Name: measuring spatially- and directionally-varying light scattering from biological material
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00
Duration: 11 min 57 s
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Cette recherche a été financée par la National Science Foundation (NSF Career Award CCF-0347303 et NSF subvention CCF-0541105). Les auteurs tiennent à remercier Jaroslav Křivánek, Jon Lune, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, et John Hermanson pour leurs contributions intellectuelles. Le Cornell sphérique portique a été construit à partir d&#39;une conception en raison de Duane Fulk, Marc Levoy, et Szymon Rusinkiewicz.

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Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

Bien que la performance et la fonction de nombreuses colorations pigmentaires et structurelles sont bien reconnus, la morphologie de nombreux téguments est si complexe que leur détail et la fonction structurelle sont mal comprises 20. Téguments ont développé des spécialisations qui varient spatialement sur toute la surface de l&#39;organisme afin de refléter la lumière de manière différentielle directionnelle vers le spectateur. Directionnalité a reçu une attention principalement à l&#39;étude des irisations en raison de son changement de couleur avec le changement de l&#39;incident et l&#39;angle de vision, et la recherche sur l&#39;iridescence des téguments biologique a attiré principalement 1D et 2D quelques mesures 8,12,17. Mais les mesures 6D généralisées n&#39;ont pas été systématique dans l&#39;étude des téguments 21-23, irisées ou non, et la littérature sur les phénotypes de couleur organismales est limitée par le manque de données de couleur directionnelles de type notre méthode offre. La plume est un particulier rmatériel integumentary ich comportant des dispositions de la structure milli-échelle de la barbe: Rami barbules distales et proximales barbules. La petite taille des éléments et leurs arrangements complexes, il est difficile de discerner les performances de diffusion de la lumière des éléments individuels. Notre protocole a réussi à isoler la structure milli-échelle de l&#39;influence de la géométrie macro-échelle. En caractérisant les conséquences fonctionnelles de l&#39;expression directionnelle des structures milli-échelle à la signature en champ lointain de la plume, nous avons permis enquête sur les conséquences d&#39;adaptation. Nous avons été confrontés compromis pratique entre la résolution spectrale, spatiale et angulaire. Nous avons choisi spatiale élevée, moyenne et faible angulaire spectrale pour nos études. D&#39;autres combinaisons peuvent être utilisés, mais certains (par exemple, tous les haut) conduisent à des temps de mesure unworkably longues. Une attention particulière doit être centré là où il est important pour les phénomènes particuliers à l&#39;étude. En choisissant d&#39;employer un RGB camera avec un filtre mosaïque Bayer, nous avons conçu notre protocole pour correspondre au système visuel humain. La caméra RGB pourrait être remplacé et notre protocole adapté pour mesurer le stimulus de couleur relative de n&#39;importe quel organisme, par exemple la sensibilité dans le spectre UV est nécessaire pour mesurer aviaire couleur tétra-chromatique 24,25. Une caméra d&#39;imagerie spectrale de fournir la solution la plus générale 25. Nous avons démontré notre protocole avec les plumes des ailes TERTIAL car ils sont colorés et facilement aplati contre une plaque de référence. Malheureusement, l&#39;ouverture de la plaque de métal a montré qu&#39;une fraction de la surface de la plume. Si nous pouvions mesurer simultanément la forme 3D de la surface de plume tout en mesurant sa réflectance 25, nous pourrions éviter mécaniquement aplatissement de la plume et au lieu de mesurer toute la plume dans son état ​​naturel non aplati. , Outils spécialisés, intégrés interactifs pour visualiser les données fournissent corroborésal bénéficier aux scientifiques d&#39;explorer et d&#39;interpréter de grands volumes de données. Plus l&#39;intégration et de l&#39;interactivité, les connexions plus faciles dans les données soient respectées. Dans notre logiciel, un utilisateur peut tracer interactive diffusion directionnelle moyenne en fonction de la position de la surface (figure 4). La poursuite du développement de notre logiciel pourrait intégrer d&#39;autres fonctions graphiques (figures 6, 7) d&#39;étendre l&#39;expérience interactive.

La couleur et le motif du tégument d&#39;un organisme jouent écologiquement et socialement fonctions critiques dans la plupart des taxons d&#39;animaux. Ces propriétés phénotypiques sont déterminées par l&#39;interaction de la lumière avec la structure du tégument, qui peut présenter dispersion optique qui varie à la fois dans l&#39;espace (à travers la surface du tégument) et directionnelle (avec changement de l&#39;éclairage et la direction d&#39;observation). Dans les matériaux biologiques complexes, comme les plumes, la direction de diffusion de la lumière est influencée par l&#39;orientation de répéter géométrie milli-échelle. Ces structures milli échelle eux-mêmes peuvent être intégrés à des structures à l&#39;échelle nanométrique, comme des tableaux de mélanine, qui héritent souvent l&#39;orientation milli-échelle. De nano-à macro-échelle, la structure du tégument a évolué fonctionnellement à augmenter la capacité de signalisation de l&#39;organisme. Afin d&#39;évaluer l&#39;influence de la morphologie des différentes échelles sur l&#39;apparence générale, des outils pourmesurer et analyser la couleur des structures biologiques ont besoin de souplesse pour isoler diffusion de la lumière directionnelle à différentes échelles de grossissement. Nous avons développé des outils de mesure basés sur l&#39;image pour étudier comment la performance de la morphologie milli-échelle complexes et variées d&#39;une plume (rami barbe, barbules distales et proximales barbules) élargit la gamme d&#39;expression possible des structures à l&#39;échelle nanométrique seuls. En une seule image enregistrée par la caméra, on a observé que la lumière réfléchie différemment à différents endroits sur la surface de la plume, c&#39;est-à-réflexion de la lumière est spatialement variable. Lorsque nous avons déménagé la direction de la lumière et la caméra par rapport à la plume, nous avons observé la réflectance changé, c&#39;est-réflexion de la lumière a été directionnelle variant 1. Suite à ces observations, nous avons conçu un protocole de passer méthodiquement la lumière et la caméra autour de l&#39;objet à l&#39;aide d&#39;un portique sphérique 2,3, avec qui nous avons capturé 2 dimensions de sula position rface (X et Y), 2 dimensions de direction de la lumière (latitude et longitude), et 2 dimensions de direction de la caméra (latitude et longitude) (Figure 2). Dans le logiciel, nous avons exploré visuellement les 6 dimensions de la lumière diffusée en fonction de la position, la direction de l&#39;éclairage et de la direction de vue. Des recherches antérieures dans la réflexion de téguments a trop souvent écarté la contribution de directivité - par exemple, la réflexion diffuse par rapport spéculaire ou isotrope vs anisotrope - à l&#39;expression de la couleur. La plupart des mesures de couleur ont fixé la lumière incidente, l&#39;objet et la géométrie de visualisation d&#39;éviter soigneusement les effets directionnels. Par exemple, pour éliminer la réflexion spéculaire à partir de mesures de la couleur, il est courant de placer la lumière normale à la surface et à enregistrer la réflectance à 45 ° par rapport à la normale. Les études qui font le lien morphologie directionnelle variant de réflexion se concentrent généralement sur l&#39;échelle nanométriqueet ses conséquences irisées 4-8. Quelques-uns considèrent la contribution des micro, milli-et géométries macro-échelle à la signature optique en champ lointain 8-11. Il est donc courant d&#39;utiliser un détecteur de lumière à réflexion globale sur un seul domaine d&#39;intérêt qui peuvent inclure plusieurs milli-et / ou macro-échelle composants, tels que Rami barbe, barbules, et même des plumes entières 6,8,11-17 . Lorsque la région d&#39;intérêt est soit inférieure à la limite de résolution du détecteur ou n&#39;est pas conforme à la forme du champ de vision du détecteur, le protocole commun spécifie dissection du spécimen à isoler la diffusion de la lumière à partir de l&#39;élément milli-échelle spécifique 8,10 , 13,15. Nous avons développé un protocole plus globale pour l&#39;acquisition de mesure et de visualisation qui encourage l&#39;exploration des nombreuses variables souvent ignorés dans d&#39;autres études plus ciblées. Nous mesurons la diffusion de la lumière sur une sphère de directions et acrosrégion SA de l&#39;espace en utilisant un ensemble massif de gamme dynamique élevée, des photographies haute résolution prise à partir d&#39;un ensemble systématique de lumière et de directions d&#39;observation. Nous employons un capteur d&#39;imagerie à haute résolution avec son tableau 2D de détecteurs à pixels à échelle fine. Agrégation en matériel se produit au niveau des pixels, à une plus petite échelle que les éléments milli-échelle que nous mesurons. Une deuxième étape agrégats pixels individuels dans le logiciel que l&#39;utilisateur sélectionne la forme et la taille de la zone d&#39;intérêt. En conséquence, un ensemble unique de mesure peut être analysé à plusieurs reprises dans le logiciel pour explorer les différents aspects de l&#39;interaction lumière avec du matériel à plusieurs postes et les échelles biologiquement pertinents. En éliminant la dissection et la mesure de l&#39;ensemble de plume, notre protocole a l&#39;avantage de laisser la morphologie de la palette de plume intacte, tout en conservant le contexte et la fonction qui est, les interactions de la lumière entre les éléments constitutifs milli échelle naturelle. Diffusion de la lumière à partir de organismal structure est multidimensionnelle et difficile à quantifier. Mesuré diffusion de la lumière 6D peut pas encore être attribuée à la morphologie spécifique au sein d&#39;une hiérarchie d&#39;échelle avec n&#39;importe quel instrument singulier. Mais nous avons fait un pas important dans cette poursuite. Nous avons développé un outil qui englobe trois méthodes complémentaires - réflectance d&#39;échantillonnage en utilisant le portique, l&#39;exploration de grands volumes de données dans le logiciel, et la visualisation des sous-ensembles de données graphiquement - d&#39;étendre notre capacité de mesurer la diffusion de lumière 6D à tout moment sur un matériau, jusqu&#39;à la milli-échelle. Comme protocoles tels que le nôtre sont utilisés, nous prévoyons biologistes identifier une multitude de traits directionnelle et variant dans l&#39;espace et les adaptations structurelles correspondant à de multiples échelles de développement. Grâce à nos outils, nous sommes engagés dans la caractérisation du potentiel de signalisation de l&#39;expression directionnel et spatiale des structures milli-échelle, et nous espérons faire la lumière sur les conséquences d&#39;adaptation. Nous nous adressons à une série de questions telles que: à partir d&#39;uny donne point d&#39;observation, quels sont les éléments à petite échelle ou régions brut échelle de la plume reflètent fortement? Comment l&#39;orientation des éléments à échelle fine influer sur l&#39;orientation de la lumière diffusée? Quelles sont les conditions morphologiques produisent une brillance satinée vs un éclat pailleté de l&#39;ornement irisé? Ne certaines espèces produisent plus large des «fenêtres» pour l&#39;observation des irisations que d&#39;autres? Ces questions peuvent être posées sur les oiseaux et leurs plumes, mais aussi sur tous les autres organismes qui ont évolué un aspect de surface particulier pour la signalisation, camouflage, ou d&#39;autres raisons.

measuring spatially- and directionally-varying light scattering from biological material

La lumière interagit avec le tégument d&#39;un organisme sur une variété d&#39;échelles spatiales. Par exemple dans un oiseau irisé: les structures à l&#39;échelle nanométrique produisent couleur, la structure milli-échelle de barbes et les barbules détermine en grande partie du diagramme de directivité de la lumière réfléchie, et à travers la structure spatiale à macro-échelle de chevauchement, plumes incurvées, ces effets directionnels créer la texture visuelle. Effets Milli échelle et à macro-échelle de déterminer où sur le corps de l&#39;organisme, et de ce point de vue et sous quel éclairage, les couleurs chatoyantes sont vus. Ainsi, le flash hautement directionnel de couleur brillante de la gorge irisée d&#39;un colibri est insuffisamment expliquée par sa structure à l&#39;échelle nanométrique seul et questions demeurent. D&#39;un point d&#39;observation donné, les éléments milli-échelle de la plume sont orientés à réfléchir fortement? Ne certaines espèces produisent plus large des «fenêtres» pour l&#39;observation des irisations que d&#39;autres? Ceux-ci et d&#39;autres questions semblables may être interrogé sur tous les organismes qui ont évolué un aspect de surface particulier pour la signalisation, camouflage, ou d&#39;autres raisons. Afin d&#39;étudier les caractéristiques de directivité de diffusion de la lumière à partir de plumes, et leur relation à la milli-échelle de la morphologie de l&#39;oiseau, nous avons développé un protocole de mesure de la lumière diffusée à partir de matériaux biologiques à l&#39;aide de nombreuses photos haute résolution prises avec divers éclairage et l&#39;affichage directions. Puisque nous mesurons la lumière diffusée en fonction de l&#39;orientation, nous pouvons observer les caractéristiques de la distribution directionnelle de la lumière diffusée par cette plume particulière, et parce barbes et barbules sont résolus dans nos images, nous pouvons clairement attribuer les caractéristiques directionnelles à ces différents structures milli-échelle. Garder le spécimen intact préserve le comportement de diffusion brut échelle vu dans la nature. La méthode décrite ici présente un protocole généralisé pour l&#39;analyse spatiale et directionnelle-VArying diffusion de la lumière à partir de matériaux biologiques complexes à différentes échelles structurelles.

La principale mesure de notre protocole (Routine I dans la figure 1) fixé la direction de la caméra normale à la surface et seulement déplacé la lumière. Depuis la diffusion de lumière adhère au principe de la réciprocité, le résultat est le même si nous détenons constante de l&#39;appareil photo tout en déplaçant la lumière sur l&#39;hémisphère ou vice versa. Lorsque nous fixons soit l&#39;appareil photo ou la lumière, la direction set à 4 dimensions complète est sous-échantillonné. Une image plus complète du comportement de diffusion est observée lorsque, contrairement à la mesure primaire, la lumière et la caméra sont éloignés de la normale à la surface et dans une multitude de directions. Idéalement, nous pourrions mesurer diffusion de la lumière à partir de plusieurs directions de la caméra, en aussi grand nombre que le nombre de directions de lumière incidente, pour produire un ensemble de données symétrique. Dans la pratique, cela nécessiterait beaucoup trop de risques. Dans notre expérience, nous pouvons obtenir des informations suffisantes sur les différentes positions de visualisation en déplaçant la caméra quelques fois assuming 180 ° symétrie de rotation autour de la normale à la surface. Au cours de la phase de mesure secondaire, nous avons acquis des mesures à partir de 7 directions d&#39;observation répartis sur le continent et à moins de 60 ° du zénith 18,19 (point II de routine dans la figure 1). Dans les figures de ce papier, nous montrons données représentatives mesurées à partir d&#39;une plume de Lamprotornis purpureus (Glossy Starling violet), la réflectance qui est irisé, brillant, et anisotrope (figure 5). Dans chacun des 7 directions d&#39;observation, la lumière réfléchie est recueillie à partir des centaines d&#39;incident directions d&#39;éclairage sur le continent. Les directions forment une bande étroite orientée perpendiculairement à l&#39;axe central de la plume (voir l&#39;image de la plume dans la figure 4). Le changement de couleur de l&#39;iridescence est subtile (bleu-vert à l&#39;incidence normale et bleu-vert en incidence rasante) lorsque la plume est considérée normale à sa surface comme on le voit dans le {0 °, 0 et deg;} RVB tracé de la figure 5. Comme l&#39;angle de vue des approches pâturage, les angles entre la direction d&#39;observation et les directions d&#39;incidence rasante sont maximisées, ce qui conduit à un changement de couleur plus éclatante (bleu-vert à 0 ° et magenta à 240 ° entre l&#39;incident et les directions d&#39;observation) comme on le voit dans le {60 °, 0 °} RVB tracé de la figure 5. Nous pouvons nous permettre de renforcer la lumière et une caméra à très haute résolution angulaire plus fine lorsque nous limitons les mouvements à 1 dimension. Figure 6 montre la chromaticité de la réflexion de L. plumage purpureus en fonction de l&#39;angle entre l&#39;événement et de directions d&#39;observation, dans lequel l&#39;incident et de directions d&#39;observation sont dans le plan contenant la bande spéculaire, qui est perpendiculaire à l&#39;axe longitudinal de la barbule distale. Comme les arcs de couleurs irisées à travers l&#39;espace colorimétrique, la teinte passe du bleu-vert au violet. Variabilité spatiale<html> ation de la réflectance directionnelle est visible où différents (X, Y) les coordonnées du tégument correspondre à différentes structures milli-échelle. Dans le cas de L. purpureus une seule structure - la barbule distale - est visible sur la plupart de la région. En revanche, dans C. cupreus, trois structures milli-échelle - les barbules distales, Rami et les barbules proximales - sont clairement distinguées dans les données, nous pouvons observer que la réflectance de la plume est orienté par rapport à l&#39;axe longitudinal de chaque structure (Figure 8) . <img alt="Figure 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Figure 1. Cet aperçu schématique illustre deux méthodes de montage, le système de coordonnées portique sphérique, les types d&#39;échantillonnage d&#39;acquisition et leurs résultats respectifs.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Cliquez ici pour agrandir la figure. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figure 2. La plume aplatie est visible à travers une ouverture dans une plaque métallique entouré par un anneau de cibles. Un portique sphérique peut être posée pour mesurer la diffusion de la lumière à partir d&#39;une plume à éclairage incident multiple et les directions d&#39;observation. L = Lumière bras (latitude). C = bras de la caméra (latitude). B = appareil de base (longitude). T = Platine (longitude). F = Feather. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figure 3. Diffusion moyenne directionnel peut être calculé à partir d&#39;une région point, ligne ou rectangulaire de palettes de plumes. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Figure 4. Exemple de diffusion directionnelle fonctions de traçage (R * = réflectance, T * = transmittance, P * = Top, F * = avant, S * = Side, A * = arbitraire) et la couleur régimes (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = chromatique). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . <img alt="Figure 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Figure 5. La luminance (en haut) et de couleurs RVB (en bas) de la réflectance hémisphérique dans le sens de l&#39;espace cosinus vu de l&#39;(angle d&#39;élévation, l&#39;angle d&#39;azimut) paires de coordonnées: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} et {60 °, 135 °}. La réflectance est<html> moyenne d&#39;un × 25 pixels zone rectangulaire de l&#39;aube latérale d&#39;un L. tertial 25 purpureus (Glossy Starling Violet) plume. Les flèches rouges représentent les directions de la caméra. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . <img alt="Figure 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> Figure 6. Chromatiques de la réflectance en fonction de la demi-angle entre la lumière incidente et les directions d&#39;observation:. CIE 1976 Scales chromatiques uniformes (USC) avec la région agrandie <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figure 7. Réflectance en fonction de l&#39;angle entre la lumière incidente et les directions d&#39;observation, dans le plan avec (rouge) et perpendiculaire à (ombragée) de l&#39;axe longitudinal de la barbule distale: (A) Longueur d&#39;onde dominante, (B) Pourcentage de chrominance (C ) Pourcentage de luminance. L&#39;ombrage de couleur dans la parcelle A est la couleur RVB de la réflectance. Les valeurs de longueur d&#39;onde négatifs représentent couleurs dans le triangle violet non-spectrale. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> . <img alt="Figure 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Figure 8. Réflectance directionnelle moyenne des barbules distales et proximales barbules entre deux rames à proximité de la C. cupreus (AfRica Emerald Cuckoo). <img alt="Figure 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> Figure 9. (A) Image non rectifié illuminé par la lampe portique, (B) l&#39;image non rectifié illuminé par le flash sur l&#39;appareil photo, (C) candidats cibles filtré sur affine transformée, image flash-éclairé, (D) les objectifs netteté acceptable au sein de la profondeur de champ, (E) image rectifiée lampe éclairée, (F) Tourné plume pointe vers le haut, cultivée et masqué. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Cliquez ici pour agrandir la figure</a> .

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Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Nous présentons une méthode non destructive pour l&#39;échantillonnage de la variation spatiale dans la direction de la lumière diffusée à partir de matériaux de structure complexe. En gardant le matériel intact, nous préservons le comportement de diffusion brut échelle, tout en capturant simultanément contributions directionnelles à petite échelle avec l&#39;imagerie à haute résolution. Les résultats sont visualisés dans le logiciel à des positions et des échelles biologiquement pertinents.

Mesure spatialement et Directionnellement variant diffusion de la lumière à partir de matériel biologique

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

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