Измерение пространственных и направлению изменяющейся рассеянию света из биологического материала

Общая цель этой процедуры состоит в том, чтобы измерить и визуализировать изменение направления света, рассеянного от структурно сложного материала на нескольких структурных масштабах, для контроля падающего света и направлений обзора. Поместите материал в центр сферического портала так, чтобы его лампа была установлена на одном кронштейне, а камера — на другом рычаге последовательно. Фотографируйте материал, систематически перемещая лампу через ряд дискретных положений на сфере, центрированной по материалу в программном обеспечении.

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 огней, рассеянных из выбранной области. Наконец, используйте данные для планирования дополнительных измерений с нескольких направлений камеры и с увеличенным угловым разрешением.

В конечном счете, этот метод помогает исследователям определить взаимосвязь между структурой организма и направленной визуальной сигнализацией. Основным преимуществом этого метода перед существующей геометрией рассеяния является наша программная способность визуализировать пространственные изменения направленного отражения от сложных материалов в нескольких биологически значимых масштабах. Несмотря на то, что мы сосредоточены на направленной сигнализации птиц и внешнем виде оперения, этот метод справедлив и для других оптических систем, демонстрирующих структурную иерархию масштаба.

В качестве первого шага в эксперименте приобретите тонкую монтажную пластину из феррисового металла с отверстием около полудюйма, окруженную кольцом мишеней. Положите изучаемое перо на заднюю часть тарелки. Центрируйте интересующую область над отверстием.

Далее положите лист магнитной пленки с отверстием аналогичного размера на заднюю сторону пера, чтобы прижать перо к пластине. Совместите отверстия пленки и пластины, стараясь не срезать перо. Это должно привести к тому, что перо должно представлять плоскую макроповерхность, примерно совпадающую с поверхностью пластины.

Для настройки портала. Начните с определения центра круглого отверстия в начале системы координат портала. Поместите источник света на внешний кронштейн портала.

Прицельтесь и узко сфокусируйте свет на перышке. Затем поместите камеру на внутреннюю руку портала. Регулируйте расстояние до камеры и фокусировку макрообъектива до тех пор, пока кольцо мишеней не заполнит ширину сенсора.

На этом этапе необходимо откалибровать портальные рычаги, а также настроить фокус камеры и экспозицию. Начните измерения с позиционирования оптической оси камеры перпендикулярно плоскости поверхности. Поместите источник света в первое из ряда положений, определяющих направления падающего света.

Позиции должны быть равномерно распределены на сфере, по центру пера в темной комнате. Для каждого положения света захватите необработанное изображение для каждого времени экспозиции в ранее определенном брекетинге экспозиции. Затем переместите свет в следующее положение и повторите.

После сбора данных начните обработку изображений для каждого инцидента. Направление света. Интегрируйте все экспозиции с низким динамическим диапазоном в одно цветное изображение с расширенным динамическим диапазоном.

Эти цветные изображения с широким динамическим диапазоном используются для создания данных для визуализации. Для просмотра данных процесса используется пользовательское простое браузерное приложение. Он открывается в окно, содержащее изображение пера, подсвеченного первым направлением падающего света.

Теперь выделите область перьевой жилки для анализа. Здесь прямоугольная область выбирается из доступных вариантов. Построение графика среднего направленного рассеяния света от выбранной области, Окно графика, показывающее отражательную способность в зависимости от направления.

Co-sign открывается рядом с окном изображения, настраивайте экспозицию цветовой карты. С помощью программного обеспечения можно циклически отображать цветовую карту отражения на единичной сфере между яркостью RGB и цветностью. Наш GB используется в следующих целях.

Чтобы повернуть сферу, нажмите на нее. Чтобы включить интерфейс трекбола, перетащите интерфейс, чтобы вызвать вращение. Чтобы просмотреть отражательную полусферу, верните сферу в исходное положение.

Поверните сферу на 180 градусов от положения по умолчанию. Чтобы просмотреть полусферу коэффициента пропускания для другого просмотра данных, выберите режим полярного графика, чтобы увидеть радиусы каждого направления на единичной сфере, масштабированные по соответствующим значениям яркости. Измените цветовую карту масштабируемой сферы яркости с RGB на chroma.

Направление освещения отображаемого изображения обведено красным цветом на графике направленного рассеяния. Щелкните по любому другому направлению падающего освещения, чтобы отобразить перо, подсвеченное с этого направления. Уменьшите экспозицию изображения, чтобы скорректировать передержку.

Чтобы исследовать отражательную способность в иерархии масштабов, вернитесь в режим графика к единичной сфере и используйте цветовую карту RGB. Измените тип выделения с прямоугольной области на линейную. Это позволит изучить отражательную способность от отдельных мелкомасштабных структур в прямоугольной области.

Постройте график отражения линейного среднего в новом окне, сохраняя прямоугольное среднее значение для справки. Здесь видно, как дистальные полосовые мули пера, охваченные линейной областью, отражают свет вдоль горизонтали. Выберите одно из направлений освещения на линейном графике, чтобы отобразить дистальных полосовых мулов с высокой отражающей способностью на изображении слева и исследовать соседнюю темную полосу.

Перемещайте линейное выделение до тех пор, пока оно не войдет в эту область в структуре пера. Именно здесь проксимальная ветвь ЭС от ветвей ветви на графике линейного среднего значения, видно, что проксимальные ЭС отражают свет вертикально. Выберите одно из направлений, чтобы отобразить проксимальные пары с высокой отражательной способностью на изображении слева.

Обратите внимание, что мелкомасштабные структуры, которые отражают свет по горизонтали и вертикали на линейном графике, объединяются, чтобы создать сигнал дальнего поля, видимый на прямоугольном графике. Рассмотрев основные шаги по измерению и визуализации направленного рассеяния света по иерархии масштаба, ниже описаны передовые методы калибровки камеры при подготовке к проведению экспериментов с нескольких направлений камеры с помощью зажима, установленного на перо, калибровочной мишени с шахматным рисунком, прижатой к монтажной пластине. Расположите камеру так, чтобы доступ к ней был перпендикулярен пластине.

Используйте любое освещение, достаточное для правильной экспозиции, чтобы сделать одно изображение. Сделайте снимки пластины для использования в наборе инструментов для калибровки камеры в matlab. Оказалось достаточно девяти изображений с камер в пределах конуса под углом 120 градусов, центрированного по перпендикулярной оси пластин

Как только это будет сделано, откалибруйте положение камеры, включая расстояние от Z до калибровочной цели. Далее снимите калибровочную мишень, обнажив кольцо мишеней, окружающих диафрагму. Используйте вспышку, установленную на камере, чтобы сделать два снимка целей: одно с направления, перпендикулярного плите, а второе — под углом наклона.

Эти два изображения будут использоваться для калибровки расстояния от камеры до целевого кольца и пера путем решения поступательных смещений T one и T two. Теперь, когда мы откалибровали камеру, мы можем измерить рассеяние света от нескольких направлений камеры, используя альтернативные шаблоны выборки. Для начала используйте простой браузер, чтобы открыть набор данных, содержащий разреженную сферу направлений падающего света и перпендикулярное направление камеры.

Посмотрите на направленное распределение света, отраженного от пера. На основе этого обзора уточните набор направлений падающего света, чтобы улучшить направленную выборку. Эти позиции должны плотно отбирать зеркальные направления и невековые направления. Редко.

Выберите шесть дополнительных направлений камеры, равномерно распределенных по половине полушария. Для каждого направления плотно отбирайте полусферу отражения для зеркальных направлений и разреженно для незеркальных направлений Для каждого направления падающего света в каждом полушарии. Сначала сфотографируйте кольцо мишени, окружающее перо, с помощью вспышки, установленной на камере.

Во-вторых, фотографируйте перо при каждой выдержке в кронштейне экспозиции. Затем интегрируйте экспозиции в цветное изображение с расширенным динамическим диапазоном. Грубо выпрямите освещенную вспышкой фотографию с помощью координат портала.

Затем найдите и используйте его целевые центры для точного проецирования HDR-изображения пера, как если бы оно было сфотографировано с перпендикулярного направления. После обработки используйте простой браузер, чтобы визуально просмотреть направленное отражение от той же области пера. В каждой из семи неоднородных выборочных полусфер расположите графики направленного отражения для каждого из направлений камеры На полярной системе координат, показанной на этом полярном графике, показано несколько измерений положения камеры, сделанных на пере фиолетового глянцевого скворца.

Красные стрелки обозначают направления камеры. Положение камеры на сфере показано на врезке. В каждом из направлений обзора отраженный свет собирается от сотен падающих направлений света.

Данные о цвете RGB показали, что перо радужно-радужное, меняя цвет от сине-зеленого при обычных инцидентах до пурпурного при выпасе. Этот метод может быть использован для исследований с более высоким угловым разрешением, когда падающее освещение и направления обзора камеры ограничены одним измерением. На врезке нанесена цветность отражательной способности как функция полуугла между направлением падения и направлением обзора.

Когда эти направления находятся в плоскости, перпендикулярной продольной оси дистальной полосы, по мере того, как радужный цвет проходит дугой через пространство цветности, оттенок меняется от сине-зеленого к фиолетовому. Здесь изображена доминирующая длина волны отражения в зависимости от угла между направлением падения и направлением обзора. Красная линия означает, когда два направления находятся на плоскости с продольной осью дистального стержня.

Затененная область предназначена для случаев, когда направления перпендикулярны этой оси. Цвет затенения — это цвет RGB отрицательной волны отражения. Значения длины представляют цвета в неспектральной области.

В дополнение к доминирующей длине волны существуют данные о проценте цветности и проценте яркости отражения в зависимости от угла между падающим и углом обзора. Опять же, красная линия соответствует моменту, когда направление падающего света и направление обзора находятся на плоскости с продольной осью дистальной полосы. Затененная область предназначена для случаев, когда направления перпендикулярны этой оси.

После освоения типичного измерения, с помощью этого метода можно получить и обработать его менее чем за 14 часов. Этот метод проложил путь исследователям в области орнитологии и компьютерной графики для изучения взаимосвязи между сложной морфологией оперения и направленными эффектами визуальной сигнализации птиц.