מדידת מרחבית ופיזור אור directionally-משתנה מחומר ביולוגי

Summary

אנו מציגים שיטה בלתי הרסנית לדגימת וריאציה המרחבית בכיוון של אור מפוזר מחומרים מורכבים מבחינה מבנית. על ידי שמירה על את החומר בשלמותה, אנו משמרים התנהגות פיזור גולמית בקנה מידה, בעת לכידה מקביל תרומות כיוונית משובחת בקנה מידה עם הדמיה ברזולוציה גבוהה. תוצאות הם דמיינו בתוכנה בעמדות וקשקשת ביולוגית רלוונטיים.

Abstract

אור מקיים אינטראקציה עם integument של האורגניזם על מגוון רחב של קני מידה מרחביים. לדוגמה בציפור ססגונית: מבנים בקנה מידה ננו לייצר צבע; מבנה מילי בקנה המידה של עקיצות וbarbules קובע במידה רבה את הדפוס כיוונית של אור מוחזר, ובאמצעות המבנה המרחבי מאקרו בקנה המידה של חפיפה, נוצות מעוגלות, השפעות יווניות אלה יוצרים המרקם החזותי. תופעות בקנה מידה מילי ומאקרו בהיקף לקבוע היכן בגופו של האורגניזם, וממה שנקודתי מבט ובאילו תאורה, הצבעים הססגוניים נראים. לפיכך, הבזק כיוונית גבוהה של צבע מבריק מהגרון הססגוני של יונק דבש מוסבר כראוי על ידי המבנה בקנה מידה ננו לבד ונותרו שאלות. מנקודת תצפית נתון, בו אלמנטי מילי בקנה מידה של הנוצה מכוונים כדי לשקף בתוקף? האם מינים מסוימים לייצר "חלונות" רחבה יותר לתצפית של זוהר יותר מאחרים? מ 'שאלות אלה ודומותאיי להישאל על כל יצורים שהתפתחו משטח מראה מיוחד לאיתות, הסוואה, או סיבות אחרות.

על מנת ללמוד את הדפוסים כיוונית של פיזור אור מהנוצות, ומערכת היחסים שלהם למורפולוגיה מילי בקנה המידה של ציפור, פיתחנו פרוטוקול למדידת האור מפוזר מחומרים ביולוגיים באמצעות תמונות ברזולוציה גבוהה בהרבה שצולמו בתאורה שונה והצגת כיוונים. מכיוון שאנו מודדים את האור מפוזר כפונקציה של כיוון, אנחנו יכולים לבחון את התכונות האופייניות בהתפלגות כיוונית של האור מפוזר מנוצה מסוימת, ובגלל העקיצות וbarbules נפתרות בתמונות שלנו, אנו יכולים לייחס באופן ברור את התכונות שונות כיוונית לאלה מבני מילי בקנה מידה. שמירת הדגימה שלמה משמרת את התנהגות הפיזור גולמית בקנה המידה ראתה בטבע. השיטה המתוארת כאן מציגה פרוטוקול כללי לניתוח מרחבית וdirectionally-VArying פיזור אור מחומרים ביולוגיים מורכבים בקני מידה מבניים מרובים.

Introduction

צבע הדפוס של integument של האורגניזם לשחק מבחינה אקולוגית ופונקציות חברתיות קריטיות ברוב מיני בעלי חיים. מאפיינים פנוטיפי אלו נקבעים על ידי האינטראקציה של אור עם המבנה של integument, שיכול להציג פיזור אופטי שמשתנה במרחב (על פני השטח של integument) וdirectionally (עם שינוי בתאורה וצפייה בכיוון). בחומרים ביולוגיים מורכבים, כגון נוצות, הכיוון של פיזור אור מושפע מנטייה לחזור על גיאומטריה מילי בקנה מידה. אלו מבנים בקנה מידת מילי עצמם עשויים להיות מוטבעים במבנים בקנה מידה ננו, כגון מערכי מלנין, אשר לעתים קרובות יורשים את כיוון מילי בקנה המידה. מננו למקרו קשקשים, מבנה integument התפתח תפקודי כדי להגדיל את יכולת האיתות של האורגניזם. על מנת להעריך את ההשפעה של המורפולוגיה של קני מידה שונות על המראה הכללי, כלים ללמדוד ולנתח את הצבע של מבנים ביולוגיים זקוקים לגמישות כדי לבודד פיזור אור כיוונית בקני מידה שונים של הגדלה.

פיתחנו כלי מדידה המבוסס על תמונה כדי ללמוד איך ביצועים של מורפולוגיה מילי בקנה המידה המורכבת ומגוון של נוצה (רמי עקיצה, barbules דיסטלי, וbarbules פרוקסימלי) מרחיב את מגוון ביטוי האפשר ממבנים בקנה מידה ננו בלבד. בתמונה אחת נרשמה על ידי המצלמה, שמנו לב שאור מוחזר באופן שונה במקומות שונים על פני השטח של הנוצה, כלומר, החזר האור היה מרחבית-משתנה. כשעברנו את האור ומצלמה כיוון ביחס לנוצה, צפו ההחזרה השתנתה, כלומר, החזר האור ^{directionally-1} משתנה. בעקבות תצפיות אלה, עיצבנו פרוטוקול באופן שיטתי להעביר את האור והמצלמה סביב הנושא באמצעות ^2,3 gantry כדורי, שבה אנו נתפסו 2 ממדים של suעמדת rface (X ו-Y), 2 ממדים של כיוון אור (קווי אורך ורוחב), וממדים של 2 כיוון מצלמה (קווי אורך ורוחב) (איור 2). בתוכנה אנחנו חזותי חקרנו את 6 ממדים של האור המפוזר כפונקציה של מיקום, כיוון תאורה וכיוון מבט.

מחקר קודם להחזרה מנעשתה עור יש מהוון לעתים קרובות מדי את התרומה של כיווניות - למשל השתקפות מפוזרת לעומת specular או איזוטרופית לעומת אניסוטרופי - לביטוי צבע. רוב מדידות צבע קבועות לאור האירוע, אובייקט, וגיאומטריה צפייה בזהירות כדי להימנע מהשפעות יווניות. לדוגמה, כדי לחסל את השתקפות השתקפות ממדידות צבע, מקובל למקם את האור הרגיל אל פני השטח ולהקליט את ההחזרה ב 45 מעלות מרגילות. מחקרים שעושים את מורפולוגיה קישור להחזרת directionally משתנה, בדרך כלל להתמקד בקנה מידת ננווהשלכותיה הססגוניות ^4-8. מעטים רואים את התרומה של מיקרו, מילים, וגיאומטריות מאקרו בקנה מידה לחתימת ^8-11 מרחיק תחום האופטי. לכן זה נפוץ להעסיק גלאי אור להחזרת מצטבר על פני שטח אחד של ריבית שעשויה לכלול רכיבי האלפית ו / או מאקרו בקנה מידה מרובים, כגון רמי עקיצה, barbules, ואפילו נוצות שלמות ^6,8,11-17 . כאשר האזור של עניין הוא גם קטן יותר מגבול הרזולוציה של הגלאי או לא להתאים את הצורה של השדה של הגלאי של נוף, הפרוטוקול הנפוץ מציין נתיחת דגימה כדי לבודד את פיזור האור מאלמנט מילי בקנה המידה הספציפי ^{8,10 , 13,15.}

פיתחנו פרוטוקול מקיף יותר לרכישת מדידה והדמיה שמעודדת את החקירה של משתנים הרבים מתעלמים לעתים קרובות במחקרים ממוקדים יותר אחרים. אנו מודדים את פיזור אור על תחום והכיוונים acrosאזור sa של החלל באמצעות מערך מסיבי של טווח דינמי גבוה, תמונות ברזולוציה גבוהה שנלקחו ממערכת שיטתית של אור וכיווני צפייה. אנו מעסיקים חיישן הדמיה ברזולוציה גבוהה עם מערך 2D של גלאי פיקסל קנס בקנה מידה. צבירה בחומרה מתרחשת בפיקסל ברמה, בקנה מידה קטן יותר מאלמנטי מילי בקנה המידה שאנחנו המדידה. שנייה פיקסלים בודדות אגרגטים הבמה בתוכנה כמשתמש בוחרים את הצורה והגודל של האזור של עניין. בהתאם לכך, ערכת מדידה אחת ניתן לנתח שוב ושוב בתוכנה כדי לחקור היבטים של אינטראקציה אור שונים עם חומר בעמדות ביולוגית רלוונטיות מרובות וקשקשת. על ידי ביטול נתיחה ומדידה כל הנוצה, יש הפרוטוקול שלנו את היתרון של עוזב את המורפולוגיה של שבשבת הנוצה בשלמותה, שמירה על הקשר ותפקוד כלומר, האינטראקציות של האור בין אלמנטים המרכיבים את מילי בקנה המידה טבעיים.

פיזור אור משל האורגניזםtructure הוא רב ממדי וקשה לכמת. נמדד פיזור אור 6 ד 'לא יכול עדיין להיות מיוחס למורפולוגיה מסוימת בתוך היררכיה של קנה מידה עם כל מכשיר מיוחד במינו. אבל עשינו צעד חשוב במרדף הזה. פיתחנו כלי המקיף את שלוש שיטות משלימות - החזר דגימה באמצעות gantry, לחקור כמויות נתונים גדולות בתוכנה, באופן חזותי נתונים בצורה גרפית תת - להרחיב את יכולתנו למדוד את פיזור אור 6 ד 'בכל נקודה על חומר, עד מילי בקנה מידה. כפרוטוקולים כמו שלנו מועסקים, אנו צופים ביולוגים יהיו לזהות מספר עצום של תכונות directionally ומרחבית, משתנות והתאמות מבניות מתאימות בקני מידה שונים של פיתוח. שימוש בכלים שלנו שאנחנו עוסקים באפיון פוטנציאל האיתות של הביטוי כיוונית והמרחבית של מבני מילי בקנה מידה, ואני מקווים לשפוך אור על השלכות ההסתגלות שלהם. אנחנו עוסקים במגוון של שאלות, כגון: מy נתון נקודת תצפית, שאלמנטים משובחים בקנה מידה או באזורי ברוטו בקנה מידה של הנוצה משקפים בחום? איך את הכיוון של האלמנטים עדינים בקנה המידה להשפיע על הכיוון של אור מפוזר? מה תנאים מורפולוגיים לייצר הסטן מבריק לעומת נצנצים ניצוץ של הקישוט הססגוני? האם מינים מסוימים לייצר "חלונות" רחבה יותר לתצפית של זוהר יותר מאחרים? שאלות אלה עשויות להישאל על ציפורים והנוצות שלהם, אלא גם על כל יצורים אחרים שהתפתחו משטח מראה מיוחד לאיתות, הסוואה, או סיבות אחרות.

Protocol

בעת השימוש בשיטות שלנו כדי למדוד את מדגם, הנסיין צריך להחליט על סט של מצלמה וכיווני אור, ועבור כל שילוב של כיווני מצלמה ואור, המצלמה עושה כמה חשיפות עם מהירויות תריס שונות. הזזת המצלמה דורשת עיבוד נוסף, משום שהיא משנה את התצוגה של המדגם כפי שניתן לראות בתמונה, כך שאנחנו בדרך כלל משתמשים במספר קטן של כיווני מצלמה ומספר גדול יותר של כיווני מקור אור.

בפרוטוקולים המפורטים להלן, עלינו תחילה יתארו כיצד לבצע מדידה עם הרבה כיווני מקור אור ומצלמה לכיוון אחד, ואיך לעבד ולהמחיש את תוצאת נתונים (פרוטוקול 1). בפרוטוקול הראשוני, אשר יכול להיות בשימוש על ידי עצמו, כאשר צפה באחת מספיק כדי לבחון את התופעות נחקרות, אנחנו תמיד לשמור בניצב לתצוגת המצלמה המדגם (שגרתי עיקרי באיור 1). כאשר כיווני מצלמה מרובים נדרשים,כתוצאה צפיות אלכסוניות של המדגם יכולה להיות מעוותת כדי לבטל את ההשפעות של הזזת המצלמה ובכך ליישר את התמונות בדיוק עם השקפת ניצב הקנונית. כדי לחשב את פיתולי הללו, אנו מבצעים את הפעולות כיול נוספות המשתמשות בתצפיות על יעדים להציב סביב המדגם כדי לקבוע את התנועה של המצלמה ביחס למדגם באופן מדויק. פרטי פרוטוקול 2 הליך הכיול הזה ומסביר כיצד לבחור פרמטרים ולהפעיל 1 פרוטוקול מספר פעמים על מנת לאסוף נתונים מתצוגות מרובות (שגרות שתיים באיור 1). לבסוף, פרוטוקול 3 פרטים את צעדים נוספים שחייבים להיות מוכנס לתוך 1 פרוטוקול כדי לתקן את העמדה אלכסונית במהלך עיבוד הנתונים.

1. למדוד אור מפוזר בכיוון של המשטח רגיל על פני הכדור של יווני אירוע (שגרה העיקרית באיור 1)

1. להכין והר האובייקט כדי להימדד
   1. הכן צלחת מתכת ברזל דקה הרכבהעם צמצם ½ אינץ' מוקף בטבעת של מטרות (כפי שניתן לראות באיור 2).
   2. להכין את החומר כדי להימדד. אם מדידת נוצה, חתן את העקיצות לתיקון לסעיפים רכוסים או מתואמים של כל שבשבת pennaceous.
   3. הנח את פני השטח של האובייקט (פנים קדמיים של הנוצה) על הצד האחורי (מול טבעת היעד) של הצלחת.
   4. מרכז באזור של עניין על צמצם ½ אינץ' בצלחת.
   5. הנח גיליון של סרט מגנטי עם צמצם 5/8-inch כנגד הצד האחורי של האובייקט (פנים הפוך של הנוצה), ובכך לחיצה על האובייקט השטוח נגד הצלחת.
   6. יישר את הצמצם של הסרט לצמצם של הצלחת בלי גז על פני השטח. פני השטח שטוחים, הצמידו סביב ההיקף של הפתח העגול, מניב מישורי המאקרו משטח חופף בערך עם פני השטח של הצלחת.
2. הגדר את Gantry
   1. אתרמרכז הצמצם המעגלי במקור של מערכת קואורדינטות gantry.
   2. הנח מקור אור על הזרוע החיצונית gantry. לכוון וצר למקד את האור על האובייקט, על מנת להבטיח שהצמצם מואר באופן אחיד לכל כיווני מקור האור.
   3. מניחים מצלמה על החלק הפנימי של יד gantry. התאם את מרחק המצלמה ואורך המוקד של עדשת מאקרו עד הטבעת של מטרות ממלאת את הרוחב של החיישן.
   4. לכייל את התנועות הסיבוביות (θ, φ) של זרועות מנורה והמצלמה. כייל את הנטייה (θ) ביחס לשטח של האובייקט הרגיל, כך שהמצלמה והמנורה מיושרות עם המשטח נורמלי כאשר θ = 0. כייל את אזימוט (φ) של המצלמה לאזימוט של המנורה. הנטייה azimuthal המוחלטת היא לא קריטית שכן את התמונות שנתפסו ניתן לסובב מאוחר יותר בפרוטוקול.
3. הגדר את פוקוס המצלמה והחשיפה
   1. לוח תורנויותטה את המצלמה עד שהאובייקט נתפס בזווית מרעה. להקטין את המספר-F כדי לצמצם את עומק השדה (עומק שדה), ואז להגדיר את מטוס ההתמקדות במרכזו של הצמצם. הגדל את המספר-F כדי להגדיל את עומק השדה עד לטבעת של מטרות המקיפות את הצמצם היא בפוקוס. ייתכן שתהיה צורך פשרה בין עקיפה ולטשטש עומק שדה מושרה.
   2. קליפ סטנדרטי שטוח על צלחת ההרכבה צבע. לתמונות RGB להשתמש בודק צבע מקבת. למדידות קרינה UV-גלוי ניר להשתמש Spectralon.
   3. לצלם את הצבע הסטנדרטי בפורמט RAW. לחשב את מכפילי ערוץ הצבע לבן לאיזון התמונה.
   4. מצא את מסגרת החשיפה שמשתרעת על פני הטווח הדינמי של הסצנה תחת הצפייה הקיצונית ביותר וכיווני תאורה.
   5. עבור כל זמן חשיפה בסוגר, לרכוש תמונה כהה רעש על ידי חשיפת החיישן עם מכסה העדשה ב.
4. לרכוש מדידות מכדור שנדגמו בדלילות של יווני תקרית
   1. מקם את ציר המצלמה הרגיל למשטח מטוס {θ, φ} = {0,0}.
   2. צעד של האור דרך שורה של תפקידים מפוזרים באופן אחיד בתחום, באמצעות דגימה גסה (למשל פחות מ -500 נקודות).
   3. לכל כיוון אור תקרית בדגימה:
   4. לכידת תמונת גלם עבור כל זמן חשיפה במדרגת החשיפה.
   5. ללכוד תמונה אחת מוארת על ידי המצלמה מותקנת פלאש מסונכרן לזמן חשיפה קצר יחסית כדי לדכא את תאורת מנורת gantry.
   6. להתקדם לכיוון אור האירוע הבא וחזור על הפעולה.
5. מדידות תהליך מכדור נדגם דלילות
   1. שימוש בבאגים (מסמך) במצב של dcraw להשבית פונקצית demosaicing, להמיר מפורמט RAW לגוונים אפורים, 16 ביט, ליניארי, בפורמט PGM:
      1. כל חשיפה לרעש כהה.
      2. כל חשיפה של אובייקט בכל כיוון אור אירוע.
      3. לשלב את כל הטווח הדינמי הנמוך (LDR) חשיפות גוונים אפורות תחת תאורת מנורת gantry לטווח דינמי גבוה יחיד (HDR) תמונה צבעונית לכל כיוון אור אירוע.
         1. הפחת את רעש התמונה הכהה המתאימה מכל LDR חשיפה.
         2. Demosaic כל LDR חשיפה להניב תמונה בקנה מידה של רבעון.
         3. איזון לבן כל LDR חשיפת שימוש במכפיל ערוץ הצבע חושבו ב1.C.3 הצעד.
         4. מיזוג כהה רעש מופחת LDR חשיפות לתמונת HDR אחת מסיכום כל הערכים בכל עמדת פיקסל וחלוקה בסכום של זמני החשיפה, תוך השמטת פיקסלים overexposed משני הסכומים.
         5. תמונת HDR חנות בפורמט EXR מקודד בדייקנות חצי מצוף ודחיסה ללא אובדן אדוה (PIZ).
      4. אם כיוון המצלמה הוא לא כיוון קנוני או טווח המדידה הוא חלק מסט כיוון מצלמה מרובה (שגרות שתיים באיור 1ND פרוטוקול 2):
         1. להמיר את החשיפה היחידה LDR גווני אפור של מטרות מעקב פלאש המוארות לכל כיוון לאור אירוע בקנה מידה demosaiced, רבע, LDR תמונה צבעוני בפורמט EXR.
         2. עקוב פרוטוקול 3 להשתמש בתמונה פלאש המואר להשלכתית להפוך כל תמונת מנורה מואר HDR לתצוגה הקנונית.
      5. לסובב את תמונות HDR לכיוון הרצוי - למשל במקרה שלנו 90 ° סיבוב מכוון אנכי rachis וקצה הנוצה עד.
      6. לחתוך את תמונות HDR בחוזקה סביב הפתח העגול. מסווה את היעדים ולוחית מתכת מחוץ הצמצם מקטין את גודל קובץ של עד 25%.
      7. Permute את הנתונים במערכת שלמה של תמונות HDR כדי ליצור קבוצה של קבצים, אחד לכל אחד מכמה בלוקים בתמונה, המכילים את כל ערכי ההחזרה כיוונית שאורגנו על ידי פיקסל. קבצי מטמון reflectance כיוונית אלה מאורגנים כדי לאפשר גישה מהירה לll את מדידות הצבע כיוונית בעמדת פיקסל בודד של הקרנת 2D של אובייקט 3D.
   2. דמיין מרחבית-משתנה פיזור אור על פני היררכיה של קנה מידה
      1. לעיון במדידות, להשתמש ביישום SimpleBrowser המותאם אישית כדי לפרש את הנתונים שעובדו ב1.E. הצעד SimpleBrowser נפתח חלון המכיל את התמונה של הנוצה מוארת בתאורת כיוון התקרית הראשונה.
      2. על התמונה של שבשבת הנוצה, פיקסלים או קבוצות של פיקסלים בהסדרים ליניארי או מלבניים בודדים ניתן לבחור (איור 3). המשך על ידי בחירת אזור מלבני של שבשבת הנוצה לניתוח. לאחר מכן, העלילו פיזור האור כיוונית הממוצע מהאזור שנבחר. חלון המציג עלילת החזרה כפונקציה של קוסינוסים כיוון נפתח בצמוד לחלון התמונה (R1 באיור 4).
      3. כברירת מחדל, לכיוון בהירות מקסימלי (כיוון העברה בטיימדידת נוצת Pical) מוקצה חשיפה של 1. להגדיל או להקטין את החשיפה במחצית עצירה (√ x 2) במרווחים כדי להתאים את החשיפה של מפת ההחזרה הצבע.
      4. מחזור מפת צבעי ההחזרה בין בהירות, RGB וchromaticity (ראה R1, R2 ו R3 באיור 4). לשלבים הבאים להשתמש RGB.
      5. כדי לסובב את הכדור, לחץ עליו כדי להפעיל את ממשק העקיבה. גרור את הממשק כדי לגרום לסיבוב. לצפייה בחצי כדור ההחזר, להחזיר את הכדור למיקום ברירת המחדל שלה (ראה R2 באיור 4). סובב את כדור 180 מעלות ממיקום ברירת המחדל לצפייה בחצי כדור העברה (ראה T2 באיור 4).
      6. לתצוגה אחרת של הנתונים, בחר את מצב העלילה הקוטבי סולם הרדיוסים של כל כיוון במרחב על ידי יחידת ערכי הזוהר שלהם. לשנות את המפה בצבע של כדור קנה המידה הבהירות מRGB ל chromaticity (ראה P3, F3, S3, A3 באיור 4 ).
      7. כיוון התאורה של התמונה מוצגת הוא מוקף בעיגול אדום בעלילת הפיזור כיווני (איור 4). לחץ לכל כיוון תאורת אירוע אחר כדי להראות את התמונה של הנוצה מוארת מהכיוון הזה.
      8. להגדיל או להקטין את החשיפה של התמונה כדי לחשוף שוב וחשיפה חסרת אזורים.
      9. כדי לחקור את ההחזרה פני היררכיה של קשקשים, לשחזר את מצב העלילה לתחום היחידה והמפה לצבע RGB. בביקורת, חלקה זו מציגה את ההחזרה כיוונית הממוצעת מהאזור המלבני שנבחר על התמונה.
      10. לשנות את סוג הבחירה מלבני ליניארי (איור 3). זה יאפשר מחקר של ההחזרה כיוונית ממבנים בקנה מידה זעיר בודדים באזור המלבני.
      11. העלילה ההחזרה של ממוצע ליניארי בחלון חדש, תוך שמירה על הממוצע המלבני לעיון. התאם חשיפה וצבע מפת סט ל RGB.
      בעלילה הממוצעת ליניארי, את barbules דיסטלי המורחב על ידי האזור ליניארי נתפסים כדי לשקף את האור בכיוונים אופקיים (איור 8). בחר באחת מכיווני התאורה בעלילה ליניארית כדי להציג את barbules דיסטלי המהורהרים מאוד בתמונה משמאל.
      12. צעד לכיוון קו קצה הנוצה עד שהוא מגיע לאזור של הסניף שבו barbules הפרוקסימלי מנוצת רמי הסמוך. בעלילה הממוצעת ליניארי את barbules הפרוקסימלי נתפסים כדי לשקף את האור בכיוונים אנכיים (איור 8). בחר באחת מהכיוונים כדי להציג את barbules הפרוקסימלי המהורהרים מאוד בתמונה משמאל.
      13. בעלילה ליניארית, להתבונן במבנים יפים בקנה המידה המשקפים את האור בכיוונים אופקיים ואנכיים לשלב לייצר את אות השדה רחוק ראתה בעלילה המלבנית.

   2. למדוד אור מפוזר בכיווני מצלמה מרובים (שגרתי משנייםים באיור 1)

   מצלמה צפיות מרובות ודגימה כיוונית לא אחידה יאפשרו לנו לחקור את התכונות מיוחדות של ההחזרה כיוונית. עם התוספת של צעדים כיול 2.A ו2.B, 1 פרוטוקול הורחב כדי להתמודד עם מצלמה תצוגות מרובות. שתי דוגמאות ספציפיות מאוירות גרפי כמשני שגרות II.A וII.B באיור 1 נקבעות קדימה בצעדי ג .2 וד 2 'להלן. במקרים כאלה, לכיוון המצלמה משתנה מכיוונה הקנונית (רגיל אל פני השטח), כלומר את האובייקט מצולם מכיוון נוטה מרגיל פני השטח שלו. מאז תמונות חייבת להיות ממופות לאותה מערכת צירים, אנחנו לתקן ולעוות כל תמונה כדי להתאים את כיוון קנוני על ידי התייחסות למטרות המקיפות את מדגם Flash-מצולמים (איור 9).

   1. לכייל את המצלמה הקרנה ומיקום:
      מטרת הצעדים אלה הן לחשב proj המצלמהection ועמדה בשימוש בשינוי תמונה.
      1. קליפ יעד כיול בודק בדוגמת שטוח על צלחת ההרכבה.
      2. ללכוד תמונה אחת בתצוגת המצלמה הקנונית (כלומר {θ, φ} = {0,0}) וכמה תמונות במצלמת תצוגות שונות אחרות משתרעים על פני קונוס 120 ° מרוכז על התצוגה הקנונית.
      3. טען את התמונות לתוך Bouguet ארגז הכלים ^ב, ערכת כלים כיול מצלמה MATLAB. חלץ את פינות רשת בכל אחת מהתמונות כדי לשחזר את מטריצות המצלמה. יצוא המצלמה השלכה המהותית המטריצה ​​(P) והמצלמה עמדת המטריצה ​​החיצונית (ז). המצלמה ההקרנה הפנימית מורכבת של אורך המוקד והנקודה העיקרית. מיקום המצלמה החיצוני מורכב בעיקר של תרגום, זה מתרגם את מקורו של העולם למצב המצלמה.
      4. לפתור למטריצה ​​שהופכת את קואורדינטות כיול היעד לgantry פטיפון קואורדינטות (X), כלומר Bougueחלל לא לgantry החלל.
      5. שחרר את הדפוס מבודק את לוחית המתכת.
   2. לכייל פוזיציות יעד וקיזוזי הקרנה:
      מטרת הצעדים אלה היא לחשב את הקיזוז בין מטוס הכיול, מטוס היעד, והמדגם, וכדי לאתר את מיקומי היעד.
      1. לסובב את המצלמה בgantry מרכזת כך שהציר האופטי הוא בניצב לפני השטח המטוס, כלומר המסגרת הקנונית.
      2. ללכוד תמונה של הטבעת של מטרות המקיפות את הפתח עם תאורת פלאש. זהו הדימוי הקנוני ליישור תמונה.
      3. לעבד את פלט המצלמה הגלם (פרוטוקול מפורט בצעדים 1.E.3.a. ו1.E.4.).
      4. להסוות את האזור בתוך ומחוץ לאזור יעד הטבעת, ביטול מדגיש specular תועה שעלולות לבלבל את הכרת היעד, ואז למצוא את המטרות בתמונה.
      5. לסובב את המצלמה לזווית מרעה וללכוד תמונה.
      6. לחשב את ג הקנוניתamera פוזה (MC = M * RC) וזווית המצלמה מרעה פוזה (Mg = M * RG) המבוסס על המצלמה החיצונית המטריצה ​​M ב2.A.3 הצעד. הכולל תרגום המבוסס על מיקומו של הדפוס בודק Bouguet.
      7. להגדיר מחדש את M על ידי קיזוז התרגום שלה על ידי העובי של יעד טבעת נייר. לחזר על ידי ניסוי וטעייה (חישוב מחדש של M באמצעות קיזוז שונה למטוס הכיול) עד הקיזוז בחלל gantry בין המטוס של לוח הדמקה Bouguet והמטוס של הטבעת של מטרות, כלומר עובי של יעד טבעת נייר, כבר נפתר. ודא קוזז בכל איטרציה על ידי מקרין מחדש את המטרות בתמונת זווית המרעה על המטרות של התמונה הקנונית.
      8. להגדיר מחדש M בעקבות ההליך של השלב הקודם להקרין מחדש את האובייקט בתמונה apertured זווית המרעה אל אובייקט apertured בתמונה הקנונית על ידי ניסוי וטעייה עד שקוזז בחלל gantry בין המטוס של הטבעת של מטרות והמטוס OF אובייקט apertured, כלומר העובי של לוחית המתכת, נפתר.
   3. מדוד שבעה חצאים כדור החזרה נדגמו לא אחיד (II.A השגרתי שני באיור 1)
      1. לבחון את ההתפלגות כיוונית של האור המוחזר נמדד מתצוגת המצלמה הרגילה אל פני השטח, כלומר {θ, φ} = {0,0}, כמתואר בפרוטוקול 1. דגימה מחדש האונה ההחזרה להקליט זוהר מצלמה מכיוונים שאינם ממראות יותר בדלילות וכיווני specular יותר בצפיפות.
      2. להחיל את אותם קריטריונים כדי לדגום ההחזרה ב 6 כיווני מצלמה נוספים מפוזרים באופן אחיד על פני מחצית אונה, כלומר {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {} 60,45 , {60,90}, {60,135}. לחזות את אזורי specular של 6 ריצות נוספות מכיוונו של כל צופה בשילוב עם זווית ההשתקפות של הריצה הראשונית.
      3. עבור כל אחד מ7 לא אחידההמיספרות נדגמו LY, לרכוש ולעבד את המדידות בהתאם להנחיות בצעדי 1.D. ו1.E. לעיל.
      4. מבחינה ויזואלית לגלוש בהחזרה כיוונית מאותו האזור של הנוצה בכל אחת מ7 הלא אחיד ההמיספרות שנדגמו, ביצוע ההוראות בצעד 1.F. לעיל. מסדרים את חלקות reflectance כיוונית לכל אחד מכיווני המצלמה 7 על מערכת צירים קוטבית, שבו מיקומו של כל עלילה מבוסס על כיוון המצלמה שלו (ראה את התוצאות החזותיות של II.A השגרתי באיור 1; גם איור 5).
   4. מדוד דק, נדגמו שבילים בצורה חצי עיגול לרכוש מידע מפורט על שינוי צבע עם (II.B שני שגרתית באיור 1) זווית
      1. הפעל את יישום SimpleBrowser וקלט מדידות מעובד של חץ כדור ההחזרה נדגם שאינם אחיד עם כיוון המצלמה {θ, φ} = {0,0}, כמתואר ב2.C.1 הצעד. בחר בפיקסל דואר בתמונה, ולאחר מכן להתאים את מטוס לאחוזון ה -90 של היקות של ההחזרה חצי כדור בעמדת פיקסל שנבחרה.
      2. לבנות טווח רכישת 1D אשר דק דגימות reflectance specular במטוס ההשתקפות. ליצור זוויות זרוע gantry ב½ ° מרווחי מחצית זווית במישור הגדרתו בשלב הקודם. התחל עם 0 ° השווה למחצית הזווית ולהגדיל את מחצית הזווית עד 90 מעלות. לכל מדידה בטווח הרכישה, לשמור חצי הווקטור קבוע ושווה למשטח רגיל, כך שכל כיוון מצלמה ממוקם בכיוון ההשתקפות.
      3. לרכוש ולעבד את מדידות בהתאם להנחיות בצעדי 1.D. ו1.E. לעיל.
      4. מבחינה ויזואלית לגלוש בהחזרה כיוונית 1D ביצוע ההוראות ב1.F. צעד, ואילו דגימת אזור קטן מאוד (3x3 פיקסלים למשל) התמקד באותו פיקסל משמש כדי להתאים את מטוס specular ב2.D.1 הצעד. מצא את הכיוון של החזרה שיא, כלומרהצללה נורמלית. לבנות 3 רכישה נוספת פועלת באותו אופן כמו 2.D.2 צעד., אבל להגדיר את מחצית וקטור להצללה הרגילה ולא המשטח הרגיל. במשך 3 ריצות נוספות, ליצור זוויות זרוע gantry הנמצאים במטוסים המכילים הצללה הנורמלית אבל שהם מסובבים 45 °, 90 °, ו -135 ° ביחס למישור specular המוגדר ב2.D.1 הצעד.
      5. לרכוש ולעבד את מדידות בהתאם להנחיות בצעדי 1.D. ו1.E. לעיל.
      6. מבחינה ויזואלית לגלוש בהחזרה כיוונית 1D ביצוע ההוראות ב1.F. צעד, ואילו דגימת אזור קטן מאוד (3x3 פיקסלים למשל) התרכז פיקסל משמש כדי להתאים את מטוס specular ב2.D.1 הצעד. יצוא מSimpleBrowser הממוצע משתקף זוהר של אזור קטן מאוד זה.
      7. ב-Matlab, העלילו chromaticity כפונקציה של מחצית זווית בתרשים chromaticity (איור 6). העלילה גוונה, Chroma, ואת הבהירות כפונקציה של מחצית הזווית (<חזק> איור 7).
      8. לבנות ארבע רכישה יותר 1D פועלת באותם ארבעה מטוסים כאמור לעיל, אך הפעם לקבוע את כיווני האור ומצלמה כדי למדוד את הרוחב והדעיכה של ההחזרה ההשתקפות. הגדר את מחצית הזווית בין האור והמצלמה ל10 ° מתמיד. ליצור זוויות זרוע gantry במרווחים של 1 חצי וקטור ° סביב הציר המאונך למישור. התחל עם חצי וקטור שווה ל -80 מעלות ולהגדיל את זמן מחצית הווקטור עד +80 מעלות, שבו 0 מעלות שווה להצללה נורמלית. שימו לב שלא כל כיווני מצלמה נמצאים בכיוון ההשתקפות.
      9. לרכוש, תהליך ומדידות יצוא ביצוע ההוראות בשלבי 1.D. ו1.E., ו2.D.6. בהתאמה.
      10. ב-Matlab, העלילו chromaticity על דיאגרמת chromaticity כפונקציה של הזווית בין חצי הווקטור והנורמלי ההצללה. העלילה גוונה, Chroma, ואת הבהירות כפונקציה של הזווית בין חצי הווקטור וההצללה הנורמלית.

   3. טרנספורמציה השלכתית

   השלכתית להפוך כל תמונת HDR לתצוגה הקנונית או כיוון התצוגה המאונך למשטח המטוס. פרוטוקול זה הוא לגשת 1.E.3.b שלב כאשר טווח מדידה הוא חלק מסט כיוון מצלמה מרובה, כגון בדוגמאות שתוארו בפרוטוקול 2 ומאוירות בצורה גרפית כמו שגרות שתיים באיור 1.

   1. קרא את תמונה הקנונית מוארת מכיוון הלא השתקפות. (בכיווני specular מרעה המצומצם ניגוד בין המשטח הלבן של נייר והדיו השחור יכול להוביל לכישלון למקד זיהוי. השווה את הבהירות של תמונת A ו-B באיור 9).
   2. אתר את הקואורדינטות של מרכז כל יעד בתמונה הקנונית.
   3. טען את תמונת היעד מוארת בהבזק מצלמה רכוב לזוג מנורת מצלמה כיוונית נתון (B באיור 9).
   4. בערך טרהnsform תמונת היעד למסגרת המצלמה קנוני באמצעות gantry המצלמה המטריצה ​​M ממוחשבת ב2.B.7 הצעד.
   5. אתר את הקואורדינטות של מרכז כל יעד בתמונה היעד הפך (C באיור 9).
   6. תתאים לכל יעד בתמונה היעד הפך ליעד ההתייחסות שלה בתמונה הקנונית על ידי מציאת המרחק המינימאלי בין הדימוי למטרות התייחסות.
   7. לבטל את כל מטרות מטושטשות הנגרמות על ידי עומק שדה בזוויות מרעה (D באיור 9).
   8. לפתור 2D השלכתית להפוך תמונת שמפות מטרות במסגרת הקנונית למטרות הקנונית של תמונות באותה המסגרת.
   9. Untransform את המעוותות להתאמה 'מטרות ממסגרת התמונה הקנונית חזרה לתמונת המסגרת המקורית באמצעות המטוס של אובייקט apertured (ז ב2.B.8 הצעד.) ולא במישור של המטרות (M בשלב 2. .7 יש.).
   10. שמור את זוגות קואורדינטות היעד שממפים את אובייקט apertured בתמונה היעד לאוב aperturedJECT בתמונה היעד הקנונית.
   11. טען את תמונת HDR מוארת על ידי המנורה (באיור 9).
   12. להסיק זוגות מרחביים השלכתיים להפוך מהיעד הציל לתאם להפוך את תמונת HDR לתוך המסגרת הקנונית (E באיור 9).
   13. לחזור לפרוטוקול הראשי.

   Dcraw הוא תכנית מחשב בקוד פתוחה שפותחה על ידי דוד קופין. הוא ממיר את תמונת RAW בתבנית הקניינית של מצלמה (נתונים לא מעובדים כלומר CCD) לפורמט תמונה סטנדרטי. ראה http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraw /.

   ^ב Bouguet ארגז כלים הוא ארגז כלים כיול מצלמה לMATLAB שפותח על ידי ז'אן איב Bouguet. ראה http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc.

תוצאות

המדידה העיקרית של הפרוטוקול שלנו (אני שגרתי באיור 1) תיקנו את כיוון המצלמה הרגיל אל פני השטח, ורק העבירה את האור. מאז דבק אור פיזור בעיקרון ההדדיות, התוצאה היא זהה בין אם אנו מחזיקים את המצלמה תוך כדי התנועה מתמדת האור מעל חץ הכדור או להיפך. כאשר אנו לתקן גם את המצלמה או את האור, קבע כיוון 4 ממדים המלא הוא undersampled. תמונה מלאה יותר של התנהגות הפיזור נצפתה כאשר, בניגוד למדידה הראשונית, גם אור והמצלמה נעו מהמשטח הרגיל ובריבוי של כיוונים. באופן אידיאלי, אנו יכולים למדוד את פיזור אור מכיוונים מצלמה רבים, אפילו רבות כמו מספר כיווני אור אירוע, כדי להניב ערכת נתונים סימטרית. בפועל, זה ידרוש חשיפות הרבה יותר מדי. מניסיוננו, אנחנו יכולים להשיג מספיק מידע על עמדות צפייה שונות על ידי הזזת המצלמה כמה פעמים assuמינג 180 ° סימטריה סיבובית על המשטח הרגיל. במהלך שלב המדידה המשני, רכשנו מדידות מכיווני 7 צפייה מפוזרים על פני חץ הכדור ותוך 60 מעלות מהשיא ^18,19 (II.A השגרתי באיור 1).

בדמויות של מאמר זה, אנו מציגים נתונים יציגים נמדדו מנוצה של Lamprotornis purpureus (סטרלינג מבריק הסגול), ההחזרה מהן היא ססגוני, מבריק, ואניסוטרופי (איור 5). בכל אחד מכיווני 7 הצפייה, אור מוחזר שנאסף ממאות כיווני תאורת אירוע בחצי הכדור. הכיוונים להקים להקה צרה orthogonally אוריינטציה לציר המרכזי של הנוצה (ראה תמונת נוצה באיור 4). שינוי צבע הזוהר הוא עדין (ירוק כחלחל בשכיחות רגילה וכחול ירקרק בשכיחות מרעה) כאשר הנוצה נתפסת נורמלית פני השטח שלו כפי שניתן לראות ב{ 0 °, 0 & דהG;} עלילת RGB של איור 5. כמרעה גישות זווית הצפייה, את הזוויות בין כיוון הצפייה ואת כיווני אירוע המרעה הם מוגדל, מה שמובילים לשינוי צבע בולט יותר (ירוק כחלחל ב 0 ° והמגנט ב 240 מעלות בין אירוע וכיוונים צופים) כפי שניתן לראות ב {60 °, 0 °} עלילת RGB באיור 5.

אנחנו יכולים להרשות לעצמנו להגביר את האור והמצלמה ברזולוציה זוויתי עדינה הרבה יותר כאשר אנו מגבילים את התנועות לממד 1. איור 6 מציג את chromaticity של ההחזרה של ל ' נוצות purpureus כפונקציה של הזווית בין האירוע וכיווני צפייה, שבו האירוע וכיווני צפייה הם במישור המכיל את הלהקה החזירה האור, שהוא ניצב לציר האורך של barbule הדיסטלי. כמו הקשתות הצבעוניות הססגוניות בחלל chromaticity, הגוון כחלחל עובר מירוק לסגול.

מרחבי Vari ation בהחזרה כיוונית גלוי שבו שונה (X, Y) קואורדינטות של integument מתאים למבני מילי בקנה מידה שונים. במקרה של ל ' purpureus רק מבנה אחד - barbule דיסטלי - גלוי על פני רוב השטח. לעומת זאת, בג cupreus, שלושה מבנים בקנה מידת מילי - את barbules הרמי, דיסטלי, וbarbules הפרוקסימלי - הם להבחין בבירור בנתונים, אנחנו יכולים לצפות שהחזרה מהנוצה הוא אוריינטציה ביחס לציר אורכו של כל מבנה (איור 8) .

איור 1. סקירה סכמטי זה מתארת ​​שתי שיטות הרכבה, מערכת הקואורדינטות הכדורית gantry, סוגי דגימת רכישה והתוצאות שלהם. / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 2. הנוצה שיטח היא גלויה לעין דרך הפתח בלוחית מתכת מוקפת בטבעת של מטרות. ניתן הנשקף כדורי gantry למדוד פיזור אור מנוצות בתאורת אירוע מרובה וכיווני צפייה. L = אור זרוע (קו רוחב). C = זרוע מצלמה (קו רוחב). B = בסיס מצלמה (אורך). פטיפון = T (אורך). F = נוצה.

איור 3. פיזור כיוונית ממוצע ניתן לחשב מנקודה, קו או מלבני אזור של שבשבת נוצה.

p_upload/50254/50254fig4highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg "/>
איור 4. דוגמה לפיזור כיוונית זומם פונקציות (R * = החזר, T * = העברה, P = *, F * = קבלה, S = * סייד, * = שרירותי למעלה) וצבע המיתאר (* 1 = בוהק, * 2 = RGB , * 3 = chromaticity). לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 5. זוהר (למעלה) וצבע RGB (תחתון) של ההחזרה חצי כדור בחלל קוסינוס כיוון כפי שנצפה מהזוגות (זווית גובה, זווית אזימוט) הקואורדינטות: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, ו{ 60 °, 135 °}. ההחזרה היא ממוצע מ 25 × 25 אזור מלבני פיקסל של השבשבת לרוחב של ל 'tertial נוצה (סטרלינג מבריק הסגול) purpureus. החיצים האדומים מייצגים את כיווני מצלמה. לחצו כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 6. Chromaticity של ההחזרה כפונקציה של מחצית הזווית בין תאורת האירוע והכיוונים צופים:. 1976 סולמות chromaticity אחידים CIE (USC) באזור מוגדל לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה.

/ 50254/50254fig7highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg "/>
איור 7. החזרה כפונקציה של הזווית בין תאורת האירוע והכיוונים שצפו, במטוס עם (אדום) ובניצב (מוצל) ציר האורך של barbule דיסטלי: (א) אורך הגל דומיננטי, (ב ') באחוזים Chroma, (C ) היקות אחוז. הצללת הצבע בעלילה הוא צבע RGB של ההחזרה. ערכי אורך גל שליליים ייצוג צבעים במשולש הסגול הלא רפאים. לחצו כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 8. החזרה כיוונית ממוצעת של barbules דיסטלי וbarbules הפרוקסימלי בין שניים רמי הסמוך ג cupreus (AFקוקייה ריקני אמרלד).

איור 9. (א) תמונה ללא מיושר מוארת על ידי מנורת gantry, (ב ') תמונה ללא מיושר מוארת בפלאש על מצלמה, (ג) מועמדי היעד מסוננים affine-שינה תמונת פלאש מואר,, (ד) מטרות מקובלת חדות בתוך עומק של שדה, (E) תמונת מנורה מואר מיושר, (F) נוצה מסובבת להטות למעלה, קצוצה ורעול פנים. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

Discussion

למרות הביצועים והתפקוד של colorations פיגמנטריים והמבני רבים מוכרים היטב, המורפולוגיה של נעשה עור רבים היא כל כך מורכבת, שהפירוט והתפקוד המבני שלהם הם הבינו היטב ^20. נעשה עור פיתחו התמחויות המשתנות במרחב על פני השטח של האורגניזם כדי לשקף את האור כיוונית לכיוון הצופה באופן דיפרנציאלי. יווניות זכו לתשומת לב בעיקר במחקר של זוהר בשל שינוי הצבע שלה עם שינוי של אירוע ואת זווית צפייה, ומחקר לזוהר של integument הביולוגי צברה בעיקר 1D וכמה מדידות 2D ^8,12,17. אבל מדידות 6D כלליות לא היו שגרתיות בלימוד נעשה עור ^21-23, ססגוני או בדרך אחרת, והספרות על פנוטיפים צבע האורגניזם היא מוגבלת על ידי חוסר נתוני צבע כיוונית מסוג השיטה שלנו מספקת.

הנוצה היא r במיוחדחומר הכסות ich הכולל הסדרים של מבנה בקנה מידה של מילי העקיצה: barbules הרמי, דיסטלי, וbarbules הפרוקסימלי. בקנה מידה הקטנה של האלמנטים וההסדרים המורכבים שלהם לעשות את זה קשה להבחין ביצועי פיזור האור של הרכיבים הבודדים. הפרוטוקול שלנו מבודד בהצלחה בקנה מידת מבנה האלפית מההשפעה של גיאומטריה מאקרו בקנה מידה. על ידי אפיון ההשלכות התפקודיות של הביטוי כיוונית של מבני מילי היקף לחתימה בשדה רחוק של הנוצה, שאפשרנו חקירת השלכות ההסתגלות שלהם.

אנו מתמודדים פשרות מעשיות בין רזולוציה ספקטרלית, במרחב ובזוויתי. אנחנו בחרנו הזוויתי מרחבית גבוהות, בינוניות ונמוכים רפאים ללימודים שלנו. שילובים אחרים יכולים לשמש, אבל (לדוגמה: כל גבוהה) להוביל לכמה פעמים מדידה ארוכות unworkably. תשומת לב צריך להיות ממוקד בו חשוב לתופעות מסוימות הנלמדים. בבחירה להעסיק CA RGBMera בפסיפס מסנן באייר, עיצבנו הפרוטוקול שלנו כדי להתאים את מערכת הראייה האנושית. המצלמה RGB יכולה להיות מוחלפת והפרוטוקול שלנו מותאם למדידת הגירוי הצבעוני היחסי של כל אורגניזם, יש צורך ברגישות לדוגמה בספקטרום UV למדוד עופות צבע טטרה כרומטית ^24,25. מצלמה הדמיה רפאים תספק פתרון הכללי ביותר ^25.

אנחנו הפגנו הפרוטוקול שלנו עם נוצות כנף tertial מאז הם צבעוניים ושטחו בקלות נגד צלחת הפניה. למרבה הצער, הצמצם של לוחית המתכת חשף רק חלק קטן משטח הנוצה. אם אנחנו יכולים למדוד בו זמנית צורת 3D של פני השטח הנוצה תוך מדידת החזרתה ^25, היינו יכול למנוע מכאני משטח את הנוצה ובמקום למדוד את כל הנוצות במצב הטבעי, שיטוחה.

כלים אינטראקטיביים, מיוחדים, משולבים עבור נתונים חזותי לספק substantiאל להועיל למדענים לחקור ולפרש כמויות נתונים גדולות. יותר האינטגרציה והאינטראקטיביות, את החיבורים קלים יותר בנתונים הם נצפו. בתוכנה שלנו, משתמש אינטראקטיביים ניתן להתוות פיזור כיוונית ממוצע כפונקציה של פני השטח עמדה (איור 4). פיתוח נוסף של התוכנה שלנו יכול לשלב פונקציות התוויה אחרות (6 דמויות, 7) כדי להאריך את החוויה האינטראקטיבית.