Måling rumligt og retningsbestemt-varierende lysspredning fra biologisk materiale

Summary

Vi præsenterer en ikke-destruktiv metode til prøveudtagning rumlig variation i retning af lys spredes fra strukturelt komplekse materialer. Ved at holde materialet intakt, bevare vi brutto-skala spredning adfærd, mens samtidig at opfange fine-skala retningsbestemte bidrag med høj opløsning billeddannelse. Resultaterne er visualiseret i software på biologisk relevante positioner og vægt.

Abstract

Lys vekselvirker med en organismes integument på en række rumlige skalaer. For eksempel i en iriserende fugl: nano-skala strukturer producerer farve, den milli-skala struktur modhager og bistråler stort set bestemmer den retningsbestemte mønster af reflekteret lys, og gennem makroniveau rumlig struktur overlappende, buede fjer, skabe disse retningsbestemte effekter den visuelle tekstur. Milli-skala og makroskala virkninger afgøre, hvor på organismen krop, og fra hvad synsvinkler og under hvilke belysning er de iriserende farver set. Således er meget retningsbestemt flash af strålende farver fra iriserende hals en kolibri utilstrækkeligt forklares ved dets nanoskala struktur alene og spørgsmål forbliver. Fra en given observation punkt, er som milli-skala elementer i fjer orienteret til reflektere kraftigt? Har nogle arter producerer bredere "vinduer" for observation af regnbuefarver end andre? Disse og lignende spørgsmål may blive spurgt om eventuelle organismer, der har udviklet en bestemt overflade udseende til signalering, camouflage, eller af andre grunde.

For at undersøge de retningsbestemte mønstre af lysspredning fra fjer, og deres forhold til fuglens milli-skala morfologi, har vi udviklet en protokol til måling af lys spredes fra biologiske materialer ved hjælp af mange højopløselige fotografier taget med varierende belysning og visning retninger. Da vi måler spredte lys som en funktion af retning, kan vi iagttage de karakteristiske træk i den retningsbestemte fordeling af lys spredes fra denne særlige fjer, og fordi modhager og bistråler løses i vores billeder, kan vi tydeligt tilskrive de retningsbestemte funktioner til disse forskellige milli-skala strukturer. Holde prøven intakt bevarer brutto-skalaen spredning adfærd ses i naturen. Den her beskrevne fremgangsmåde giver en generel protokol for analyse rumligt og retningsbestemt-vanemføre lysspredning fra komplekse biologiske materialer på flere strukturelle skalaer.

Introduction

Farven og mønster af en organismes integument spille økologisk og socialt kritiske funktioner i de fleste dyr taxa. Disse fænotypiske egenskaber bestemmes ved lysets vekselvirkning med strukturen af et integument, som kan udvise optisk spredning, der varierer både rumligt (på tværs af overfladen af et integument) og retningsbestemt (med ændringer i belysning og synsretningen). I komplekse biologiske materialer, såsom fjer, er retningen af ​​lysspredning påvirket af orienteringen af ​​gentagne milli-skala geometri. Disse milli-skala strukturer selv kan være integreret med nano-skala strukturer, såsom melanin arrays, som ofte arver milli-skalaen orientering. Fra nano-til makro-skalaer, er strukturen af ​​et integument udviklet funktionelt at øge signalering evne af organismen. For at vurdere indflydelsen af ​​morfologi af forskellige skalaer på det generelle udseende, værktøj tilmåle og analysere farven af ​​biologiske strukturer skal fleksibilitet til at isolere retningsbestemt lysspredning på forskellige skalaer af forstørrelse.

Vi udviklede image-baserede måleværktøjer at studere, hvordan udførelsen af ​​en fjer komplekse og varierede milli-skalaen morfologi (barb rami, distal bistråler og proksimale bistråler) udvider rækken af ​​udtrykket muligt fra nano-skala strukturer alene. I et enkelt billede optaget med kameraet, observerede vi, at lys reflekteres forskelligt på forskellige steder på overfladen af ​​fjer, dvs lysreflektion var rumligt varierende. Når vi flyttede lyset og kameraet retning i forhold til fjeren, observerede vi reflektans ændret sig, er, lysreflektion blev retningsbestemt-varierende ^1. Efter disse observationer, der er designet vi en protokol til metodisk flytte lyset og kameraet rundt på motivet med en sfærisk portalkran ^2,3, som vi fangede 2 dimensioner surface position (X og Y), 2 dimensioner lysets retning (breddegrad og længdegrad), og 2 dimensioner kameraets retning (breddegrad og længdegrad) (Figur 2). I software vi visuelt udforsket 6 dimensioner af det spredte lys som en funktion af positionen, belysning retning og visning retning.

Tidligere forskning i reflektans fra hinderne har alt for ofte diskonteret bidrag retningsfunktion - fx diffus vs spejlende eller isotropisk vs anisotropisk refleksion - til farve udtryk. De fleste farvemålinger har faste det indfaldende lys, objektet og visning geometri til omhyggeligt at undgå retningsbestemte effekter. For eksempel, for at eliminere spejlende refleksion fra farvemålinger er det almindeligt at placere lyset vinkelret på overfladen og optage reflektansen ved 45 ° fra det normale. Undersøgelser, der gør link morfologi til retningsbestemt-varierende reflektans typisk fokusere på nanoskalaog dens iriserende konsekvenser ^4-8. Få overveje bidrag mikro-, milli-og makro-skala geometrier til langt-området optisk signatur ^8-11. Det er derfor almindeligt at ansætte en lysdetektor at samle reflektans på tværs af et enkelt område af interesse, som kan omfatte flere milli-og / eller makroniveau komponenter, såsom barb rami, bistråler og endda hele fjer ^6,8,11-17 . Når området af interesse er enten mindre end opløsningen grænse for detektoren eller ikke i overensstemmelse med formen af detektorens synsfelt, den fælles protokol specificerer prøve dissektion at isolere lysspredningen fra den specifikke milli-skala element ^{8,10 , 13,15.}

Vi har udviklet en mere omfattende protokol for måling erhvervelse og visualisering, der tilskynder udforskning af de mange variabler ofte ignoreret i andre mere fokuserede studier. Vi måler lysspredning over en kugle med retninger og ACROSsa område af rummet ved hjælp af en massiv sæt af høj dynamikområde, højopløselige billeder taget fra en systematisk sæt af lys og visning retninger. Vi anvender en høj opløsning billedsensor med sin 2D-matrix af fine-skala pixel detektorer. Aggregering i hardware optræder på pixel-niveau, på en skala mindre end milli-skala elementer vi måler. En anden fase aggregater enkelte pixels i software som brugeren vælger formen og størrelsen af ​​regionen af ​​interesse. Følgelig kan en enkelt måling sæt gentagne gange analyseret i software til at udforske forskellige aspekter af lys vekselvirkning med materiale på flere biologisk relevante positioner og vægt. Ved at fjerne dissektion og måling af hele fjer, har vores protokol den fordel at forlade morfologi fjer vinge intakt, fastholde naturlig sammenhæng og funktion, der er, lysets vekselvirkninger mellem konstituerende milli-skala elementer.

Lysspredning fra organismal structure er flerdimensional og vanskelig at kvantificere. Målt 6D lysspredning kan endnu ikke tilskrives specifikke morfologi inden for et hierarki af skalaen med enhver ental instrument. Men vi har taget et vigtigt skridt i denne stræben. Vi har udviklet et værktøj, der omfatter tre komplementære metoder - prøvetagning reflectance bruger gantry, udforske store datamængder i software, og visualisere data delmængder grafisk - at udvide vores evne til at måle 6D lysspredning på ethvert punkt på et materiale, ned til milli-skalaen. Som protokoller som vores er ansat, forudser vi biologer vil identificere et utal af retningsbestemt-og rumligt varierende karaktertræk og tilsvarende strukturelle tilpasninger på flere skalaer af udvikling. Brug vores værktøjer vi er engageret i at karakterisere signalering potentiale retningsbestemt og rumlige udtryk for milli-skala strukturer, og håber at kaste lys på deres adaptive konsekvenser. Vi tage en række spørgsmål, såsom: fra eny given observation punkt, som fin-skala elementer eller brutto-skala regioner i fjeren afspejler kraftigt? Hvordan orienteringen af ​​fine-skala elementer påvirke retningen af ​​spredt lys? Hvilke morfologiske forhold producere et satinagtig glans vs en sequined gnist af iriserende ornament? Har nogle arter producerer bredere "vinduer" for observation af regnbuefarver end andre? Disse spørgsmål kan blive bedt om fugle og deres fjer, men også om alle andre organismer, der har udviklet en bestemt overflade udseende til signalering, camouflage, eller af andre grunde.

Protocol

Når du bruger vores metoder til at måle en prøve, skal forsøgslederen beslutte på et sæt kamera og lys retninger, og for hver kombination af kamera og lys retninger, gør kameraet flere eksponeringer med forskellige lukkertider. Flytte kameraet kræver yderligere behandling, fordi den ændrer visningen af ​​prøven som ses på billedet, så vi normalt bruge en lille antal af kamera retninger og et større antal lyskilder retninger.

I de detaljerede protokoller nedenfor, vi først beskrive, hvordan du udfører en måling med mange lyskilde retninger og et enkelt kamera retning, og hvordan at behandle og visualisere de resulterende data (Protokol 1). I den primære protokol, som kan bruges af sig selv, når en enkelt visning er tilstrækkelig til at overholde de undersøgte fænomener, vi altid holde kameraet visningen vinkelret på prøven (Primary Routine i figur 1). Når flere kamera retninger er påkrævet, atresulterende skrå udsigt over prøven kan være fordrejet at fortryde effekten af ​​at flytte kameraet og derved at tilpasse billederne præcist med den kanoniske vinkelrette view. At beregne disse slår, vi udføre yderligere kalibreringstrin, der bruger observationer af mål placeret omkring prøven til præcist at bestemme bevægelse af kameraet i forhold til prøven. Protokol 2 detaljer Denne kalibreringsmetode og forklarer, hvordan du vælger parametre og køre Protokol 1 flere gange for at indsamle data fra flere visninger (Sekundære Rutiner i figur 1). Endelig protokol 3, hvilke yderligere skridt, der skal indsættes i protokol nr. 1 for at rette op de skrå visninger under databehandling.

1.. Mål Spredt Lys i Retning af Surface Normal over Sphere of Incident Kørselsvejledning (Primary Routine i figur 1)

1. Forberede og Monter objekt, der skal måles
   1. Forbered en tynd jernholdige metaller monteringsplademed en ½ tommer åbning omgivet af en ring af mål (som set i figur 2).
   2. Forbered materiale, som skal måles. Hvis måling af en fjer, soignere modhager at korrigere for eventuelle udpakkede eller fejljusteret sektioner af pennaceous vinge.
   3. Lay overfladen af ​​objektet (forside ansigt fjer) mod bagsiden (modsat målring) af pladen.
   4. Center området af interesse over ½ tommer åbning i pladen.
   5. Lægge et ark af magnetisk film med en 5/8-inch åbning mod bagsiden af ​​genstanden (modsatte side af fjeren), og presser derved objektet fladt mod pladen.
   6. Juster åbningen af ​​filmen til åbningen af ​​pladen uden forskydning af overfladen. Den flade overflade, fastgjort omkring omkredsen af ​​den cirkulære åbning, giver en plan makro-overflade omtrent sammenfaldende med pladens overflade.
2. Konfigurer Gantry
   1. Findmidten af ​​den cirkulære åbning ved oprindelsen af ​​gantry koordinatsystem.
   2. Placer en lyskilde på gantry ydre arm. Sigt og snævert fokusere lyset på objektet, der sikrer, at blænden ensartet belyst for alle lyskilde vinkler.
   3. Anbring et kamera på gantry inderste arm. Justere kameraets afstand og brændvidde makroobjektiv indtil ringen af ​​mål fylder bredden af ​​sensoren.
   4. Kalibrer roterende bevægelser (θ, φ) i kameraet og lampen arme. Kalibrer hældningen (θ) med hensyn til objektets overflade normal så kameraet og lampen er afstemt med overfladen normal, når θ = 0. Kalibrer azimut (φ) i kameraet til azimut af lampen. Den absolutte azimutale orientering er ikke kritisk, da det optagne billeder kan roteres senere i protokollen.
3. Konfigurere kameraet fokusering og eksponering
   1. Rotate kameraet, indtil objektet er set fra et græsning vinkel. Mindsk f-tal for at minimere dybdeskarpheden (DOF) og derefter indstille fokus flyet i midten af ​​åbningen. Øg f-tal for at øge DOF indtil ringen af ​​mål omkring blænden er i fokus. Et kompromis mellem diffraktion og DOF-induceret sløring kan være påkrævet.
   2. Klip en farve standard fladt mod monteringspladen. For RGB-billeder bruger en Macbeth Color Checker. Til UV-synlig-NIR målingerne bruge Spectralon.
   3. Fotografere farven standard i RAW-format. Beregn farvekanallinjer multiplikatorer for hvidbalance billedet.
   4. Find eksponeringen beslag, der spænder over det dynamiske område af scenen under de mest ekstreme visning og belysning retninger.
   5. For hver eksponeringstid i beslaget, erhverve en mørk støj billede ved at udsætte sensoren med objektivdækslet på.
4. Anskaf Målinger fra en Tyndt stikprøven Sphere of Incident Kørselsvejledning
   1. Placer kameraet akse vinkelret på overfladen plan {θ, φ} = {0,0}.
   2. Trin lys gennem en række jævnt fordelte positioner på kuglen ved hjælp af en grov prøver (mindre end 500 point).
   3. For hver indfaldende lys retning i prøveudtagning:
   4. Optag en rå billede for hvert eksponeringstid i eksponeringen beslaget.
   5. Tage et enkelt billede belyst af kameraets blitz synkroniseret til en forholdsvis kort eksponeringstid at undertrykke gantry lygtelyset.
   6. Gå videre til næste indfaldende lys retning, og gentag.
5. Proces Målinger fra spredte, indsamlede Sphere
   1. Brug af debug (dokument) mode dcraw ^en at deaktivere sin demosaicing funktion, konverteres fra RAW format til gråtoner, 16-bit, lineær, PGM format:
      1. Hver mørke støjbelastning.
      2. Hver eksponering af objektet ved hver indfaldende lys retning.
      </ Ol>
      3. Integrere alle lave dynamikområde (LDR) gråskala engagementer i gantry lampe belysning i en enkelt high dynamic range (HDR) farvebillede for hver indfaldende lys retning.
         1. Fratræk den tilsvarende mørke støj billede fra hver LDR eksponering.
         2. Demosaic hver LDR eksponering til opnåelse af en en fjerdedel skala billede.
         3. Hvidbalance hver LDR eksponeringen ved hjælp af farvekanallinjer multiplikatorer beregnet i trin 1.C.3.
         4. Flet dark-støj-trækkes LDR eksponeringer i et enkelt HDR-billede ved at summere alle værdier på hver pixel position og dividere med summen af ​​engagementernes tider, udelade overeksponerede pixels fra begge beløb.
         5. Store HDR-billede i EXR format kodet i halv-float præcision og lossless wavelet (PIZ) komprimering.
      4. Hvis kameraet retningen ikke er den kanoniske retning eller måling løb er en del af en multipel kamera retning sæt (Sekundære rutiner i figur 1 and protokol 2):
         1. Konverter single LDR gråtoner eksponering af flash-illuminerede sporing mål for hver indfaldende lys retning til et Demosaiced, en fjerdedel skala LDR farvebillede i EXR-format.
         2. Følg protokol 3 til at bruge flash-belyste billede til Projektiv omdanne hver HDR lamp-belyste billede i den kanoniske view.
      5. Drej HDR-billeder i den ønskede retning - fx i vores tilfælde en 90 ° rotation orienterer rachis lodret og fjer spidsen opad.
      6. Beskære HDR-billeder stramt omkring den cirkulære blænde. Maskere mål og metal plade uden blænden reduceres filstørrelsen med op til 25%.
      7. Permutere data i det samlede sæt af HDR-billeder til at skabe et sæt af filer, en for hver af flere blokke i billedet, som indeholder alle de retningsbestemte reflektansværdier arrangeret af pixel. Disse retningsbestemte reflektans cachefiler er organiseret til at give hurtig adgang til etll de retningsbestemte farvemålinger på en enkelt pixel position 2D-projektion af 3D objekt.
   2. Visualiser rumligt varierende lysspredning Across et hierarki af Scale
      1. Hvis du vil gennemse målingerne, skal du bruge brugerdefinerede SimpleBrowser ansøgning til at fortolke de data, der behandles i trin 1.E. SimpleBrowser åbner til et vindue med billedet af fjer belyst af den første hændelse lysretning.
      2. På billedet af fjer vinge, kan de enkelte pixels eller grupper af pixels i lineære eller rektangulære ordninger valgt (Figur 3). Fortsætte ved at vælge et rektangulært område af fjer vinge til analyse. Derefter plotte gennemsnitlige retningsbestemt lysspredning fra det valgte område. Et plot vindue, der viser refleksionen som en funktion af retningsændringer cosines åbner støder op til billedet vinduet (R1 i figur 4).
      3. Som standard i retningen med maksimal luminans (en transmittans retning et tyPical fjer måling) tildeles en eksponering på 1. Øge eller mindske eksponeringen i et halvt stop (√ 2 x) trin for at justere eksponering af reflektans farvekort.
      4. Cycle reflektans farvekort mellem luminans, RGB-og chromaticiteten (Se R1, R2 og R3 i figur 4). For de følgende trin bruger RGB.
      5. Hvis du vil rotere kuglen, klik på det for at aktivere trackball interface. Træk grænsefladen til at forårsage rotation. For at se den reflektans halvkugle, returnerer kuglen til dens standard position (se R2 i figur 4). Drej kuglen 180 ° fra dens standard position til at se transmittansen halvkugle (se T2 i figur 4).
      6. For en anden visning af dataene, skal du vælge den polære plot tilstand for at skalere radier hver retning på enheden sfære af deres respektive luminansværdier. Ændre farven kortet af luminans skaleret kugle fra RGB til kromaticiteten (Se P3, F3, S3, A3 i figur 4
      7. Belysningen retning viste billede rød cirkel i den retningsbestemte scattering plot (Figur 4). Klik enhver anden hændelse lysretning at vise billedet af fjer belyses fra den retning.
      8. Øge eller reducere eksponeringen af ​​billedet til at afsløre over og undereksponerede områder.
      9. For at undersøge reflektans på tværs et hierarki af skalaer, gendanne plottet mode til enheden sfære og farven kortet til RGB. I gennemgang viser dette plot den gennemsnitlige retningsbestemt reflektans fra den valgte rektangulært område på billedet.
      10. Ændre valget typen fra rektangulære til lineære (Figur 3). Dette vil gøre det muligt undersøgelse af retningsbestemt reflektans fra de enkelte fine-skala strukturer i den rektangulære region.
      11. Plot reflektans for den lineære gennemsnit i et nyt vindue, samtidig med at den rektangulære gennemsnittet for reference. Juster eksponering og sæt farvekort til RGB.
      (figur 8). Vælg en af ​​belysning retninger i den lineære plot til at vise de meget reflekterende distale bistråler i billedet til venstre.
      12. Trin linjen mod spidsen af ​​fjer, indtil den når den region af fjer, hvor den proximale bistråler afgrening fra den tilstødende rami. I den lineære gennemsnitlige plot proximale bistråler ses at reflektere lys i retninger lodret (fig. 8). Vælg en af ​​de retninger for at vise meget reflekterende proksimale bistråler i billedet til venstre.
      13. I den lineære plot, observere fine-skala strukturer, der afspejler lys i retninger horisontale og vertikale kombineres for at producere den langt-området signal ses i rektangulære plot.

   2.. Mål Spredt Lys i flere Camera retninger (Secondary Routines i figur 1)

   Flere kamera synspunkter og uensartet retningsbestemt prøvetagning tillade os at undersøge bestemte funktioner i den retningsbestemte reflektans. Med tilføjelsen af ​​kalibrerings Steps 2.A og 2.B, er protokol 1 er blevet udvidet til at håndtere flere kamera synspunkter. To konkrete eksempler illustreret grafisk som sekundær Rutiner II.A og II.B i figur 1 er sat frem i trin 2.C og 2.D nedenfor. I sådanne tilfælde er kameraet retning ændret fra sin kanoniske retning (vinkelret på overfladen), hvilket betyder, at objektet fotograferet fra en retning skråtstillet fra dens overflade normal. Da billederne skal kortlægges i det samme koordinatsystem, vi rette op og få plastmaterialet hvert billede til at matche den kanoniske orientering ved at referere de flash-fotograferede mål omkring prøven (figur 9).

   1. Kalibrer Kamera Projection og Stilling:
      Formålet med disse foranstaltninger er at beregne kameraet projfdeling og position, der anvendes i billedet transformation.
      1. Klip en brik-mønstrede kalibreringsmål fladt mod monteringspladen.
      2. Capture et billede ad den kanoniske kamera visning (dvs. {θ, φ} = {0,0}) og flere billeder på forskellige andre kameravisninger spredt over en 120 ° kegle centreret om den kanoniske view.
      3. Indlæse billederne i bouguet Toolbox ^b, a Matlab kamerakalibrering toolkit. Uddrag gitteret hjørner i hver af de billeder at rekonstruere kameraets matricer. Eksporter iboende kamera projektion matrix (P) og den ydre kameraets position matrix (M). Den indre kamera projektion består af brændvidde og det primære. Den ydre kamera position er sammensat primært af en oversættelse, det oversætter oprindelsen af ​​verden til kameraet position.
      4. Løs for den matrix, der forvandler kalibrering for målgruppen koordinaterne gantry pladespiller koordinater (X), dvs Bouguet plads til gantry plads.
      5. Afklips skakmønsteret fra metalpladen.
   2. Kalibrer målpositioner og Projektion forskydninger:
      Formålet med disse foranstaltninger er at beregne forskydninger mellem kalibreringen flyet, målplanet, og prøven, og for at finde den målpositioner.
      1. Rotere kameraet i gantry koordinater således at den optiske akse er vinkelret på overfladen plan, dvs kanoniske ramme.
      2. Tage et billede af ringen af ​​mål omkring blænde med flash belysning. Dette er den kanoniske billede til billede justering.
      3. Behandle RAW kamera output (Protokol skitseret i trin 1.E.3.a. og 1.E.4.).
      4. Maskere regionen i og uden for ringen målzonen, fjerne omstrejfende spejlende højdepunkter, der kan forvirre target anerkendelse, så find målene i billedet.
      5. Drej kameraet til en græsning vinkel og tage et billede.
      6. Beregn kanoniske camera pose (Mc = M * Rc) og græsning vinkel kameraet pose (Mg = M * Rg) baseret på ydre kamera matricen M i trin 2.A.3. som omfatter en oversættelse baseret på positionen af ​​bouguet rudemønster.
      7. Omdefiner M ved modregning oversættelsen af ​​tykkelsen af ​​papiret target-ringen. Gentage ved trial and error (genberegne M hjælp af en anden forskydning for kalibrering plan) indtil forskydningen i gantry rummet mellem planet for bouguet skakbræt og planet af ringen af mål, dvs papirets tykkelse target-ringen, er blevet løst. Kontroller modregning i den enkelte iteration ved genprojicerer målene i græsning vinkel billedet på målene i den kanoniske billede.
      8. Omdefiner M efter fremgangsmåden i det foregående trin til genprojicere hullede objekt i græsning vinkel billede på den hullede objekt i den kanoniske billedet ved trial and error, indtil udlignet i gantry rummet mellem planet af ringen af ​​mål og flyet of det hullede objekt, dvs tykkelse af metalpladen, er blevet løst.
   3. Mål Syv Ikke-ensartet stikprøven Reflektansmålinger Hemispheres (Secondary Routine II.A i figur 1)
      1. Undersøg retningsbestemt fordeling af det reflekterede lys måles fra kameraet visningen vinkelret på overfladen, dvs {θ, φ} = {0,0} som beskrevet i protokol 1. Resample reflektans halvkugle for at optage kameraets udstråling fra ikke-spejlende retninger mere tyndt og spejlende retninger mere tæt.
      2. Anvende de samme kriterier til at prøve reflektans i 6 yderligere kamera retninger jævnt fordelt over et halvt halvkugle, dvs {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {60,45} , {60,90}, {60.135}. Forudsige den spejlende regioner i de 6 yderligere kørsler fra synsretningen af ​​hver kombineret med refleksion vinkel første kørsel.
      3. For hver af de 7 uensartetly stikprøven halvkugler, erhverve og bearbejde målinger følge instruktionerne i trin 1.D. og 1.E. ovenfor.
      4. Visuelt gennemse retningsbestemt reflektans fra samme region af fjer i hver af de 7 ikke-ensartet stikprøven halvkugler, at følge instruktionerne i trin 1.F. ovenfor. Arranger de retningsbestemte reflektanskarakteristika parceller for hver af de 7 kamera retninger på en polær koordinatsystem, hvor placeringen af hver plot er baseret på dens kamera retning (Se de visuelle resultater af Rutinemæssig II.A i figur 1; også figur 5).
   4. Mål fint stikprøven halvrunde stier til at erhverve detaljerede oplysninger om farveskift med vinkel (Secondary Routine II.B i figur 1)
      1. Start SimpleBrowser ansøgning og indtaste de forarbejdede målinger af ikke-ensartet samplet reflektans halvkugle med kameraet retning {θ, φ} = {0,0} som beskrevet i trin 2.C.1. Vælg dene pixel i billedet, så passer et fly til den 90. percentil af luminans den halvkugleformede reflektans ved den valgte pixel position.
      2. Konstruere en 1D erhvervelse køre som fint prøver spejlende reflektans i spejlende flyet. Generere gantry arm vinkler i ½ ° halv-vinkel forhøjelser planet defineret i det foregående trin. Starte med den halve vinkel lig med 0 ° og øge den halve vinkel til 90 °. For hver måling i købet løb, holde den halve vektoren konstant og lig med overfladen normalt, så at hvert kamera retning ligger i den spejlende retning.
      3. Anskaf og behandle målinger følge instruktionerne i trin 1.D. og 1.E. ovenfor.
      4. Visuelt gennemse 1D retningsbestemt reflektans følge instruktionerne i trin 1.F., mens du smager et meget lille område (f.eks 3x3 pixel) centreret på samme pixel bruges til at passe spejlende flyet i trin 2.D.1. Find retningen af top reflektans, dvsskygger normal. Construct 3 yderligere erhvervelse kører på samme måde som trin 2.D.2., Men indstille halv-vektoren til skygge normale snarere end overfladen normalt. For 3 yderligere kørsler, generere gantry arm vinkler, der ligger i planer, der indeholder skraveringen normale, men som er drejet 45 °, 90 °, og 135 ° med hensyn til den spejlende definerede plan i trin 2.D.1.
      5. Anskaf og behandle målinger følge instruktionerne i trin 1.D. og 1.E. ovenfor.
      6. Visuelt gennemse 1D retningsbestemt reflektans følge instruktionerne i trin 1.F., mens du smager et meget lille område (f.eks 3x3 pixel) centreret på pixel bruges til at passe spejlende flyet i trin 2.D.1. Eksport fra SimpleBrowser gennemsnittet reflekteret udstråling af denne meget lille område.
      7. I Matlab, plot kromaticiteten som en funktion af halv-vinkel på et kromaticitetsdiagrammet (figur 6). Plotte sin nuance, chroma, og luminans som en funktion af den halve vinkel (<strong> Figur 7).
      8. Construct fire mere 1D opkøb kører i de samme fire fly som ovenfor, men denne gang konfigurere lys og kamera retninger for at måle bredden og forfald af spejlende reflektans. Indstil den halve vinkel mellem lyset og kameraet til en konstant 10 °. Generere gantry arm vinkler i 1 ° halv-vektor trin omkring aksen vinkelret på planet. Starte med en halv-vektor lig med -80 ° og øge halve vektoren til +80 °, hvor 0 ° er lig skygge normale. Bemærk at ikke alle kamera retninger er placeret i den spejlende retning.
      9. Erhverve, proces og eksport målinger følge instruktionerne i trin 1.D. og 1.E. og 2.D.6. henholdsvis.
      10. I MATLAB, plotte dens kromaticitet på en kromaticitetsdiagrammet som en funktion af vinklen mellem halv-vektoren og skygge normale. Plotte sin nuance, chroma, og luminans som en funktion af vinklen mellem halv-vektoren og skygger normale.

      3.. Projektiv Transformation

      Projektiv omdanne hver HDR-billede i den kanoniske visning eller visningen retningen vinkelret på overfladen flyet. Denne protokol er adgang til ved trin 1.E.3.b når en måling run er en del af en multipel kamera retning sæt, såsom det fremgår af eksemplerne i protokol 2 og illustreret grafisk som sekundære Rutiner figur 1.

      1. Læs en kanonisk billede belyst fra en ikke-spejlende retning. (Ved græssende spejlende retninger formindsket kontrast mellem de hvide overflade af papir og sort blæk kan føre til måldetektering fiasko. Sammenlign klarheden af billedet A og B i figur 9).
      2. Find koordinaterne af centret af hvert mål i den kanoniske billedet.
      3. Indlæs målbilledet oplyst af kamera monteret flash til en given lampe-kamera retningsbestemt pair (B i figur 9).
      4. Groft transform målbilledet ind den kanoniske kamera ramme ved hjælp af gantry kamera matrix M beregnet i trin 2.B.7.
      5. Find koordinaterne af centret af hvert mål i den transformerede målbilledet (C i figur 9).
      6. Match hvert mål i den transformerede målbilledet til henvisningen mål i den kanoniske billede ved at finde den mindste afstand mellem billedet og referencemål.
      7. Kassér eventuelle slørede mål forårsaget af DOF på græssende vinkler (D i figur 9).
      8. Løs 2D projektive transformation der kortlægger billedet mål i den kanoniske ramme til kanonisk-image mål i den samme ramme.
      9. Untransform de forkvaklede til montering mål fra kanoniske billedramme tilbage til det oprindelige billede rammen gennem flyet af hullede genstand (M i trin 2.B.8.) Snarere end det plan af målene (M i trin 2. B.7.).
      10. Gem målet koordinatpar der kortlægger den hullede objekt i målbilledet til den hullede objekt i den kanoniske målbilledet.
      11. Indlæse HDR-billedet belyst af lampen (A i figur 9).
      12. Udlede en rumlig projektive forvandle fra gemte target koordinere parvis at omdanne HDR billedet i den kanoniske frame (E i figur 9).
      13. Vend tilbage til den vigtigste protokol.

      ^en Dcraw er en open-source computerprogram udviklet af David Coffin. Det konverterer et kamera proprietære RAW-formateret billede (dvs. uforarbejdede CCD data) til en standard billedformat. Se http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraw / .

      ^b bouguet Toolbox er et kamera kalibrering værktøjskasse til Matlab er udviklet af Jean-Yves bouguet. Se http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .

Representative Results

Den primære måling af vores protokol (Rutinemæssig I i figur 1) fastgjort kameraet retningen vinkelret på overfladen og kun flyttes lyset. Da lysspredningsmålinger klæber til princippet om gensidighed, er resultatet det samme, om vi holder kameraet konstant, mens du flytter lys over halvkugle eller vice versa. Når vi ordne enten kameraet eller lyset, bliver den komplette 4-dimensional retning sæt undersamplet. Et mere fuldstændigt billede af spredningen adfærd observeres når, i modsætning til den primære måling, er både lys og kamera bevæget sig væk fra overfladen normale og i en mangfoldighed af retninger. Ideelt kunne vi måle lysspredning fra mange kamera retninger, lige så mange som antallet af indfaldende lys retninger, til opnåelse af en symmetrisk datasæt. I praksis vil dette kræve alt for mange engagementer. Det er vores erfaring, kan vi få tilstrækkelige oplysninger om forskellige visning positioner ved at flytte kameraet et par gange høj grad af sikkerhedming 180 ° rotationssymmetri om overfladen normale. Under den sekundære måling fase købte vi målinger fra 7 synsretninger fordelt over halvkugle og inden for 60 ° af zenit ^18,19 (Rutinemæssig II.A i figur 1).

I tallene i dette papir viser vi repræsentative data målt fra en fjer i Lamprotornis purpureus (Purple Glossy Starling) refleksionstal som er iriserende, blankt og anisotropisk (figur 5). I hver af de 7 visning retninger, reflekteres lys indsamlet fra hundredvis af hændelsen belysning retninger på halvkugle. De retninger danner et smalt bånd ortogonalt orienteret til den centrale akse af fjer (se fjer billedet i figur 4). Den regnbuefarver farveskift er subtil (blågrønt ved normal forekomst og grønlig-blå ved strejfende indfald), når fjer ses vinkelret på dens overflade, som ses i {0 °, 0 & deg} RGB plot af figur 5. Da synsvinklen tilgange græsning, er vinklerne mellem visning retning og de græssende hændelsen retninger maksimeret, hvilket fører til en mere slående farveskift (blågrønne ved 0 ° og magenta ved 240 ° mellem hændelsen og visning retninger) som set i {60 °, 0 °} RGB plot i fig. 5.

Vi har råd til at træde lyset og kameraet ved meget finere kantede opløsning, når vi begrænser bevægelser til 1 dimension. Figur 6 viser kromatiske af refleksionstal L. purpureus fjerdragt som en funktion af vinklen mellem den indfaldende og synsretninger, hvor hændelsen og visning retninger er i planet indeholdende den spejlende bånd, som er vinkelret på den langsgående akse af den distale barbule. Da de iriserende farve buer gennem kromaticiteten plads, skifter nuance fra blålig-grøn til lilla.

Spatial vari tion i den retningsbestemte reflektans er synlig hvis forskellig (X, Y) koordinaterne Integument svarer til forskellige milli-skala strukturer. I tilfælde af L. purpureus kun én struktur - den distale barbule - er synlig over det meste af området. Derimod, i C. cupreus, tre milli-skala strukturer - de rami, distale bistråler og proksimale bistråler - der skelnes klart mellem de data, vi kan konstatere, at refleksionen fra fjeren er orienteret i forhold til længdeaksen af hver struktur (figur 8) .

Figur 1. Denne skematiske oversigt viser to monteringsmetoder, den sfæriske gantry koordinatsystem, typer af erhvervelse prøvetagning og deres respektive resultater. / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg "target =" _blank "> Klik her for at se større figur.

Figur 2. Den fladtrykte fjer er synligt gennem en åbning i en metalplade omgivet af en ring af mål. En sfærisk gantry kan blive stillet til at måle lysspredning fra en fjer på multipel hændelse belysning og synsretninger. L = Let arm (breddegrad). C = Camera arm (breddegrad). B = Camera Base (længde). T = Turntable (længde). F = Fjer.

Figur 3. Gennemsnitlig retningsbestemt spredning kan beregnes fra et punkt, linie eller rektangulære område af fjer vinge.

p_upload/50254/50254fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg "/>
Figur 4.. Eksempel på retningsbestemt scattering plotte funktioner (R * = Reflectance, T * = transmittans, P * = Top, F * = Front, S * = Side, A * = Vilkårlig) og farve ordninger (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). Klik her for at se større figur .

Figur 5. Den luminans (øverst) og RGB-farve (bunden) af halvkugleformede reflektans i retning cosinus rummet som set fra de (elevation vinkel azimutvinkel) koordinatpar: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, og {60 °, 135 °}. reflektansen gennemsnit fra en 25 × 25 pixel rektangulært område af den laterale vinge af en tertial L. purpureus (Purple Glossy Starling) fjer. De røde pile repræsenterer kamera retninger. Klik her for at se større figur .

Figur 6.. Kromaticiteten af refleksionen som en funktion af den halve vinkel mellem hændelsen belysning og visning retninger:. CIE 1976 Ensartede kromaticitet Vægte (USC) med forstørret region Klik her for at se større figur .

/ 50254/50254fig7highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg "/>
Figur 7. Reflektans som en funktion af vinklen mellem den indfaldende belysning og synsretninger, i planet med (rød) og vinkelret på (skraveret) længdeakse den distale barbule: (A) Dominerende bølgelængde, (B) Procent Chroma, (C ) Procent luminans. Farven skygge i plot A er RGB farve reflektans. Negative bølgelængde værdier repræsenterer farver i non-spektrale lilla trekant. Klik her for at se større figur .

Figur 8. Gennemsnitlig retningsbestemt reflektans distale bistråler og proximale bistråler mellem to tilstødende rami af C. cupreus (AfRica Emerald Cuckoo).

Figur 9. (A) Ikke-rektificeret billede belyst af gantry lampe, (b) ikke-rektificeret billede belyst af flash på kameraet, (C) Filtreret mål kandidater på affine-transformerede, flash-belyst billede, (D) velbehageligt skarpe mål inden dybde felt, (E) Rektificeret lampe-belyst billede, (F) roteret fjer tippe op, beskåret og maskerede. Klik her for at se større figur .

Discussion

Selvom ydeevne og funktion af mange pigmentglaukom og strukturelle colorations godt anerkendes, morfologi mange hinderne er så komplekst, at deres strukturelle detaljer og funktion er dårligt forstået ^20.. Hinderne har udviklet specialiseringer, som varierer rumligt over overfladen af ​​organismen til differentielt reflektere lys retningsbestemt ind imod seeren. Direktionalitet har fået opmærksomhed primært i studiet af regnbuefarver på grund af sin farveskift med skift af hændelsen og betragtningsvinkel og forskning i regnbuefarver af biologisk Integument har høstet primært 1D og nogle 2D målinger ^8,12,17. Men generaliserede 6D målinger har ikke været rutine i studiet af hinderne ^21-23, iriserende eller på anden måde, og litteraturen om organismal farve fænotyper er begrænset af manglen på retningsbestemte farvedata af typen vores metode giver.

Fjeren er et særligt rich integumentary materiale omfattende arrangementer af milli-skala struktur barb: rami, distale bistråler og proksimale bistråler. Den lille skala af elementerne og deres komplekse arrangementer gør det vanskeligt at skelne lysspredningen udførelsen af ​​de enkelte elementer. Vores protokol held isoleret milli-skala struktur fra indflydelse af makro-skala geometri. Ved at karakterisere de funktionelle konsekvenser af den retningsbestemte udtryk for milli-skala strukturer til langt-området underskrift fjer aktiveret vi undersøgelse i deres adaptive konsekvenser.

Vi står over for praktiske kompromiser mellem spektrale, rumlige og kantede opløsning. Vi valgte høj rumlig, middel kantet og lav spektrale for vores studier. Andre kombinationer kan anvendes, men nogle (fx alle høj) fører til unworkably lange måletidspunkter. Bør der lægges vægt hvor det er vigtigt for de særlige undersøgte fænomener. Ved at vælge at ansætte en RGB camera med en Bayer filter mosaik, har vi designet vores protokol til at matche det menneskelige visuelle system. RGB kamera kunne erstattes og vores protokol indrettet til at måle den relative farve stimulus af enhver organisme, er f.eks følsomhed i UV-spektret er nødvendig for at måle aviær tetra-kromatisk farve ^24,25. En spektral billeddannelse kamera ville give den mest almindelige opløsning ^25.

Vi viste vores protokol med tertial vingefjer da de er farverige og let fladtrykt mod en reference plade. Desværre åbningen af ​​metalpladen afslørede kun en brøkdel af fjer overflade. Hvis vi samtidig kunne måle 3D-form fjer overflade, mens måle dens reflektans ^25, kunne vi undgå mekanisk udfladning fjeren og i stedet måle hele fjer i sin naturlige, udfladet tilstand.

Interaktive, specialiserede, integrerede værktøjer til visualisering data giver substantial gavn for forskere udforske og fortolke store datamængder. Jo større integration og interaktivitet, er de lettere forbindelser i de data, overholdes. I vores software, kan en bruger interaktivt plot gennemsnitlig retningsbestemt spredning som en funktion af overflade (Figur 4). Videreudvikling af vores software kunne integrere andre plotte funktioner (figur 6, 7) for at udvide den interaktive oplevelse.