A.3 passo. que inclui uma tradução com base na posição do padrão verificador Bouguet.
      7. Redefinir M compensando sua tradução pela espessura do papel-ring-alvo. Itera por tentativa e erro (recalculando M usando um deslocamento para o plano de calibração diferente) até que o espaço de deslocamento, em pórtico, entre o plano do tabuleiro de damas Bouguet e ao plano do anel de alvos, isto é, a espessura do papel-anel-alvo, tem sido resolvido. Verifique se o deslocamento em cada iteração por reprojetando as metas a imagem ângulo pastagem em sobre as metas da imagem canônica.
      8. Redefinir M seguindo o procedimento do passo anterior para reprojetar o objeto perfurada a imagem ângulo pastando em no objeto perfurada na imagem canônica por tentativa e erro até que o deslocamento no espaço entre o pórtico plano do anel de metas eo plano of o objecto com aberturas, ou seja, a espessura da placa de metal, tem sido resolvido.
   3. Meça Sete Hemispheres reflectância não uniformemente amostrados (II.A Rotina secundário na Figura 1)
      1. Examinar a distribuição direccional da luz reflectida medida a partir da vista da câmara normal à superfície, ou seja, {θ, φ} = {0,0} conforme descrito no protocolo 1. Resamplear hemisfério reflectância para gravar brilho câmera de direções não especular mais escassa e direções especular mais densamente.
      2. Aplicar os mesmos critérios para provar a reflectância em seis direções de câmera adicionais uniformemente distribuídas ao longo de meio hemisfério, ou seja, {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {60,45} , {60,90}, {} 60135. Prever as regiões especular do 6 corridas adicionais a partir da direção de visualização de cada um juntamente com o ângulo de reflexão do prazo inicial.
      3. Para cada um dos 7 não uniformely hemisférios amostrados, adquirir e processar as medições seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. acima.
      4. Visualmente navegar na reflectância direcional da mesma região da pena em cada um dos 7 hemisférios não uniformemente amostrados, seguindo as instruções passo 1.F. acima. Dispor as parcelas de reflectância orientadoras para cada um dos sete instruções da câmara num sistema de coordenadas polares, em que a colocação de cada trama baseia-se na sua direcção de câmara (Ver os resultados visuais das II.A rotina na Figura 1, também a Figura 5).
   4. Meça finamente amostrados caminhos semicirculares para adquirir informações detalhadas sobre a mudança de cor com ângulo (IIB rotina secundária na Figura 1)
      1. Inicie o aplicativo SimpleBrowser e entrada as medições processados ​​do hemisfério reflectância não uniformemente amostrada com a direção da câmera {θ, φ} = {0,0}, conforme descrito no Passo 2.C.1. Selecione eme pixel da imagem, em seguida, encaixar um avião para o percentil 90 da luminosidade da refletância hemisférica na posição do pixel selecionado.
      2. Construir uma corrida aquisição 1D, que finamente amostras de reflectância especular no plano especular. Gerar ângulos de pórtico de braço em ½ ° incrementos de meio-ângulo no plano definido na etapa anterior. Comece com o semi-ângulo igual a 0 ° C e aumentar o semi-ângulo de 90 °. Para cada medição na aquisição de execução, manter o semi-vector constante e igual a normal da superfície de modo a que cada direcção da câmara situa-se na direcção especular.
      3. Adquirir e processar as medições seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. acima.
      4. Visualmente navegar na reflectância direcional 1D seguindo as instruções 1.F. passo, enquanto prova uma região muito pequena (por exemplo, 3x3 pixels) centrado no mesmo pixel usado para ajustar o plano especular em 2.d.1 passo. Encontre a direção do pico de reflexão, isto é,sombreamento normal. Construir 3 aquisição adicional é executado da mesma maneira como 2.D.2 passo. Mas definir a meia-vector para o sombreamento normal, em vez de normal à superfície. Para os três tiragens adicionais, gerar ângulos de pórtico de braço que se situam em planos que contêm o sombreamento normal, mas que são rodados de 45 °, 90 ° e 135 ° em relação ao plano definido na especular 2.d.1 passo.
      5. Adquirir e processar as medições seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. acima.
      6. Visualmente navegar na reflectância direcional 1D seguindo as instruções 1.F. passo, enquanto prova uma região muito pequena (por exemplo, 3x3 pixels) centrado no pixel usado para ajustar o plano especular em 2.d.1 passo. Exportação de SimpleBrowser a média reflete brilho desta região muito pequena.
      7. No MATLAB, traçar a cromaticidade como uma função do meio-ângulo no diagrama de cromaticidade (Figura 6). Traçar sua matiz, croma, e luminância como uma função do semi-ângulo ( Figura 7).
      8. Construir mais quatro 1D aquisição é executado nos mesmos quatro aviões como acima, mas desta vez configurar as direções de luz e câmera para medir a largura ea decadência da reflectância especular. Definir o semi-ângulo de luz entre a câmara e a uma constante de 10 °. Gerar ângulos de pórtico de braço em incrementos de 1 ° meia-vector em torno do eixo ortogonal ao plano. Comece com uma meia-vector igual a -80 ° e aumentar a semi-vector para 80 °, onde a é igual a 0 ° sombreamento normal. Note-se que nem todas as direcções da câmara estão localizados na direcção especular.
      9. Adquirir, processar e medições de exportação seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. e 2.D.6. respectivamente.
      10. No MATLAB, a cromaticidade em traçar um diagrama de cromaticidade, como uma função do ângulo entre a meia e o vector normal de sombreamento. Traçar sua matiz, croma, e de luminância como uma função do ângulo entre a meia-vector e o sombreamento normal.

   3. Transformação projetiva

   Projetiva transformar cada imagem HDR para a vista canônico ou a direção da vista ortogonal ao plano da superfície. Este protocolo é acessado por 1.E.3.b Passo quando uma corrida medida faz parte de um conjunto de direção da câmera múltipla, tais como os exemplos descritos no protocolo 2 e ilustrada como rotinas secundárias na Figura 1.

   1. Ler uma imagem canônica iluminado de uma direção não-especular. (Pelo instruções especulares pastoreio o contraste diminuída entre a superfície branca do papel e da tinta preta pode levar à falha de detecção de alvo. Comparar a clareza da imagem A e B na Figura 9.)
   2. Mostrar as coordenadas do centro de cada alvo na imagem canónica.
   3. Carregar a imagem alvo iluminado pelo flash da câmera montada para um determinado par lâmpada câmera direcional (B na Figura 9).
   4. Cerca de transform a imagem alvo para o quadro da câmera canônica usando o pórtico câmera matriz M computadorizada em 2.B.7 passo.
   5. Mostrar as coordenadas do centro de cada alvo a imagem do alvo transformada (C na Figura 9), em.
   6. Combinar cada alvo a imagem alvo transformado para sua meta de referência na imagem canônica por encontrar a distância mínima entre a imagem e as metas de referência in.
   7. Descarte todos os alvos borradas causadas pelo DOF em ângulos de pastejo (D na Figura 9).
   8. Resolver o 2D projetiva transformar essa imagem mapas objectivos no quadro canônico para alvos canônico-imagem no mesmo quadro.
   9. Untransform as deformadas para montar alvos do quadro de imagem canónica de volta para o quadro de imagem original, através do plano do objecto perfurada (M no passo 2.B.8.) Em vez de no plano das metas (M no passo 2. B.7.).
   10. Salvar os pares de coordenadas de destino que mapeiam o objeto perfurada na imagem de destino para a ob perfuradajeto a imagem alvo canônico in.
   11. Carregar a imagem HDR iluminado pela lâmpada (A na Figura 9).
   12. Inferir uma projetivas espaciais transformar a partir de alvo salvo coordenar pares para transformar a imagem HDR no quadro canônico (E na Figura 9).
   13. Voltar para o protocolo principal.

   ^um Dcraw é um programa de computador de código aberto desenvolvido por David Coffin. Ele converte a imagem RAW em formato proprietário de uma câmera (ou seja, dados CCD não transformados) para um formato de imagem padrão. Veja http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraw / .

   ^b Bouguet Toolbox é uma caixa de ferramentas de calibração da câmera para MATLAB desenvolvido por Jean-Yves Bouguet. Veja http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .

Resultados

A medida primária da nossa protocolo (Rotina I na Figura 1), fixada na direcção da câmara normal à superfície e apenas movido a luz. Como a luz adere espalhamento ao princípio da reciprocidade, o resultado é o mesmo quer manter constante a câmera enquanto se move a luz sobre o hemisfério, ou vice-versa. Quando fixa a câmera ou a luz, o conjunto de direção 4-dimensional completo é subamostrados. Uma imagem mais completa do comportamento de dispersão é observada quando, ao contrário da medição primária, tanto luz e da câmara são movidos para longe da superfície normal e numa multiplicidade de direcções. Idealmente, poderíamos medir a dispersão de luz a partir de várias direções da câmera, a tantos quantos o número de incidentes direções de luz, para produzir um conjunto de dados simétrica. Na prática, isso exigiria demasiadas exposições. Em nossa experiência, podemos obter informações suficientes sobre as diferentes posições de visualização movendo a câmera algumas vezes assuming simetria de rotação de 180 ° sobre a superfície normal. Durante a fase de medição secundária, adquirimos medições de sete direcções de visualização distribuídas ao longo do hemisfério e dentro de 60 ° do zênite ^18,19 (II.A rotina na Figura 1).

Nas figuras deste artigo, vamos mostrar os dados medidos e representativos de uma pena de Lamprotornis purpureus (Starling brilhante roxo), a reflexão de que é iridescente, brilhante e anisotrópica (Figura 5). Em cada um dos sete sentidos da visão, a luz refletida é recolhida a partir de centenas de direções de iluminação incidente sobre o hemisfério. As direções de formar uma banda estreita ortogonalmente orientada para o eixo central da pena (imagem pena ver na Figura 4). A mudança de cor iridescência é subtil (verde-azulado em incidência normal e azul-esverdeado a incidência da pastagem), quando é visto a pena normal à sua superfície, como visto na {0 ° C, 0 & Deg;} RGB enredo da Figura 5. À medida que o ângulo de visão abordagens pastagem, os ângulos entre a direcção de visão e as instruções de incidentes de pastoreio são maximizadas, levando a uma mudança de cor mais marcante (verde-azulado, a 0 ° e magenta a 240 ° entre incidente e direcções de observação), como visto na {60 °, 0 °} RGB trama na Figura 5.

Nós podemos dar ao luxo de entrar a luz e câmera em muito resolução angular mais fina quando restringir os movimentos de uma dimensão. Figura 6 mostra a cromaticidade da reflectância de L. purpureus plumagem como uma função do ângulo entre o incidente e as direcções de visualização, quando o incidente e direcções de observação estão no plano que contém a banda especular, que é perpendicular ao eixo longitudinal do barbule distal. Como os arcos de cores iridescentes através do espaço cromáticas, a cor muda de verde-azulado ao roxo.

Espacial variável ção na reflectância direccional é visível quando for diferente (X, Y) do tegumento correspondem a diferentes estruturas de mili-escala. No caso de L. purpureus apenas uma estrutura - o barbule distal - é visível na maior parte da área. Em contraste, em C. cupreus, três estruturas mili escala - as bárbulas rami, distais e proximais bárbulas - são claramente distinguidos nos dados, podemos observar que a reflectância da pluma é orientada com respeito ao eixo longitudinal de cada estrutura (Figura 8) .

Figura 1. Esta visão esquemática descreve dois métodos de montagem, o sistema de coordenadas esférico pórtico, tipos de amostragem de aquisição e seus respectivos resultados. / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg "target =" _blank "> Clique aqui para ver a figura maior.

Figura 2. A pena achatada é visível através de uma abertura em uma placa de metal cercado por um anel de metas. Uma esférico pórtico podem ser colocados para medir a dispersão da luz de uma pena de iluminação incidente múltipla e direcções de visualização. L = braço Light (latitude). C = braço Camera (latitude). B = Base Camera (longitude). T = Turntable (longitude). F = Feather.

Figura 3. Espalhamento direcional média pode ser computada a partir de uma região de pena cata ponto, linha ou retangular.

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Figura 4. Exemplo de espalhamento direcional funções plotagem (R * = Reflectance, T * = Transmitância, P * = Top, F * = frente, S * = Lado, A * = arbitrária) e esquemas de cores (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). Clique aqui para ver a figura maior .

Figura 5. A luminância (em cima) e de cor RGB (inferior) da reflectância hemisférica na direcção do espaço cosseno como visto a partir da (ângulo de elevação, ângulo azimute) pares de coordenadas: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} e {60 °, 135 °.} A reflectância é média entre a × pixels região retangular da palheta lateral de um L. tertial 25 25 purpureus (Starling brilhante roxo) pena. As setas vermelhas representam as direções da câmera. Clique aqui para ver a figura maior .

Figura 6. Cromaticidade da reflectância em função da metade do ângulo entre a iluminação incidente e visualização direções:. CIE 1976 Balanças cromaticidade uniforme (USC) com a região ampliada Clique aqui para ver a figura maior .

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Figura 7. Reflectância como uma função do ângulo entre a iluminação incidente e as direcções de visualização, no plano com (vermelho) e perpendicular a (sombreada) do eixo longitudinal do barbule distai: (A) comprimento de onda dominante, (B) por cento croma, (C ) Percentual luminância. The sombreamento de cor em lote A é a cor RGB da reflectância. Os valores de comprimento de onda negativos representam as cores no triângulo roxo não-espectral. Clique aqui para ver a figura maior .

Figura 8. Reflectância média direccional de bárbulas bárbulas distais e proximais entre dois ramos adjacentes da C. cupreus (African Cuckoo Emerald).

Figura 9. (A) imagem não-retificada iluminado pela lâmpada do pórtico, (B) imagem não-retificada iluminado pelo flash na câmera, (C) os candidatos alvo filtrados afim transformada, a imagem flash-iluminado, (D) alvos aceitavelmente nítido dentro de profundidade em campo, (E) imagem da lâmpada iluminada Retificado, (F) Rodado pena ponta para cima, foi colhido e mascarados. Clique aqui para ver a figura maior .

Discussão

Embora o desempenho e função de muitos colorações pigmentares e estruturais são bem conhecidos, a morfologia dos diversos tegumentos é tão complexa que os seus detalhes estruturais e função são mal compreendidos ^20. Tegumentos desenvolveram especializações que variam espacialmente ao longo da superfície do organismo, de modo a reflectir a luz diferencialmente direcionalmente para o espectador. Direcionalidade tem recebido atenção principalmente no estudo de iridescência, devido à sua mudança de cor com a mudança do incidente e ângulo de visualização e pesquisa em iridescência de tegumento biológica tem atraído principalmente 1D e 2D algumas medidas ^8,12,17. Mas medições 6D generalizadas não têm sido de rotina no estudo de tegumentos ^21-23, iridescente ou de outra forma, e a literatura sobre fenótipos cor organismal é limitado pela falta de dados de cor direccionais do tipo nosso método proporciona.

A pena é especialmente rich materiais tegumentar compreendendo arranjos de estrutura mili-escala dos farpa: rami, bárbulas distais, e bárbulas proximais. A pequena dimensão dos elementos e seus arranjos complexos tornam difícil discernir o desempenho de dispersão de luz dos elementos individuais. Nosso protocolo isolado com sucesso estrutura mili-escala a partir da influência da geometria macro-escala. Ao caracterizar as conseqüências funcionais da expressão direcional de estruturas mili-escala para a assinatura de campo distante da pena, que permitiu inquérito sobre suas conseqüências adaptativas.

Enfrentamos compensações práticas entre resolução espectral, espacial e angular. Nós escolhemos alta resolução espacial, angular média e baixa espectral para os nossos estudos. Outras combinações podem ser usadas, mas algumas (por exemplo, todos os altos) conduzem a tempos de medição unworkably longos. A atenção deve ser focada em que é importante para os fenômenos particulares sendo estudados. Ao optar por empregar um RGB camera com um mosaico filtro Bayer, nós projetamos nosso protocolo para coincidir com o sistema visual humano. A câmara RGB pode ser substituído e o protocolo adaptado para medir a cor do estímulo relativa de qualquer organismo, por exemplo, a sensibilidade no espectro ultravioleta é necessária para medir a cor das aves de tetra-cromático ^24,25. A câmara de imagem espectral iria fornecer a solução mais geral ^25.

Demonstramos nosso protocolo com penas das asas tertial uma vez que são coloridos e facilmente achatado contra uma placa de referência. Infelizmente, a abertura da placa de metal revelou apenas uma fracção da superfície da pena. Se pudéssemos medir simultaneamente a forma 3D da superfície da pena ao medir a sua reflexão ^25, poderíamos evitar mecanicamente achatamento da pena e, em vez medir toda a pena em seu estado natural, não nivelado.

Interativas, ferramentas especializadas e integradas para a visualização de dados fornecem substantial beneficiar os cientistas explorar e interpretar grandes volumes de dados. Quanto maior for a integração e interactividade, as ligações mais fáceis em que os dados são observados. No nosso software, um utilizador pode interactivamente traçar dispersão média direccional como uma função da posição da superfície (Figura 4). Desenvolvimento do nosso software pode integrar outras funções de plotagem (Figuras 6, 7) para estender a experiência interativa.