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

O objetivo geral deste procedimento é medir e visualizar a mudança na direção da luz espalhada de um material estruturalmente complexo em várias escalas estruturais para controlar a luz incidente e visualizar as direções. Coloque um material no centro do pórtico esférico com sua lâmpada montada em um braço e sua câmera montada em outro braço sequencialmente. Fotografe o material enquanto move sistematicamente a lâmpada através de uma série de posições discretas em uma esfera, centrada no material do software.

Selecione uma região de interesse no material e extraia os pixels que compõem a região em cada fotografia. Em seguida, mapeie os valores de pixel para suas respectivas posições na esfera para visualizar a direção das luzes espalhadas da região selecionada. Por fim, use os dados para planejar medições adicionais de várias direções de câmera e com resolução angular aumentada.

Em última análise, esse método ajuda os pesquisadores a identificar a relação entre a estrutura do organismo e a sinalização visual direcional. A principal vantagem dessa técnica sobre a geometria de dispersão de imagens existente é nossa capacidade em software de visualizar a variação espacial na refletância direcional de materiais complexos em várias escalas biologicamente relevantes. Embora estejamos focados na sinalização direcional aviária e na aparência da plumagem, este método é válido para outros sistemas ópticos que exibem hierarquias estruturais de escala.

Como primeiro passo no experimento, obtenha uma placa de montagem de metal gigante fina com uma abertura de cerca de meia polegada, cercada por um anel de alvos. Coloque a pena a ser estudada na parte de trás da placa. Centralize a região de interesse sobre a abertura.

Em seguida, coloque uma folha de filme magnético com uma abertura de tamanho semelhante contra a parte de trás da pena para pressionar a pena contra a placa. Alinhe as aberturas do filme e da placa tomando cuidado para não cortar a pena. Isso deve resultar na pena apresentando uma superfície macro plana aproximadamente coincidente com a superfície da placa.

Para configurar o pórtico. Comece localizando o centro da abertura circular na origem do sistema de coordenadas do pórtico. Coloque uma fonte de luz no braço externo do pórtico.

Mire e concentre a luz na pena. Em seguida, coloque uma câmera no braço interno do pórtico. Ajuste a distância da câmera e o foco da lente macro até que o anel de alvos preencha a largura do sensor.

Neste ponto, os braços do pórtico devem ser calibrados e o foco e a exposição da câmera devem ser configurados. Inicie as medições posicionando o eixo óptico da câmera normal ao plano da superfície. Coloque a luz na primeira de uma série de posições que definem as direções da luz incidente.

As posições devem ser distribuídas uniformemente na esfera, centralizadas na pena em uma sala escura. Para cada posição de luz, capture uma imagem bruta para cada tempo de exposição no suporte de exposição determinado anteriormente. Em seguida, mova a luz para a próxima posição e repita.

Depois que os dados forem coletados, comece a processar as imagens de cada incidente. Direção da luz. Integre todas as exposições de baixa faixa dinâmica a uma única imagem colorida de alta faixa dinâmica.

Essas imagens coloridas de alta faixa dinâmica são usadas para criar os dados para visualização. Para procurar os dados do processo, o aplicativo de navegador simples personalizado é usado. Ele abre para uma janela contendo a imagem da pena iluminada pela primeira direção de iluminação incidente.

Agora selecione uma região da veia da pena para análise. Aqui, uma região retangular é escolhida entre as opções disponíveis. Plote a dispersão média de luz direcional da região selecionada, Uma janela de plotagem mostrando a refletância em função da direção.

Co-assinar abre ao lado da janela de imagem, ajuste a exposição do mapa de cores. Usando o software, é possível alternar o mapa de cores de refletância na esfera unitária entre luminância RGB e croma. Nosso GB é usado a seguir.

Para girar a esfera, clique nela. Para ativar a interface da esfera de rastreamento, arraste a interface para causar rotação. Para visualizar o hemisfério de refletância, retorne a esfera à sua posição padrão.

Gire a esfera 180 graus a partir da posição padrão. Para visualizar o hemisfério de transmitância para outra visualização dos dados, selecione o modo de plotagem polar para ver os raios de cada direção na esfera unitária dimensionados por seus respectivos valores de luminância. Altere o mapa de cores da esfera dimensionada de luminância de RGB para croma.

A direção da iluminação da imagem exibida é circulada em vermelho no gráfico de dispersão direcional. Clique em qualquer outra direção de iluminação incidente para mostrar a difusão iluminada a partir dessa direção. Diminua a exposição da imagem para corrigir a superexposição.

Para investigar a refletância em uma hierarquia de escalas, retorne o modo de plotagem para a esfera unitária e use o mapa de cores RGB. Altere o tipo de seleção de uma região retangular para uma linear. Isso permitirá o estudo da refletância de estruturas individuais de escala fina na região retangular.

Plote a refletância da média linear em uma nova janela, mantendo a média retangular para referência. Aqui, as mulas de barra distal da pena atravessadas pela região linear são vistas refletindo a luz ao longo da horizontal. Selecione uma das direções de iluminação no gráfico linear para exibir as mulas de barra distal altamente reflexivas na imagem à esquerda para investigar a faixa escura adjacente.

Mova a seleção linear até que ela entre nessa região na estrutura de difusão. É aqui que o ramo ES proximal dos ramos no gráfico de média linear, o ES proximal é visto refletindo a luz verticalmente. Selecione uma das direções para exibir os pares proximais altamente reflexivos na imagem à esquerda.

Observe que as estruturas de escala fina que refletem a luz horizontal e verticalmente no gráfico linear se combinam para produzir o sinal de campo distante visto no gráfico retangular. Tendo revisado as etapas básicas para medir e visualizar o espalhamento de luz direcional em uma hierarquia de escala, o seguinte Descreva técnicas avançadas de calibração de câmera em preparação para conduzir experimentos de várias direções de câmera com um clipe montado em penas, um alvo de calibração com padrão de verificador plano contra a placa de montagem. Coloque a câmera com seu acesso perpendicular à placa.

Use qualquer iluminação suficiente para a exposição adequada para capturar uma imagem. Capture imagens da placa para uso na caixa de ferramentas de calibração da câmera boogey no matlab. Nove imagens de posições de câmera dentro de um cone de 120 graus centrado no eixo perpendicular das placas provaram ser suficientes.

Feito isso, calibre a posição da câmera, incluindo sua distância Z até o alvo de calibração. Em seguida, remova o alvo de calibração revelando o anel de alvos ao redor da abertura. Use o flash montado na câmera para capturar duas imagens dos alvos, uma de uma direção perpendicular à placa e a segunda de um ângulo rasante.

As duas imagens serão usadas para calibrar a distância da câmera até o anel alvo e a pena, resolvendo os deslocamentos de translação T um e T dois. Agora que calibramos a câmera, podemos medir a dispersão da luz de várias direções da câmera usando padrões de amostragem direcionais alternativos. Para começar, use o navegador simples para abrir um conjunto de dados contendo uma esfera esparsamente amostrada de direções de luz incidente e uma direção de câmera perpendicular.

Visualize a distribuição direcional da luz refletida pela difusão. Com base nessa revisão, refine o conjunto de direções de luz incidente para melhorar a amostragem direcional. Essas posições devem amostrar direções especulares densamente e direções não seculares. Escassamente.

Escolha seis direções de câmera adicionais distribuídas uniformemente por meio hemisfério. Para cada direção, amostrar o hemisfério de refletância densamente para direções especulares e esparsamente para direções não especulares para cada direção de luz incidente em cada hemisfério. Primeiro fotografe o anel alvo ao redor da pena com o flash montado na câmera.

Em segundo lugar, fotografe a pena em cada exposição no suporte de exposição. Em seguida, integre as exposições em uma imagem colorida de alta faixa dinâmica. Retifique aproximadamente a fotografia iluminada com flash usando coordenadas de pórtico.

Em seguida, encontre e use seus centros-alvo para projetar com precisão a imagem HDR da pena como se ela tivesse sido fotografada de uma direção perpendicular. Após o processamento, use o navegador simples para navegar visualmente pela refletância direcional da mesma região da difusão. Em cada um dos sete hemisférios amostrados não uniformes, organize os gráficos de refletância direcional para cada uma das direções da câmera Em um sistema de coordenadas polares, mostradas neste gráfico polar estão várias medições de posição de câmera feitas na pena de um estorninho roxo brilhante.

As setas vermelhas representam as direções da câmera. As posições da câmera na esfera são mostradas na inserção. Em cada uma das direções de visualização, a luz refletida é coletada de centenas de direções de iluminação incidentes.

Os dados de cores RGB revelaram que a pena é iridescente, mudando de azul esverdeado em incidentes normais para magenta em incidentes de pastejo. A técnica pode ser usada para estudos de resolução angular mais fina quando a iluminação incidente e as direções de visualização da câmera são restritas a uma dimensão. Plotado na inserção está o croma da refletância em função do meio ângulo entre as direções incidente e de visualização.

Quando essas direções estão no plano perpendicular ao eixo longitudinal da barra distal, à medida que a cor iridescente se curva através do espaço de cromaticidade, a tonalidade muda de azul-esverdeado para roxo. O comprimento de onda dominante da refletância em função do ângulo entre as direções incidente e de visualização é representado aqui. A linha vermelha corresponde a quando as duas direções estão em linha reta com o eixo longitudinal da barra distal.

A região sombreada é para quando as direções são perpendiculares a esse eixo. A cor do sombreamento é a cor RGB da onda negativa de refletância. Os valores de comprimento representam cores em uma região não espectral.

Além do comprimento de onda dominante, há dados sobre a porcentagem de croma e a porcentagem de luminância da refletância em função do ângulo entre o ângulo incidente e o ângulo de visão. Novamente, a linha vermelha corresponde a quando a direção da luz incidente e a direção de visualização estão em linha reta com o eixo longitudinal da barra distal. A região sombreada é para quando as direções são perpendiculares a esse eixo.

Uma vez dominada uma medição típica, o uso dessa técnica pode ser adquirida e processada em menos de 14 horas. Essa técnica abriu caminho para pesquisadores nas áreas de ornitologia e computação gráfica explorarem a relação entre a morfologia complexa da plumagem e os efeitos direcionais da sinalização visual aviária.