Biyolojik materyalden mekansal-ve Yönde-değişen ışık saçılımı Ölçme

Summary

Biz yapısal karmaşık malzemelerden dağınık ışık yönünde mekansal değişimi örnekleme için bir tahribatsız yöntem mevcut. Aynı anda yüksek çözünürlüklü görüntüleme ince ölçekli yönlü katkıları çekerken malzeme sağlam tutarak, biz, brüt ölçekli saçılma davranışı korumak. Sonuçlar biyolojik-ilgili pozisyonlarda ve ölçeklerde yazılım görüntülendi.

Abstract

Işık mekansal ölçeklerde çeşitli bir organizmanın deri ile etkileşime girer. Bir yanardöner kuş Örneğin: nano ölçekli yapıları renk üretmek; barbuslar ve barbulların mili ölçekli yapısı büyük ölçüde yansıyan ışığın yönlü desen belirler ve üst üste, kavisli tüy makro ölçekli mekansal yapısı ile, bu yönlü etkiler yaratmak görsel doku. Organizmanın vücudunda ve hangi bakış açılarından ve ne aydınlatma altında, yanardöner renkleri görülür nerede Milli ölçekli ve makro ölçekli etkilerinin belirlenmesi. Böylece, bir sinek kuşu yanardöner boğazından parlak renk son derece yönlü flaş yetersiz tek başına nano ölçekli yapısı ile açıklanabilir ve sorular kalır. Belirli bir gözlem noktasından, hangi tüy mili ölçekli elemanları güçlü yansıtacak şekilde odaklı? Bazı türler diğerlerinden daha yanardönerlik gözlem için daha geniş "pencere" üretmek mi? Bu ve benzeri sorular may sinyalizasyon, kamuflaj, ya da başka nedenlerle belirli bir yüzey görünümü gelişmiştir herhangi organizmalar hakkında sorulabilir.

Tüyler ışık saçılma yönlü desen çalışması, ve kuşun milli ölçekli morfolojisi ile olan ilişkisini için, biz aydınlatma değişen ve yön görüntüleme ile alınan birçok yüksek çözünürlüklü fotoğraflar kullanarak biyolojik maddeler saçılan ışık ölçmek için bir protokol geliştirdi. Biz yön bir fonksiyonu olarak dağınık ışık ölçmek yana, o tüy saçılan ışık yönlü dağıtımında karakteristik özelliklerini gözlemleyebilirsiniz ve barbuslar ve barballara bizim görüntülerde çözümlenir çünkü, biz açıkça bu farklı için yön özellikleri özellik olabilir mili ölçekli yapılar. Numunenin sağlam tutmak doğada görülen brüt ölçekli saçılma davranış korur. Burada anlatılan yöntemi mekansal-ve yönlü-va analiz etmek için genel bir protokol sunarbirden fazla yapısal ölçeklerde karmaşık biyolojik malzemelerden ışık saçılması rying.

Introduction

Bir organizmanın integument renk ve desen ekolojik oyun ve en hayvan takson sosyal olarak kritik işlevleri. Bu fenotipik özellikler hem mekansal (kabuklarıyla yüzeyi boyunca) ve yönde (yön aydınlatma ve görüntüleme değişim ile) değişir optik saçılma yer alabilirler kabuk yapısı, ile ışık etkileşimi tarafından belirlenir. Bu tüyler gibi karmaşık biyolojik maddeler, olarak, ışık saçılması yönünde mili ölçekli geometri tekrar yönünü etkilenir. Bu milli ölçekli yapılar kendileri gibi sık sık milli ölçekli yönelim miras melanin diziler, gibi nano ölçekli yapıları, gömülü olabilir. Itibaren makro ölçekler nano için, kabuk yapısı organizmanın sinyal yeteneğini artırmak için işlevsel gelişmiştir. Genel görünümü üzerine farklı ölçeklerde morfolojisi etkisini değerlendirmek için, araçlarabiyolojik yapıların rengini ölçmek ve analiz etmek büyütme çeşitli ölçeklerde yönlü ışık saçılması izole etmek için esneklik gerekir.

Bir tüy karmaşık ve çeşitli mili ölçekli morfolojisi (barb rami, distal barballara ve proksimal barballara) performansını nano ölçekli yapıları tek başına mümkün ifade yelpazesini genişletiyor nasıl incelemek için görüntü tabanlı ölçme araçları geliştirilmiştir. Kamera tarafından kaydedilen tek bir görüntü olarak, ışık tüy yüzeyinde farklı yerlerde farklı yansıyan görülmektedir, yani, ışık yansıtma mekansal-değişen oldu. Biz tüy ile ilgili olarak ışık ve kamera yönünü taşındığında, biz yansıma ışık yansıtma ¹ yönde değişen oldu, yani, değişti görülmektedir. Bu gözlemler ardından, yöntemli biz su 2 boyutları ele hangi ile küresel bir portal ^2,3, kullanarak konu etrafında ışık ve kamera taşımak için bir protokol tasarlanmışrface konumu (X ve Y), ışık yönü 2 boyutları (enlem ve boylam), ve kamera yönü 2 boyutları (enlem ve boylam) (Şekil 2). Yazılım biz görsel olarak konumu, aydınlatma yönünü ve Bakış açısı bir fonksiyonu olarak dağınık ışık 6. boyutları araştırdı.

Integuments gelen yansıma içine Önceki araştırmalarda çok sık yön katkısı iskonto var - örneğin yaygın vs aynaya veya izotropik vs anizotropik yansıması - renk ifade. En renk ölçümleri dikkatle yönlü etkileri önlemek için olay ışık, nesne ve izleme geometri sabit. Örneğin, renk ölçümleri aynasal yansıma ortadan kaldırmak için, bu yüzeye normal ışık yerleştirin ve normal 45 ° yansıma kaydetmek için yaygındır. Yönde değişen yansıma bağlantı morfoloji yapmak Çalışmaları genellikle nano ölçekli odaklanmakve yanardöner sonuçları ^4-8. Birkaç uzak alan optik imza ^8-11 mikro-, milli-ve makro ölçekli geometri katkısını düşünün. Bu tür barb rami, barballara, ve hatta tüm tüyler ^6,8,11-17 gibi birden fazla mili-ve / veya makro ölçekli bileşenler içerebilir ilgi tek bir alan üzerinde toplam yansıma için bir ışık detektörü istihdam nedenle yaygındır . Ilgi bölge ya da dedektör kararı sınırından daha küçük veya görüş dedektörün alanı şekline uymayan olduğunda, ortak protokol belirli mili ölçekli elemanı ^8,10 gelen ışık saçılması izole etmek için örnek diseksiyon belirtir ^{, 13,15.}

Biz ölçüm satın alma ve genellikle diğer daha odaklı çalışmalarda göz ardı pek çok değişken keşif teşvik görselleştirme için daha kapsamlı protokol geliştirdik. Biz yön ve acros bir küre üzerinde ışık saçılması ölçmekyüksek dinamik aralık büyük bir dizi kullanarak alanı sa bölgesi, yüksek çözünürlüklü fotoğraflar ışık ve bakış açıları sistematik bir dizi alınan. Biz iyi ölçekli piksel dedektörleri onun 2D dizi ile yüksek çözünürlüklü görüntüleme sensörü kullanır. Donanım toplama ölçüyoruz mili ölçekli elemanları daha küçük bir ölçekte, piksel düzeyinde gerçekleşir. Kullanıcı olarak yazılım bir ikinci aşama agrega tek tek piksel ilgi bölgenin şekli ve boyutu seçilir. Buna göre, tek bir ölçüm seti tekrar tekrar çok biyolojik-ilgili pozisyonlarda ve ölçeklerde malzeme ile ışık etkileşimi farklı yönlerini keşfetmek için yazılım analiz edilebilir. Diseksiyon ortadan kaldırarak ve tüm tüy ölçerek, bizim protokol doğal bağlam ve, kurucu milli ölçekli elemanları arasında ışığın etkileşimleri olan fonksiyonu koruyarak, sağlam tüy kanat morfolojisi bırakarak avantajına sahiptir.

Organizma s ışık saçılmasıtructure çok boyutlu ve ölçmek zordur. Ölçülen 6D ışık saçılması olarak henüz herhangi bir tekil aletle ölçekli bir hiyerarşi içinde belirli morfolojisi isnat edilemez. Ama biz bu peşinde önemli bir adım yaptık. , Örnekleme yansıma portal kullanarak yazılım büyük veri hacimleri keşfetmek ve grafiksel veri alt kümeleri görselleştirme - - Biz üç tamamlayıcı yöntemler kapsayan bir araç geliştirdik aşağı için, bir malzeme üzerinde herhangi bir noktada 6D ışık saçılması ölçmek için yeteneğimizi genişletmek için milli ölçekli. Bizim gibi protokoller istihdam edilmektedir olarak, biyologlar gelişme birden ölçeklerde yönlü ve mekansal-değişen özellikleri ve ilgili yapısal uyarlamalar sayısız belirleyecektir tahmin. Bizim araçlarını kullanarak biz milli ölçekli yapıların yönlü ve mekansal ifade sinyal potansiyel karakterize yapan ve uyum sonuçları ışık tutacak umuyoruz. Biz gibi sorular, bir dizi ele: bir deny tüy ince çaplı elemanları veya ağır ölçekli bölgelerde güçlü yansıtan gözlem noktası, verilen? Nasıl ince çaplı elemanları yönünü dağınık ışık yönünü etkiliyor? Ne morfolojik koşulları yanardöner süs bir payetli ışıltı vs bir saten parlak üretmek? Bazı türler diğerlerinden daha yanardönerlik gözlem için daha geniş "pencere" üretmek mi? Bu sorular kuşlar ve tüyleri konusunda değil, aynı zamanda sinyalizasyon, kamuflaj, ya da başka nedenlerle belirli bir yüzey görünümü gelişmiştir diğer organizmalar hakkında istenebilir.

Protocol

Bir örnek ölçmek için yöntemler kullanırken, deneyci kamera ve ışık yönde bir dizi karar vermelisiniz ve kamera ve ışık yönleri her birleşimi için, kamera farklı çekim hızı ile çeşitli pozlama yapar. Kamera hareket bu resimde görüldüğü gibi numunenin görünümü değiştirdiği için, ek işlem gerektirir, bu yüzden normalde kamera yönde az sayıda ve ışık kaynağı yönde daha büyük bir sayı kullanın.

Aşağıda ayrıntılı protokoller, öncelikle bir çok ışık kaynağı yön ve tek bir kamera yön ölçümü ve nasıl ortaya çıkan veriler (Protokol 1) işlemek ve görselleştirmek için gerçekleştirmek için nasıl açıklar. Tek bir görünüm çalışılmaktadır olayları gözlemlemek için yeterli zaman tek başına kullanılabilir birincil protokol,, her zaman (Şekil 1 İlköğretim rutin) örnek için kamera görünümü dik tutun. Birden fazla kamera tarifi gerektiğinde,Numunenin oblik çıkan kameranın hareket etkilerini geri almak ve böylece tam olarak kanonik dik manzaralı görüntüleri hizalamak için çarpık olabilir. Bu çözgü hesaplamak için, tam olarak örnek göre kameranın hareketini belirlemek için örnek etrafına yerleştirilmiş hedeflerin gözlemlerinin kullanımı ek kalibrasyon adımları gerçekleştirir. Protokol 2 ayrıntıları bu kalibrasyon prosedürü ve parametrelerin seçimi ve birden çok kez (Şekil 1'de İkincil rutinleri) veri toplamak için Protokol 1 birden çok kez çalıştırmak için nasıl açıklar. Son olarak, Protokol 3 ayrıntıları veri işleme sırasında oblik düzeltmek için Protokol 1 takılmalıdır ek adımlar.

1. Olay Directions Küre (Şekil 1 İlköğretim Rutin) üzerinde Normal Yüzey Yön Dağınık Işık ölçün

1. Ölçülen için Nesne hazırlamak ve monte
   1. Ince bir Demirli metaller montaj plakası hazırlayınhedeflerin bir halka (Şekil 2'de görüldüğü gibi) ile çevrili bir ½ inç diyafram.
   2. Ölçülecek madde hazırlayın. Bir tüy ölçüm ise, pennaceous pervane herhangi Açılmış veya yanlış hizalanmış bölümleri düzeltmek için barbuslar damat.
   3. Plakanın arka tarafına karşı nesnenin yüzeyi (tüy yüz yüze) (hedef halka karşı) yatıyordu.
   4. Merkezi plaka ½ inç diyafram üzerinde ilgi bölgesi.
   5. Böylece plaka üzerinde düz nesne basarak, nesne (tüy ters yüz) arka yüzünde karşı 5/8-inch diyafram ile manyetik film bir yaprak yatıyordu.
   6. Yüzey kesme olmadan plakanın diyafram için filmin diyafram hizalayın. Dairesel açıklığın çevresi etrafında sabitlenmiş düzleştirilmiş yüzeyi, plakanın yüzeyi ile düzlemsel bir makro yüzey yaklaşık çakışık verir.
2. Portal yapılandırın
   1. BulunPortal koordinat sisteminin orijini de dairesel diyafram merkezi.
   2. Portal dış kolunda bir ışık kaynağı yerleştirin. Amaç ve dar diyafram düzgün tüm ışık kaynağı açıları için yanar sağlamak, nesneye ışık odaklanır.
   3. Portal iç kolunda bir kamera yerleştirin. Kamera mesafe ve hedeflerinin halka sensörün genişliği doldurur kadar makro objektifin odak uzunluğunu ayarlayın.
   4. Kamera ve lamba silah dönme hareketleri (θ, φ) kalibre edin. Kamera ve lamba yüzeyi, normal ile uyumlu, böylece normal bir nesnenin yüzeyine göre eğim (θ) Kalibre zaman θ = 0. Lambanın azimut için kameranın azimut (φ) kalibre edin. Çekilen görüntüleri, daha sonra, protokolde döndürülebilir çünkü mutlak azimut yönlendirme kritik öneme sahip değildir.
3. Kamera Odak ve Pozlama yapılandırma
   1. Rotate nesne kadar kamera otlatma açıyla görülüyor. Alanı (DOF) derinliği en aza indirmek için f-sayısını azaltmak, daha sonra diyafram ortasına odak düzlemi ayarlayın. Diyafram çevreleyen hedeflerin halka odak kadar DOF artırmak için f-sayısını artırın. Kırınım ve DOF bağlı bulanıklık arasında bir uzlaşma gerekebilir.
   2. Montaj plakası üzerinde düz bir renk standart klibi. Için RGB görüntüleri Macbeth Color Checker renk kullanın. Spectralon kullanımı UV-görünür-NIR ölçümleri için.
   3. RAW formatta renk standart fotoğraf. Beyaz dengesi görüntü için renk kanal çarpanları hesaplayın.
   4. En uç gözlem ve ışıklandırma yönleri altında sahnenin dinamik yayılan poz desteği bulun.
   5. Aralığındaki her pozlama süresi için, üzerindeki lens kapağı ile sensör açarak karanlık bir gürültü görüntü elde.
4. Olay Tarifleri bir Seyrek Örneklenen Küre gelen Ölçümleri Edinme
   1. Yüzey düzlemi {θ, φ} = {0,0} normal kamera ekseni yerleştirin.
   2. Kaba bir örnekleme (örneğin, en az 500 puan) kullanılarak, küre üzerinde muntazam biçimde dağıtılmaktadır pozisyonların bir dizi boyunca ışık Adım.
   3. Örnekleme her gelen ışığın yönü için:
   4. Pozlama aralığındaki her maruz kalma süresi için bir ham görüntü yakalayın.
   5. Kamera ile aydınlatılan tek bir görüntü yakalama flaş portal lamba aydınlatma bastırmak için nispeten kısa bir pozlama süresi ile senkronize monte.
   6. Bir sonraki olay ışık yönü ve tekrar ilerlemek.
5. Seyrek Örneklenen Küre gelen Süreç Ölçümleri
   1. RAW biçiminden gri, 16-bit, lineer, PGM biçimine dönüştürmek, kendi demosaicing işlevini devre dışı bırakmak için hata ayıklama (belge) dcraw ^a modunu kullanarak:
      1. Her karanlık gürültüye maruz kalma.
      2. Her olay ışık yönü de nesnenin her maruz kalma.
      </ Ol>
      3. Tüm düşük dinamik aralık (LDR), tek bir yüksek dinamik aralık (HDR) her olay ışık yönü için renkli görüntü içine portal lamba aydınlatma altında gri tonlama maruz entegre edin.
         1. Her LDR maruz karşılık gelen karanlık gürültü görüntü çıkarın.
         2. Mozaik Parçalarına Ayırma her LDR bir çeyrek ölçekli görüntü elde maruz kalma.
         3. Beyaz dengesi adım 1.c.3 hesaplanan renk kanalı çarpanları kullanarak her LDR maruz kalma.
         4. Birleştirme koyu gürültü çıkarılır LDR her piksel pozisyonda tüm değerleri toplayarak ve pozlama süreleri toplamı bölünerek, her iki toplamları gelen pozlanmış piksel atlayarak tek bir HDR görüntü içine pozlama.
         5. Yarım şamandıra hassas ve kayıpsız dalgacık (PIZ) sıkıştırma kodlanmış EXR formatında mağaza HDR görüntü.
      4. Kamera yönü kurallı yön değil veya ölçüm vadede bir çok kamera yön kümesinin parçası (Şekil 1 bir de ikincil rutinleri isend Protokol 2):
         1. Bir demosaiced, dörtte biri ölçekli her olay ışık yönü için flaş aydınlatmalı izleme hedeflerin tek LDR gri maruz kalma, EXR formatında LDR renkli görüntü dönüştürün.
         2. Için projektif kanonik görünümüne her HDR lamba aydınlatmalı görüntü dönüşümü. Flaş aydınlatmalı resim kullanmak Protokolü 3 izleyin
      5. Bizim durumumuzda örneğin 90 ° dönüş yönlendirir rachis dikey ve tüy ucu kadar - istenen yönelim içine HDR görüntüleri döndürün.
      6. Dairesel diyafram etrafına sıkıca HDR görüntü kırpma. Diyafram dışındaki hedefleri ve metal plaka Maskeleme% 25 tarafından dosya boyutunu küçültür.
      7. Piksel tarafından düzenlenen tüm yönlü yansıma değerleri içeren dosyaları, görüntü birkaç blok her biri için, bir dizi oluşturmak için HDR görüntü kümesini tüm verileri permute. Bu yönlü yansıma önbellek dosyaları bir hızlı erişim sağlamak için düzenlenmektedir3D nesnenin 2D projeksiyon tek bir piksel konumda yönlü renk ölçümleri ll.
   2. Görselleştirmek Ölçeği bir hiyerarşisi karşısında ışık saçılımı Mekansal-değişen
      1. Ölçümleri göz atmak için, adım 1.E. işlenmiş verileri yorumlamak için özel SimpleBrowser uygulamasını kullanabilirsiniz SimpleBrowser ilk olay aydınlatma yönü ile aydınlatılmış tüy imajını içeren bir pencere açılır.
      2. Tüy pervane görüntüsü, tek tek piksel veya doğrusal veya dikdörtgen düzenlemeler piksel grupları (Şekil 3) seçilebilir. Analiz için tüy kanatlı dikdörtgen bir bölge seçerek devam edin. Daha sonra, seçilen bölgeden ortalama yönlü ışık saçılması arsa. Yön kosinüs bir fonksiyonu olarak yansıtma gösteren bir çizim penceresi görüntü penceresi (Şekil 4 'de R1) bitişik açılır.
      3. Varsayılan olarak, maksimum parlaklık yönünde (bir geçirgenliği yönde bir tyPical tüy ölçümü) 1 bir pozlama atanır. Azaltmak veya bir buçuk durağı (√ 2 x) artışlarla yansıma renk haritanın pozlama için artırmak.
      4. Döngü parlaklık, RGB ve kromatiklik arasındaki yansıma renk haritası (Şekil 4 'de, R1, R2, ve R3, bak). Aşağıdaki adımları RGB için.
      5. Küre döndürmek için hareket topunu arayüzü etkinleştirmek için üzerine tıklayın. Rotasyon neden arayüzü sürükleyin. Yansıma yarımkürede görüntülemek için, (Şekil 4 R2 bakınız) varsayılan konumuna küre dönmek. (Şekil 4 T2 bakınız) geçirgenliği yarımkürede görmek için varsayılan konumundan alanında 180 ° döndürün.
      6. Verilerin başka bir görünüm için, kendi parlaklık değerleri ile birim küre üzerinde her yönü yarıçapı ölçekli kutup arsa modunu seçin. RGB kromatiklik (P3 bak, F3, S3, Şekil 4 A3 için parlaklık ölçekli kürenin rengini haritayı değiştirmek
      7. Görüntünün aydınlatma yönü (Şekil 4) yönlü saçılma arsa kırmızı daire edilir. Bu yönden aydınlatılmış tüy imajını göstermek için başka bir olay aydınlatma yönde tıklayın.
      8. Azaltmak veya bölgeler üzerinde ortaya çıkarmak ve pozlanmış görüntünün artırmak.
      9. Ölçekler bir hiyerarşi boyunca yansıma araştırmak için, birim küre ve RGB renk haritası için arsa modu geri. Derlemede, bu arsa görüntü üzerinde seçilen dikdörtgen bölgesinden ortalama yönlü yansıma gösterir.
      10. Dikdörtgen gelen doğrusal (Şekil 3) için seçim türünü değiştirme. Bu dikdörtgen bölge tek tek ince ölçekli yapılardan yönlü yansıma çalışma sağlayacaktır.
      11. Referans için dikdörtgen ortalama korurken yeni bir pencerede doğrusal ortalama yansıma çizilir. Maruz kalma ve RGB set renk haritası ayarlayın.
      (Şekil 8) ışık yansıtacak şekilde görülmektedir. Soldaki resimde son derece yansıtıcı distal barballara görüntülemek için doğrusal arsa aydınlatma yönden birini seçin.
      12. Bu komşu rami gelen proksimal barballara şube tüy bölgesinde ulaşana kadar tüy ucuna doğru çizgi adım. Doğrusal ortalama arsa içinde proksimal barballara dikey yönde (Şekil 8) ışık yansıtacak şekilde görülmektedir. Soldaki resimde son derece yansıtıcı proksimal barballara görüntülemek için yönergeleri birini seçin.
      13. Doğrusal arsa, dikdörtgen arsa görülen uzak alan sinyali üretmek için bir araya yatay ve dikey yönde ışık yansıtan ince ölçekli yapıları gözlemlemek.

   2. Çoklu Kamera Tarifi (İkincil Rutin Dağınık Işık ölçünŞekil 1, s)

   Çoklu kamera görüntülerini ve düzgün olmayan yönlü örnekleme bize yönlü yansıma belirli özellikleri çalışma sağlar. Kalibrasyon adımları 2.A ve 2.B ilavesi ile, Protokol 1 birden fazla kamera görüntülerini işlemek için genişletilmiştir. Grafik Şekil 1'de İkincil rutin II.A ve II.B gösterildiği gibi iki özel örnek Adım 2.C ve aşağıda 2.L ileri ayarlanır. Bu gibi durumlarda, kamera yönü, bir nesnenin yüzeyi, normal eğimli bir yönde fotoğraflanır yani, kurallı yönünde (yüzeye dik), ikinci değişir. Görüntüler aynı koordinat sistemine eşlenmesi gerekir, biz düzeltmek ve örnek çevreleyen flaş-fotoğrafladı hedefleri (Şekil 9) başvurarak kanonik yönlendirmesine uyması için her fotoğraf çözgü.

   1. : Kamera Projeksiyon ve Konum kalibre
      Bu adımların amacı, kamera proj hesaplamak için olanection ve görüntü dönüşüm kullanılan konum.
      1. Montaj plakası üzerinde düz bir denetleyicisi desenli kalibrasyon hedefi klibi.
      2. Kanonik kamera görüntüsü (yani {θ, φ} = {0,0}) ve çeşitli diğer kamera görüntülerini anda birkaç görüntü kanonik görünümü merkezli bir 120 ° koni yayılmış az bir görüntü yakalayın.
      3. Bougeut Araç ^b, bir MATLAB kamera kalibrasyonu araç içine görüntüleri yükleyin. Kamera matrisleri yeniden görüntülerin her ızgara köşe ayıklayın. Içsel kamera projeksiyon matrisi (P) ve dışsal kamera konumu matriks (M) ihracat. Içsel kamera projeksiyon odak uzaklığı ve temel nokta oluşur. Dışsal kamera konumu öncelikle bir çeviri oluşan değil, kamera konumu için dünyanın kökeni çevirir.
      4. Portal pikap koordinatları (X), yani Bougue için kalibrasyon hedef koordinatları dönüşümleri matris için çözünportal alanı t alanı.
      5. Sökün saçtan denetleyicisi desen.
   2. Hedef Pozisyonlar ve Projeksiyon Ofsetleri kalibre:
      Bu adımların amacı, kalibrasyon uçağı, hedef uçağı ve örnek arasındaki uzaklıklar hesaplamak için, ve hedef pozisyonları tespit etmektir.
      1. Portal olarak kamera optik eksen yüzey düzlemine dik olacak şekilde koordine döndürmek, kanonik çerçeve yani.
      2. Flaş aydınlatma ile diyafram çevreleyen hedeflerin halka bir görüntü yakalayın. Bu görüntü uyum için meşru görüntüsüdür.
      3. Ham kamera çıkışı (Protokol adımları 1.E.3.a. ve 1.E.4 belirtildiği.) Işleyin.
      4. Hedef tanıma karıştırmayın olabilir sokak aynaya olayları ortadan kaldırarak, halka hedef bölge içinde ve dışında bölgede maske, sonra görüntüde hedefleri bulmak.
      5. Bir otlatma açısı için kamera döndürün ve bir görüntü yakalamak.
      6. Kanonik c hesaplayınamera (Mc = M * Rc) poz ve otlatma açılı kamera dış kamera adım 2.A.3 matris M dayalı (Mg = M * Rg) oluşturmaktadır. hangi Bougeut denetleyicisi desen konumunu esas çeviri içerir.
      7. Kağıt hedef halka kalınlığı tarafından çeviri mahsup M yeniden tanımlayın. Bougeut dama düzlemine ve kağıt hedef halka hedefleri, yani kalınlığı halka düzlemi arasındaki portal uzayda ofset, olmuştur kadar deneme yanılma (kalibrasyon uçağı için ofset farklı kullanarak M yeniden hesaplama) ile yineleme çözüldü. Kanonik görüntünün hedefleri üzerine otlatma açısı görüntüdeki hedefleri projeksiyonunu tarafından her tekrarında ofset doğrulayın.
      8. Hedeflerin halka uçak ve uçak o arasındaki portal alanda ofset kadar deneme yanılma ile kanonik görüntüdeki delikli nesne üzerine otlatma açısı resimde delikli nesne reproject bir önceki adım prosedürü takip M yeniden tanımlayınf delikli nesne, örneğin, metal plaka kalınlığı, çözüldü.
   3. Yedi olmayan düzgün Örneklenen Yansıtma Hemispheres (Şekil 1'de İkincil Rutin II.A) ölçün
      1. Yüzeye normal kamera görüntüsü ölçülen yansıyan ışığın yön dağılımı inceleyin, yani {θ, φ} = {0,0} olarak Protokol 1'de tarif. Daha yoğun olmayan aynaya daha seyrek yönleri ve ayna yönden kamera parlaklık kaydetmek için yansıma yarımkürede yeniden örneklemek.
      2. Düzgün yarım yarımkürede yayılmış 6 ek kamera yönde yansıma örnek aynı kuralları uygulamak, yani {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {60,45} , {60,90}, {60135}. İlk çalıştırma yansıması açısı ile birleştiğinde her görüntüleme yönünden 6 ek çalışır speküler bölgeleri tahmin.
      3. 7 üniform olmayan her biri içinly örneklenmiş hemisfer, 1.D adımda yönergeleri izleyerek ölçümleri elde etmek ve işlemek ve 1.E. Yukarıda.
      4. Görme adım 1.f. verilen talimatları yerine, 7 olmayan düzgün örneklenmiş hemisfer her tüy aynı bölgeden yönlü yansıma göz Yukarıda. Her bir parsel yerleştirilmesi onun kamera yönü (, aynı zamanda Şekil 5 Şekil 1'de rutin II.A en görsel sonuçları bakınız) dayalı bir polar koordinat sistemi, üzerindeki 7 kamera yönde her biri için yönlü yansıma araziler düzenleyin.
   4. Açısı (Şekil 1'de İkincil Rutin II.B) ile renk değişimi hakkında ayrıntılı bilgi elde etmek için ince-örneklenmiş yarım daire yolları ölçün
      1. Adım 2.C.1 açıklandığı gibi SimpleBrowser uygulama ve giriş kamera yön {θ, φ} = {0,0} ile homojen olmayan örneklenmiş yansıma yarımkürenin işlenmiş ölçümleri başlatın. Seçeneğini belirleyinResimdeki e piksel, daha sonra seçilen piksel pozisyonda yarım küre yansıma ve parlaklık 90. ​​yüzdelik bir uçak uygun.
      2. Ince örnekleri aynaya düzlemde aynaya yansıması bir 1D satın koşmak oluşturun. Bir önceki adımda tanımlanan düzlemde ½ ° yarım açı artışlarla portal kol açıları oluşturmak. Yarım açı eşit 0 ° ile başlayın ve 90 ° için yarım açı artar. Satın vadede Her ölçüm için, her kamera yönde speküler yönde yer alır, böylece yarım vektörü sabit ve normal yüzeyine eşit tutmak.
      3. 1.D adımda yönergeleri izleyerek ölçümleri Edinme ve işleme ve 1.E. Yukarıda.
      4. Adım 2.D.1 içinde aynaya uçak sığdırmak için kullanılan aynı piksel merkezli çok küçük bir bölge (örneğin 3x3 piksel) örnekleme ise görsel olarak, adım 1.f. verilen talimatları yerine 1D yönlü yansıma göz atın. Tepe yansıma, yani yönünü bulmakNormal gölgeleme. 3 ek bir toplama adımı 2.D.2 ile aynı şekilde. Çalışır inşa edin, ancak oldukça normal bir yüzeyinden daha normal bir gölgeleme için yarı vektör ayarlayın. 3 ek ishal, normal bir gölgelendirme içeren düzlemlerde kalan fakat adım 2.D.1 tanımlanan speküler düzlemine göre 45 ° döndürülmüş, 90 ° ve 135 ° olduğu portal kol açısı oluşturur.
      5. 1.D adımda yönergeleri izleyerek ölçümleri Edinme ve işleme ve 1.E. Yukarıda.
      6. Adım 2.D.1 içinde aynaya uçak sığdırmak için kullanılan piksel merkezli çok küçük bir bölge (örneğin 3x3 piksel) örnekleme ise görsel olarak, adım 1.f. verilen talimatları yerine 1D yönlü yansıma göz atın. SimpleBrowser ihracat ortalama bu çok küçük bir bölgenin parlaklık yansıtıyordu.
      7. MATLAB, bir kromatiklik diyagramı (Şekil 6) yarım açı bir fonksiyonu olarak kromatiklik arsa. Yarım açı bir fonksiyonu (<olarak renk, renk ve parlaklık arsastrong> Şekil 7).
      8. Dört 1D satın yukarıdaki gibi aynı dört düzlemde çalışır, ancak bu kez aynaya yansıma genişlik ve çürüme ölçmek için ışık ve kamera yönde yapılandırmak oluşturun. Sabit 10 ° için ışık ve kamera arasındaki yarı açısını ayarlamak. Düzlemine dikey ekseni etrafında 1 ° yarım vektör artışlarla portal kol açıları oluşturmak. -80 ° eşit yarım vektör ile başlar ve 0 ° gölgeleme Normal eşittir +80 °, için yarım vektör artırmak. Tüm kamera yönden aynaya yönde bulunmaktadır unutmayın.
      9. Adımları 1.D ki yönergeleri takip Edinme, süreç ve ihracat ölçümleri ve 1.E. ve 2.D.6. sırasıyla.
      10. MATLAB, yarı vektörü ve gölgelendirme normali arasındaki açının bir fonksiyonu olarak bir kromasiteye diyagram üzerindeki kromatiklik çizilir. Kendi renk, renk ve yarı-vektör ve normal gölgeleme arasındaki açının bir fonksiyonu olarak parlaklık çizilir.

      3. Projektif Dönüşüm

      Projektif kanonik görünümü veya yüzey düzlemine dik Bakış açısı her bir HDR görüntü dönüşümü. Bir ölçüm vadede bu Protokol 2 ana hatlarıyla ve grafik Şekil 1'de İkincil rutin olarak gösterilen örnek olarak birden fazla kamera yön seti, bir parçası olduğunda bu protokol Adım 1.E.3.b erişilir.

      1. Olmayan bir speküler yönünden aydınlatılmış bir kanonik görüntü okuyun. (Otlatma aynaya yönde anda kağıdın beyaz yüzey ve siyah mürekkep arasındaki azalmış kontrast algılama hatası hedef yol açabilir. Görüntünün netliğini karşılaştırın Şekil 9 A ve B.)
      2. Kanonik görüntüdeki her hedefin merkezine koordinatlarını bulun.
      3. Belirli bir lamba-kamera yönlü çift (Şekil 9 B) için kamera monte edilmiş flaş ile aydınlatılan hedef görüntü yükleyin.
      4. Kabaca traadım 2.B.7 içinde portal kamera matrisi M bilgisayarlı kullanarak kanonik kamera çerçeve içine hedef görüntü nsform.
      5. Dönüştürülmüş hedef görüntü (Şekil 9'da C) her hedefin merkezine koordinatlarını bulun.
      6. Görüntü ve referans hedefler arasındaki minimum mesafe bularak kanonik görüntüde referans hedef dönüştürülmüş hedef görüntüdeki her hedef maç.
      7. Otlatma açıları (Şekil 9'da D) serbestlik dereceli kaynaklanan bulanık hedef atın.
      8. Çözün 2B projektif haritalar görüntü aynı çerçeve içinde kanonik-görüntü hedeflere kanonik çerçevesinde hedef bir dönüşüm.
      9. Geri delikli nesne (adım 2.B.8 M.) Yerine hedefleri (2. adımda M uçağın uçak ile orijinal görüntü çerçevesine kanonik görüntü çerçeveden çarpık-için-uygun hedefler Untransform. B.7.).
      10. Delikli ob hedef görüntüdeki delikli nesne Haritayı hedef koordinat çiftleri kaydetkanonik hedef görüntüde ject.
      11. Lamba (Şekil 9 A) ile aydınlatılan HDR görüntü yükleyin.
      12. Kanonik çerçeve (Şekil 9 E) içine HDR görüntü dönüştürmek için bir mekansal projektif koordine kaydedilir hedeften dönüşümü çiftleri anlaması.
      13. Ana protokole dönün.

      ^Bir Dcraw David Tabut tarafından geliştirilen açık kaynak kodlu bilgisayar programıdır. Bu tip bir resim formatı için bir kameranın özel RAW formatlı görüntü (yani işlenmemiş CCD veri) dönüştürür. Bak http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraw / .

      ^b Bougeut Araç Jean-Yves Bougeut tarafından geliştirilen MATLAB için bir kamera kalibrasyonu araç kutusu. Bkz http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .

Representative Results

Bizim protokol birincil ölçümü (Şekil 1'de rutin I) yüzeye normal bir kamera yönü sabit ve sadece ışık taşındı. Karşılıklılık ilkesine ışık saçılması yapışır olduğundan, sonuç yarımkürede ya da tam tersi üzerinde ışık hareket ederken biz kamera sabit tutmak olsun aynıdır. Biz kamera veya ışık ya düzeltmek zaman, tam 4 boyutlu yön seti undersampled edilir. Saçılma davranış bir dolgun resim birincil ölçüm aksine, ışık ve kamera hem yüzey normal ve yön çokluğu uzak taşındığında, görülmektedir. İdeal olarak, simetrik bir veri seti elde etmek için, pek çok kamera yönden gelen ışığın yönde sayısı kadar bile çok ışık saçılması ölçebilir. Uygulamada, bu çok fazla maruz gerektirir. Bizim tecrübelerimize göre, kamera birkaç kez assu hareket ettirerek farklı görüntüleme konumları hakkında yeterli bilgi elde edebilirsinizming 180 yüzey Normal hakkında ° dönme simetrisi. Ikincil ölçüm aşamasında, biz yarımkürede üzerinde ve başucu ^18,19 (Şekil 1'de Rutin II.A) 60 ° içinde dağıtılan 7 görüntüleme yönden ölçümleri satın aldı.

Bu kağıt rakamlar, biz Lamprotornis purpureus (Mor Parlak Starling), yanardöner parlak ve anizotropik olduğu yansıma (Şekil 5) bir tüy ölçülen temsilcisi verileri gösterir. 7 bakış açıları her birinde, yansıyan ışık yarımkürede olay aydınlatma yönden yüzlerce toplanır. Yönergeleri tüy merkez ekseni (Şekil 4 tüy resim) dikey olarak odaklı bir dar bant oluşturur. {0 °, 0 ve de görüldüğü gibi tüy yüzeyine dik bakıldığında yanardönerlik renk kayması ince (normal durum da mavimsi-yeşil ve otlatma sıklığı da yeşilimsi-mavi) 'dirg; Şekil 5} RGB arsa. Görüş açısı yaklaşımlar otlatma gibi, görüntüleme yönü ve otlatma olay yönleri arasındaki açıları görüldüğü gibi daha çarpıcı bir renk kayması (mavimsi-yeşil olay ve görüş açılarında arasında 240 ° 0 ° ve kırmızı at) yol açan, maksimize edilir {60 °, 0 °} Şekil 5'te RGB arsa.

Biz 1 boyuta hareketlerini kısıtlamak zaman çok daha ince açısal çözünürlükte ışık ve kamera adım gelemez. Şekil 6 L. yansıma en kromatiklik gösterir olay ve görüntüleme yön distal barbule boyuna eksenine dik olan aynasal grup içeren düzleminde olay ve görüntüleme yön arasındaki açının bir fonksiyonu olarak purpureus tüyleri. Kromatiklik uzayda yanardöner renk yay gibi, renk mavimsi-yeşil mor geçer.

Mekansal değişken yönlü yansıma lenmesi görünür olduğu farklı (X, Y) kabuklarıyla farklı mili ölçekli yapılara karşılık koordinatları. L. durumda purpureus sadece bir yapı - distal barbule - bölgenin en üzerinde görülebilir. Buna karşılık, C. cupreus, üç mili ölçekli yapılar - rami barballara distal ve proksimal barballara - açıkça veri ayırt edilmiştir, biz tüy gelen bu yansıma gözlemleyebiliriz (Şekil 8), her yapının uzunlamasına eksenine göre yönlendirilmiştir .

Şekil 1. Bu şematik genel bakış iki montaj yöntemleri, küresel portal koordinat sistemi, satın alma numune alma ve kendi sonuçlarını türleri gösteriyor. / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg "target =" _blank "> büyük rakam görmek için buraya tıklayın.

Şekil 2. Basık tüy hedefleri bir halka ile çevrili bir metal plaka bir diyafram ile görülebilir. Bir küresel portal birden fazla olay aydınlatma ve görüş açılarında bir tüy ışık saçılması ölçmek için ortaya olabilir. L = Hafif kolu (enlem). C = Kamera kolu (enlem). B = Kamera Bankası (boylam). T = Turntable (boylam). F = Tüy.

Şekil 3,. Ortalama yönlü saçılma tüy kanatlı bir nokta, çizgi veya dikdörtgen bölgesinden bilgisayarlı olabilir.

p_upload/50254/50254fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg "/>
Şekil 4. Fonksiyonları komplo (R * = Yansıtma, T * = Geçirgenlik, P * = Üst, F * = Ön, S * = Side, A * = Keyfi) ve renk şemaları (* 1 = Işık, * 2 = RGB yönlü saçılma örneği , * 3 = Kromatik). büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 5,. Parlaklık (üstte) ve (yükseklik açısı, azimut açısı) koordinat çiftleri bakıldığında yönde kosinüs uzayda yarım küre yansıma RGB renk (alt): {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} ve {60 °, 135 °}. yansıma olduğunu Bir tertial L. yan kanadın bir 25 x 25 piksel dikdörtgen bölge ortalama purpureus (Mor Parlak Starling) tüy. Kırmızı oklar kamera yönleri temsil eder. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

6 Şekil. Olay aydınlatma ve görüş açılarında arasındaki yarı açısının bir fonksiyonu olarak yansıtma kromatiklik:. Büyütülmüş bölge ile CIE 1.976 Tekdüzen Kromatik Ölçekler (USC) büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

/ "Src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg "50254/50254fig7highres.jpg />
Şekil 7. Olay aydınlatma ve görüntüleme yön arasındaki açının bir fonksiyonu olarak, yansıtma, (kırmızı) ve dikey distal barbule bölgesinin (gölgeli) uzunlamasına eksenine düzlemi içinde: (A) hakim dalga boyunun, (B) Yüzde renk, (Cı ) Yüzde parlaklık. komplo renkli gölgelendirme bir yansıma en RGB renk olduğunu. Negatif dalga boyu değerleri olmayan spektral mor üçgeninde renklerini temsil eder. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Şekil 8. C. iki komşu rami arasında distal barballara ve proksimal barbulların Ortalama yönlü yansıma cupreus (AfRikolu Zümrüt Cuckoo).

9 Şekil. Portal lamba ile aydınlatılan (A) Sigara doğrultulmuş görüntü, fotoğraf makinesi flaş ile aydınlatılan (B) doğrultulmuş görüntü, (C) ilgin-dönüştürülmüş, flaş aydınlatmalı görüntü, derinliği içinde (D) Kimlikleri kabul edilebilir keskin hedeflere Filtre hedef aday alanı, (E) Rektifiye lamba aydınlatmalı görüntü, (F) Döndürülmüş tüy kırpılmış ve maskeli, yukarı ucu. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .

Discussion

Birçok pigment ve yapısal renklerin performans ve fonksiyon iyi tanınan olmasına rağmen, birçok integuments morfolojisi yapısal detay ve fonksiyon kötü ²⁰ anlaşılması çok karmaşık. Integuments diferansiyel izleyici doğru yönde ışık yansıtmak için organizmanın yüzeyi üzerinde mekansal farklılık uzmanlık geliştirdik. Yönü öncelikle biyolojik integument yanardönerlik içine rengini olay ve görüş açısı değişikliği ile vardiya, ve araştırma nedeniyle yanardönerlik çalışmada dikkat çekmiştir öncelikle 1D topladı ve bazı 2D ölçümler ^8,12,17 etti. Ama genel 6D ölçümleri yanardöner veya başka integuments ^21-23, çalışmada rutin olmamıştır, ve organizma renk fenotipleri ile ilgili literatürü bizim yöntem sağlar türü yönlü renk veri eksikliği sınırlıdır.

Tüy özellikle rrami, distal barballara ve proksimal barballara: milli ölçekli barb yapısı düzenlemeleri kapsayan ich deriye malzeme. Elemanları ve karmaşık düzenlemelerin küçük ölçekli zor bireyin elemanlarının ışık saçılması performansı ayırt yapmak. Bizim protokolü başarıyla makro ölçekli geometri etkisinden mili ölçekli yapı izole. Tüy uzak alan imza mili ölçekli yapıların yönlü ifade fonksiyonel sonuçları karakterize, biz kendi adaptif sonuçları soruşturma sağladı.

Biz spektral, uzaysal ve açısal çözünürlük arasında pratik ödünleşmeler karşı karşıya. Biz yüksek uzaysal, orta açısal ve çalışmalar için düşük spektral seçti. Diğer kombinasyonlar kullanılabilir, ancak unworkably uzun ölçüm kez bazı (örneğin tüm yüksek) kurşun olabilir. Çalışılan belirli olaylar için önemli olduğu dikkat odaklı olmalıdır. RGB ca istihdam seçimindeBir Bayer filtre mozaik ile mera, biz insan görme sisteminin maç için protokol tasarlanmıştır. RGB kamera yerini ve protokol herhangi bir organizma göreli renk uyarıcı ölçmek için adapte olabilir, UV spektrumu örneğin hassasiyet kuş tetra-renk renk ^24,25 ölçmek için gereklidir. Bir spektral kamera en genel çözümü ²⁵ sağlayacaktır.

Bu renkli ve kolay bir referans plaka karşı basık olduğu için biz tertial kanat tüyleri ile protokol gösterdi. Ne yazık ki, metal plakanın diyafram tüy yüzeyinin sadece bir kısmını ortaya çıkardı. Onun yansıma ²⁵ ölçüm yaparken biz aynı anda tüy yüzeyinin 3 boyutlu şeklini ölçmek olsaydı, biz tüy düzleştirme mekanik önlemek ve bunun yerine doğal, yassılaştırılmamış halde tüm tüy ölçebilir.

Görselleştirme veri için etkileşimli, özel, entegre araçlar substanti sağlamakal büyük veri hacimleri keşfetmek ve yorumlama bilim adamlarına yarar. Daha fazla entegrasyon ve etkileşim, veri daha kolay bağlantı görülmektedir. Bizim yazılım, kullanıcı etkileşimli yüzey pozisyonu (Şekil 4) bir fonksiyonu olarak ortalama yönlü saçılma çizebilirsiniz. Bizim yazılım daha da geliştirilmesi diğer komplo fonksiyonları (Şekil 6, 7) etkileşimli bir deneyim genişletmek için entegre olabilir.