Измерение пространственных и направлению изменяющейся рассеянию света из биологического материала

Общая цель данной процедуры заключается в измерении и визуализации изменения направления света, рассеянного структурно сложным материалом на нескольких структурных уровнях, для управления падающим светом и направлениями обзора. Поместите материал в центр сферической станины, последовательно установив лампу на один из рычагов, а камеру — на другой. Сфотографируйте материал, систематически перемещая лампу по ряду дискретных позиций на сфере с центром в точке расположения материала с помощью программного обеспечения.

Выберите интересующую область на материале и извлеките пиксели, составляющие эту область, на каждой фотографии. Затем сопоставьте значения пикселей с их соответствующими положениями на сфере, чтобы визуализировать направление света, рассеянного от выбранной области. В завершение используйте полученные данные для планирования дополнительных измерений с разных ракурсов камер и с повышенным угловым разрешением.

В конечном счете данный метод помогает исследователям определить взаимосвязь между структурой организма и направленной визуальной сигнализацией. Основным преимуществом этого метода по сравнению с существующей геометрией рассеивания при визуализации является наша возможность с помощью программного обеспечения визуализировать пространственные вариации направленного отражения сложных материалов на нескольких биологически значимых масштабах. Несмотря на то, что наше внимание сосредоточено на направленной сигнализации и внешнем виде оперения птиц, этот метод применим и для других оптических систем, обладающих структурной иерархией масштабов.

На первом этапе эксперимента возьмите тонкую металлическую монтажную пластину Ferris с отверстием диаметром около половины дюйма, окруженным кольцом мишеней. Положите исследуемое перо на заднюю сторону пластины. Центрируйте область интереса относительно отверстия.

Затем приложите к тыльной стороне пера лист магнитной пленки с отверстием аналогичного размера, чтобы прижать перо к пластине. Совместите отверстия в пленке и пластине, стараясь не сместить перо. В результате макроповерхность пера должна стать плоской и примерно совпадать с поверхностью пластины.

Для настройки портальной системы сначала установите центр круглой апертуры в начале координат системы координат портала. Поместите источник света на внешнем плече портала.

Направьте и сфокусируйте свет на перепонке пера. Затем установите камеру на внутренний рычаг портала. Отрегулируйте расстояние до камеры и фокус макрообъектива так, чтобы кольцо мишеней заполняло всю ширину сенсора.

На данном этапе рычаги портала должны быть откалиброваны, а фокус и экспозиция камеры — настроены. Начните измерения, расположив оптическую ось камеры перпендикулярно плоскости поверхности. Разместите источник света в первой из серии позиций, определяющих направления падающего света.

Положения источника света должны быть равномерно распределены по сфере с центром в точке расположения пера в темной комнате. Для каждого положения света снимите необработанный снимок (raw image) для каждого времени экспозиции в ранее определенном диапазоне экспозиции. Затем переместите источник света в следующее положение и повторите процедуру.

После сбора данных приступайте к обработке изображений для каждого случая. Направление света. Объедините все экспозиции с низким динамическим диапазоном в одно цветное изображение с высоким динамическим диапазоном.

Эти цветные изображения с широким динамическим диапазоном используются для создания данных для визуализации. Для просмотра данных процесса используется специализированное простое приложение-браузер. Оно открывает окно с изображением пера, освещенного первым направлением падающего света.

Теперь выберите область жилки пера для анализа. В данном случае из доступных вариантов выбрана прямоугольная область. Постройте график среднего направленного рассеяния света от выбранной области; в окне построения отображается коэффициент отражения в зависимости от направления.

Окно Co-sign открывается рядом с окном изображения, в нем можно отрегулировать экспозицию цветовой карты. С помощью программного обеспечения можно переключать цветовую карту отражательной способности на единичной сфере между яркостью RGB и насыщенностью. В дальнейшем используется наш вариант GB.

Чтобы повернуть сферу, щелкните по ней. Чтобы активировать интерфейс трекбола, перетащите интерфейс для вращения. Чтобы просмотреть полусферу отражения, верните сферу в исходное положение.

Поверните сферу на 180 градусов относительно исходного положения. Чтобы рассмотреть полусферу пропускания с другого ракурса, выберите режим полярного графика, чтобы увидеть радиусы каждого направления на единичной сфере, масштабированные в соответствии с соответствующими значениями яркости. Измените цветовую карту сферы с масштабированием яркости с RGB на хроматическую.

Направление освещения отображаемого изображения обведено красным цветом на графике направленного рассеяния. Нажмите на любое другое направление падающего света, чтобы показать перо, освещенное с этой стороны. Уменьшите экспозицию изображения, чтобы исправить пересвет.

Чтобы исследовать отражательную способность на разных иерархических уровнях, верните режим построения графика к единичной сфере и используйте цветовую карту RGB. Измените тип выделения с прямоугольной области на линейную. Это позволит изучить отражательную способность отдельных мелкомасштабных структур в прямоугольной области.

Постройте график коэффициента отражения для линейного усреднения в новом окне, сохранив прямоугольное усреднение для сравнения. Здесь видно, что дистальные бороздки пера, охваченные линейной областью, отражают свет вдоль горизонтали. Выберите одно из направлений освещения на линейном графике, чтобы отобразить высокоотражающие дистальные бороздки на изображении слева и исследовать прилегающую темную полосу.

Перемещайте линейное выделение до тех пор, пока оно не попадет в эту область структуры пера. Именно здесь проксимальные ветви ES отделяются от rami на графике линейного усреднения; видно, что проксимальные ES отражают свет вертикально. Выберите одно из направлений, чтобы отобразить высокоотражающие проксимальные пары на изображении слева.

Обратите внимание, что мелкомасштабные структуры, которые отражают свет по горизонтали и вертикали на линейном графике, объединяются, формируя сигнал в дальней зоне, видимый на прямоугольном графике. После изучения основных этапов измерения и визуализации направленного рассеяния света в иерархии масштабов ниже описаны передовые методы калибровки камеры для подготовки к проведению экспериментов с нескольких ракурсов с использованием закрепленного зажима, калибровочной мишени в шахматном порядке, расположенной плоско параллельно монтажной пластине. Расположите камеру так, чтобы ее ось была перпендикулярна пластине.

Для получения одного изображения используйте любое освещение, достаточное для правильной экспозиции. Сделайте снимки планшета для использования в инструментарии калибровки камеры boogey в среде matlab. Достаточно девяти изображений, сделанных с позиций камеры в пределах конуса с углом 120 градусов, центрированного по оси, перпендикулярной планшету.

После завершения этого этапа откалибруйте положение камеры, включая расстояние Z до калибровочной мишени. Затем уберите калибровочную мишень, чтобы открыть кольцо мишеней, окружающее апертуру. Используйте встроенную вспышку камеры для получения двух изображений мишеней: первого — в направлении, перпендикулярном пластине, и второго — под скользящим углом.

Эти два изображения будут использованы для калибровки расстояния от камеры до целевого кольца и пера путем вычисления трансляционных смещений T one и T two. Теперь, когда камера откалибрована, мы можем измерить рассеяние света с различных ракурсов камеры, используя альтернативные схемы направленного сэмплирования. Для начала воспользуйтесь простым браузером, чтобы открыть набор данных, содержащий разреженно сэмплированную сферу направлений падающего света и перпендикулярное направление камеры.

Оцените направленное распределение света, отраженного от пера. На основании этого анализа уточните набор направлений падающего света для улучшения направленного сэмплирования. Эти положения должны обеспечивать плотное сэмплирование направлений зеркального отражения и разреженное сэмплирование направлений диффузного отражения.

Выберите шесть дополнительных направлений камеры, равномерно распределенных по половине полусферы. Для каждого направления проведите плотный отбор проб полусферы отражения для зеркальных направлений и разреженный — для незеркальных направлений для каждого направления падающего света в каждой полусфере. Сначала сфотографируйте целевое кольцо вокруг пера с помощью установленной на камере вспышки.

Во-вторых, сфотографируйте перо при каждом значении экспозиции в выбранном диапазоне. Затем объедините полученные кадры в цветное изображение с широким динамическим диапазоном. Выполните грубое выравнивание фотографии, полученной с освещением вспышкой, используя координаты портала.

Затем найдите и используйте центры его мишеней, чтобы точно спроецировать HDR-изображение пера так, как если бы оно было сфотографировано в перпендикулярном направлении. После обработки используйте простой браузер для визуального просмотра направленного коэффициента отражения из той же области пера. Для каждой из семи неравномерно обследованных полусфер расположите графики направленного отражения для каждого направления камеры в полярной системе координат; на данном полярном графике представлены результаты множественных измерений положения камеры, проведенных на пере перламутрового скворца.

Красные стрелки обозначают направления камеры. Положения камеры на сфере показаны на врезке. Для каждого направления обзора собирается отраженный свет из сотен направлений падающего освещения.

Данные о цвете в системе RGB показали, что перо обладает иризацией, при которой цвет меняется с сине-зеленого при нормальном падении света на пурпурный при скользящем падении. Данный метод может быть использован для исследований с более высоким угловым разрешением в случаях, когда направление падающего освещения и направление обзора камеры ограничены одним измерением. На врезке представлен график зависимости насыщенности отраженного света от половины угла между направлениями падения и наблюдения.

Когда эти направления лежат в плоскости, перпендикулярной продольной оси дистального стержня, при перемещении радужного цвета по цветовому пространству оттенок смещается от сине-зеленого к пурпурному. Здесь представлена доминирующая длина волны отражения в зависимости от угла между направлениями падения и наблюдения. Красная линия соответствует случаю, когда оба направления лежат в одной плоскости с продольной осью дистального стержня.

Заштрихованная область соответствует случаям, когда направления перпендикулярны этой оси. Цвет штриховки представляет собой RGB-цвет отрицательной волны отражения. Значения длины соответствуют цветам в неспектральной области.

Помимо доминирующей длины волны, представлены данные о проценте насыщенности (chroma) и проценте яркости (luminance) отражения в зависимости от угла между направлением падающего и наблюдаемого лучей. Снова красная линия соответствует случаю, когда направление падающего света и направление наблюдения лежат в одной плоскости с продольной осью дистальной перекладины. Заштрихованная область соответствует случаю, когда эти направления перпендикулярны данной оси.

После освоения типового измерения выполнение данной процедуры, включая сбор и обработку данных, может занять менее 14 часов. Этот метод открыл исследователям в области орнитологии и компьютерной графики возможности для изучения взаимосвязи между сложной морфологией оперения и направленными эффектами визуальных сигналов птиц.