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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Questa ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation (NSF CARRIERA premio CCF-0.347.303 e NSF concedere CCF-0.541.105). Gli autori desiderano ringraziare Jaroslav Křivánek, Jon Luna, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, e John Hermanson per il loro contributo intellettuale. La Cornell sferica Gantry è stato costruito da un disegno a causa di Duane Folco, Marc Levoy, e Szymon Rusinkiewicz.

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Nessun conflitto di interessi dichiarati.

Anche se le prestazioni e la funzionalità di molte colorazioni pigmentarie e strutturali sono ben riconosciuti, la morfologia di molte tegumenti è così complesso che la loro particolare struttura e la funzione sono capiti male 20. Tegumenti hanno sviluppato specializzazioni che variano spazialmente sulla superficie dell&#39;organismo di riflettere la luce differenzialmente direzionalmente verso lo spettatore. Direzionalità ha ricevuto l&#39;attenzione principalmente nello studio delle iridescenze per il suo cambiamento di colore con cambio di incidente e l&#39;angolo di visione e la ricerca di iridescenza del tegumento biologico ha raccolto principalmente 1D e alcune misurazioni 2D 8,12,17. Ma misurazioni 6D generalizzate non sono stati di routine nello studio dei tegumenti 21-23, iridescenti o meno, e la letteratura su fenotipi colore organismal è limitato dalla mancanza di dati colore direzionali del tipo nostro metodo fornisce. La piuma è un particolare rmateriale tegumentario ich costituito da un regime di struttura milli-scala la sbavatura: Rami, barbule distali, e barbule prossimali. La piccola scala degli elementi e le loro modalità complesse rendono difficile discernere le prestazioni dispersione della luce dei singoli elementi. Il nostro protocollo isolato con successo struttura milli scala dalla influenza della geometria macro-scala. Caratterizzando le conseguenze funzionali dell&#39;espressione direzionale di strutture milli-scala per la firma campo lontano della piuma, abbiamo attivato un&#39;indagine loro conseguenze adattive. Abbiamo affrontato compromessi pratici tra spettrale, risoluzione spaziale e angolare. Abbiamo scelto di alta spaziale, angolare media e bassa spettrale per i nostri studi. Altre combinazioni potrebbero essere utilizzati, ma alcuni (ad esempio tutti alto) portano a tempi di misurazione unworkably lunghi. L&#39;attenzione deve essere focalizzata in cui è importante per i fenomeni particolari in fase di studio. Nella scelta di impiegare un ca RGBmera con un mosaico filtro Bayer, abbiamo progettato il nostro protocollo per abbinare il sistema visivo umano. La telecamera RGB potrebbe essere sostituito e il nostro protocollo atto a misurare il relativo stimolo colore di qualsiasi organismo, ad esempio sensibilità nello spettro UV è necessaria per misurare aviaria colore tetra-cromatico 24,25. Una telecamera di imaging spettrale fornirebbe la soluzione più generale 25. Abbiamo dimostrato il nostro protocollo con TERTIAL penne delle ali in quanto sono colorati e facilmente schiacciata contro una piastra di riferimento. Purtroppo, l&#39;apertura della piastra di metallo rivelata solo una frazione della superficie piuma. Se potessimo misurare simultaneamente la forma 3D della superficie della piuma mentre si misura la riflettanza 25, potremmo evitare meccanicamente appiattendo la piuma e invece di misurare l&#39;intera piuma nel suo stato naturale, non unito. Specializzati interattive, strumenti, integrati per la visualizzazione dei dati forniscono substantial beneficio di scienziati che esplorano e interpretare grandi volumi di dati. La maggiore integrazione e interattività, sono osservate le connessioni più facili nei dati. Nel nostro software, un utente può tracciare interattivamente media dispersione direzionale in funzione della posizione della superficie (Figura 4). Ulteriore sviluppo del nostro software potrebbe integrare altre funzioni di plotting (figure 6, 7) per estendere l&#39;esperienza interattiva.

Il colore e il modello di tegumento di un organismo giocano ecologicamente e socialmente funzioni critiche in più taxa animali. Queste proprietà fenotipiche sono determinati dalla interazione della luce con la struttura del tegumento, che può esibire dispersione ottica che varia spazialmente (attraverso la superficie del tegumento) e direzionalmente (con cambiamento di illuminazione e la visualizzazione direzione). Nei materiali biologici complessi, come penne, la direzione della diffusione della luce è influenzata dall&#39;orientamento di ripetere geometria milli-scala. Queste strutture milli scala stessi possono essere integrati con le strutture su scala nanometrica, come array di melanina, che spesso ereditano l&#39;orientamento milli-scala. Da nano-al macro-scale, la struttura del tegumento è evoluta funzionalmente per aumentare la capacità di segnalazione dell&#39;organismo. Al fine di valutare l&#39;influenza della morfologia di diverse scale sulla aspetto generale, strumenti permisurare e analizzare il colore delle strutture biologiche hanno bisogno di flessibilità per isolare dispersione della luce direzionale a varie scale di ingrandimento. Abbiamo sviluppato strumenti di misurazione basati sulle immagini per studiare come le prestazioni di complessa e variegata morfologia milli-scala di una piuma (rami ardiglione, barbule distali e prossimali barbule) amplia la gamma di espressioni possibili da strutture nano-scala da solo. In un&#39;unica immagine registrata dalla telecamera, abbiamo osservato che la luce riflessa diverse a livello della superficie della piuma, cioè, la riflettanza luce era spazialmente-variante. Quando ci siamo trasferiti alla direzione della luce e la macchina fotografica rispetto alla piuma, abbiamo osservato la riflettanza cambiato, cioè la riflessione della luce è stata direzionalmente-variante 1. A seguito di queste osservazioni, abbiamo progettato un protocollo per spostare metodicamente la luce e la macchina fotografica intorno al soggetto utilizzando un cavalletto sferica 2,3, con la quale abbiamo catturato due dimensioni suposizione rfaccia (X e Y), 2 dimensioni di direzione della luce (latitudine e longitudine), e 2 dimensioni della direzione della telecamera (latitudine e longitudine) (Figura 2). Nel software abbiamo esplorato visivamente le 6 dimensioni della luce diffusa in funzione della posizione, direzione illuminazione e direzione vista. Precedenti ricerche in riflettanza da tegumenti è troppo spesso scontato il contributo di direzionalità - ad esempio riflessione diffusa vs speculare o isotropa vs anisotropico - per l&#39;espressione del colore. La maggior parte delle misure di colore hanno fissato la luce incidente, oggetto, e la geometria di visione da evitare accuratamente gli effetti direzionali. Ad esempio, per eliminare la riflessione speculare da misure di colore, è comune mettere la luce normale alla superficie e registrare la riflettanza a 45 ° dalla normale. Gli studi che fanno collegamento morfologia a direzionale-variante riflettanza in genere si concentrano su scala nanometricae le sue conseguenze iridescenti 4-8. Pochi considerano il contributo delle micro, milli-e geometrie macro-scala per il campo lontano firma ottica 8-11. E &#39;quindi comune ad impiegare un rilevatore di luce di riflessione complessivo in un&#39;unica area di interesse che possono includere più milli-e / o macro-scala di componenti, come rami ardiglione, barbule, e anche intere piume 6,8,11-17 . Quando la regione di interesse è o minore del limite di risoluzione del rivelatore o non conforme alla forma del campo del rilevatore di vista, il protocollo comune precisa provino dissezione per isolare la dispersione della luce dall&#39;elemento specifico milli scala 8,10 , 13,15. Abbiamo sviluppato un protocollo più onnicomprensiva per l&#39;acquisizione di misurazione e visualizzazione che incoraggia l&#39;esplorazione delle molte variabili spesso ignorati in altri studi più mirati. Misuriamo scattering di luce su una sfera di direzioni e AcrosSA regione di spazio utilizzando una serie massiccia di alta gamma dinamica, fotografie ad alta risoluzione presa da un insieme sistematico di luce e di direzioni di vista. Ci avvaliamo di un sensore di immagine ad alta risoluzione con la sua matrice 2D di rivelatori a pixel a scala fine. Aggregazione in hardware si verifica a livello di pixel, ad una scala più piccola di elementi milli scala stiamo misurando. Una seconda fase aggrega singoli pixel di software come l&#39;utente seleziona la forma e le dimensioni della regione di interesse. Conseguentemente, un unico insieme di misura può essere ripetutamente analizzato nel software di esplorare diversi aspetti di interazione con materiale leggero per più posizioni e scale biologicamente rilevanti. Eliminando dissezione e la misurazione dell&#39;intero piuma, nostro protocollo ha il vantaggio di lasciare la morfologia della piuma banderuola integra e conservando contesto naturale e la funzione che è, interazioni di luce tra gli elementi costitutivi milli scala. Dispersione della luce da organismal struttura è multidimensionale e difficile da quantificare. Misurato dispersione della luce 6D non può ancora essere attribuito alla morfologia specifica all&#39;interno di una gerarchia di scala con qualsiasi strumento singolare. Ma abbiamo fatto un passo importante in questa ricerca. Abbiamo sviluppato uno strumento che comprende tre metodi complementari - campionamento riflettanza utilizzando il cavalletto, esplorando grandi volumi di dati nel software, e la visualizzazione di sottoinsiemi di dati graficamente - di estendere la nostra capacità di misurare la dispersione della luce 6D in qualsiasi punto su un materiale, fino alla milli-scala. Come protocolli come la nostra sono impiegati, prevediamo biologi identificheranno una miriade di tratti-direzionalmente e spazialmente variabile ei corrispondenti adattamenti strutturali a più scale di sviluppo. Utilizzando i nostri strumenti siamo impegnati nel caratterizzare il potenziale di segnalazione dell&#39;espressione direzionale e spaziale delle strutture milli-scala, e speriamo di far luce sulle loro conseguenze adattive. Ci rivolgiamo a una serie di domande, come ad esempio: da unY dato punto di osservazione, che gli elementi a scala fine o regioni lordo scala della piuma riflettono fortemente? In che modo l&#39;orientamento degli elementi a scala fine influenzare la direzione della luce diffusa? Quali condizioni morfologiche producono un satinato lucido vs uno scintillio di paillettes dell&#39;ornamento iridescente? Do alcune specie producono più ampio &quot;finestre&quot; per l&#39;osservazione di iridescenza di altri? Queste domande possono essere chiesto di uccelli e le loro piume, ma anche di tutti gli altri organismi che si sono evoluti un particolare aspetto della superficie per la segnalazione, camouflage, o per altri motivi.

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

Luce interagisce con tegumento di un organismo su una varietà di scale spaziali. Ad esempio in un uccello iridescente: strutture nano-scala di produzione del colore; la struttura milli-scala delle barbe e barbule determina in gran parte il modello direzionale della luce riflessa, e attraverso la struttura spaziale macro-scala sovrapposte, piume curvi, questi effetti direzionali creare la texture visiva. Effetti milli scala e macro scala determinano dove sul corpo dell&#39;organismo, e da ciò che punti di vista e in quali illuminazione, i colori iridescenti sono visti. Così, il flash altamente direzionale di colore brillante dalla gola iridescente di un colibrì è adeguatamente spiegata con la sua struttura nano-scala da solo e le domande rimangono. Da un certo punto di osservazione, quali elementi milli scala della piuma sono orientati a riflettere con forza? Do alcune specie producono più ampio &quot;finestre&quot; per l&#39;osservazione di iridescenza di altri? Queste e simili domande may essere chiesto su eventuali organismi che si sono evoluti un particolare aspetto della superficie per la segnalazione, camouflage, o per altri motivi. Per studiare i modelli direzionali di dispersione della luce da piume, e la loro relazione con milli scala morfologia degli uccelli, abbiamo sviluppato un protocollo per la misurazione della luce diffusa da materiali biologici utilizzando molte fotografie ad alta risoluzione scattate con diversa illuminazione e la visualizzazione direzioni. Dal momento che noi misuriamo luce diffusa in funzione della direzione, possiamo osservare le caratteristiche della distribuzione direzionale della luce diffusa da quel particolare piuma, e perché barbe e barbule si risolvono nelle nostre immagini, possiamo attribuire chiaramente le caratteristiche direzionali per questi diversi strutture milli scala. Mantenere il campione conserva intatto il comportamento di scattering lordo scala visto in natura. Il metodo qui descritto presenta un protocollo generalizzato per analizzare spazialmente e-direzionalmente-varying light scattering da materiali biologici complessi su scale multiple strutturali.

La misurazione principale del nostro protocollo (Routine I in figura 1) fissato la direzione della telecamera normale alla superficie e solo spostato la luce. Dal Light Scattering aderisce al principio di reciprocità, il risultato è lo stesso se teniamo costante la telecamera mentre si muove la luce sopra l&#39;emisfero o viceversa. Quando fissiamo sia la fotocamera o la luce, la completa direzione impostata 4-dimensionale è sottocampionati. Un quadro completo del comportamento di scattering viene osservato quando, a differenza della misura primaria, sia la luce e la telecamera vengono allontanati dalla superficie normale e in una molteplicità di direzioni. Idealmente, si potrebbe misurare la dispersione della luce da molte direzioni della fotocamera, per quanti il ​​numero di incidenti direzioni di luce, fino ad ottenere una serie di dati simmetrica. In pratica, ciò richiederebbe troppe esposizioni. Nella nostra esperienza, siamo in grado di ottenere informazioni sufficienti su diverse posizioni di visione spostando la telecamera alcune volte assuming 180 ° simmetria rotazionale sulla superficie normale. Durante la fase di misurazione secondaria, abbiamo acquisito le misurazioni da 7 direzioni di osservazione distribuiti sopra l&#39;emisfero ed entro il 60 ° dello zenit 18,19 (II.A routine in Figura 1). Nelle figure di questo documento, vi mostriamo dati rappresentativi misurati da una piuma di Lamprotornis purpureus (Viola Starling lucido), la riflettanza della quale è cangiante, lucido, e anisotropico (Figura 5). In ciascuna delle direzioni di osservazione 7, luce riflessa viene raccolto da centinaia di incidenti direzioni di illuminazione sul emisfero. Le indicazioni formano una stretta banda orientata ortogonalmente all&#39;asse centrale della piuma (vedi immagine piuma in Figura 4). Il cambiamento di colore iridescenza è sottile (verde-bluastro a incidenza normale e verde-blu a incidenza radente), quando la piuma è vista normale alla sua superficie come si vede nella {0 °, 0 &amp; deg;} RGB appezzamento di figura 5. Come l&#39;angolo di visuale si avvicina al pascolo, gli angoli tra la direzione di osservazione e le direzioni incidenti pascolo sono massimizzati, portando ad un cambiamento di colore più evidente (verde-bluastro a 0 ° e magenta a 240 ° tra incidente e le direzioni di osservazione), come si vede nella {60 °, 0 °} RGB trama in Figura 5. Possiamo permetterci di intensificare la luce e la macchina fotografica a risoluzione angolare molto più fine, quando ci limitiamo i movimenti a 1 dimensione. Figura 6 mostra la cromaticità della riflettanza della L. purpureus piumaggio come funzione dell&#39;angolo tra l&#39;incidente e direzioni di osservazione, dove l&#39;incidente e direzioni di osservazione sono nel piano contenente la banda speculare, che è perpendicolare all&#39;asse longitudinale del barbule distale. Come gli archi a colori cangianti nello spazio di cromaticità, la tonalità passa da blu-verde al viola. Spatial Vari<html> zione in riflettanza direzionale è visibile se diverso (X, Y) coordinate del tegumento corrispondono a diverse strutture di milli-scala. Nel caso di L. purpureus una sola struttura - la barbule distali - è visibile sulla maggior parte del territorio. Per contro, in C. cupreus, tre strutture milli scala - i Rami, barbule distali e prossimali barbule - sono chiaramente distinta nei dati, si può osservare che la riflettanza della piuma è orientato rispetto all&#39;asse longitudinale di ogni struttura (Figura 8) . <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> Figura 1. Questa panoramica schematica raffigura due metodi di montaggio, il sistema di coordinate gantry sferica, i tipi di campionamento acquisizione e rispettivi risultati.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Clicca qui per ingrandire la figura. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figura 2. La piuma appiattito è visibile attraverso un&#39;apertura in una piastra di metallo circondato da un anello di obiettivi. Un cavalletto sferica può essere posta a misurare dispersione della luce da una penna ad multiplo illuminazione incidente e direzioni di osservazione. L = braccio di Luce (latitudine). C = braccio della telecamera (latitudine). B = Base Camera (longitudine). T = Giradischi (longitudine). F = Piuma. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figura 3. Media dispersione direzionale può essere calcolata da un punto, linea o rettangolare regione di piuma vane. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Figura 4. Esempio di dispersione direzionale funzioni di plotting (R * = riflettanza, T * = trasmittanza, P * = Top, f * = anteriore, S * = Side, A * = Arbitrarie) e combinazioni di colori (* 1 = luminanza, * 2 = RGB , * 3 = cromaticità). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> . <img alt="Figura 5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> Figura 5. La luminanza (in alto) e di colore RGB (in basso) della riflettanza emisferica in direzione dello spazio coseno come visto dalle (angolo di elevazione, azimuth angle) coppie di coordinate: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, e {60 °, 135 °}. La riflettanza è<html> mediati da un 25 × 25 pixel di un&#39;area rettangolare del vano laterale di un L. TERTIAL purpureus (Viola Starling lucido) piuma. Le frecce rosse rappresentano le direzioni della fotocamera. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> . <img alt="Figura 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> Figura 6. Cromaticità della riflettanza in funzione del mezzo-angolo tra la luce incidente e le direzioni di osservazione:. CIE 1976 Uniform Scale cromatiche (USC) con regione ingrandita <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figura 7. Riflettanza come funzione dell&#39;angolo tra la luce incidente e direzioni di osservazione, in-aereo con (rosso) e perpendicolare (ombreggiata) l&#39;asse longitudinale del barbule distale: (A) lunghezza d&#39;onda dominante, (B) Percentuale chroma, (C ) Percentuale di luminanza. L&#39;ombreggiatura di colore nella trama A è il colore RGB della riflettanza. I valori negativi di lunghezza d&#39;onda rappresentano i colori della non-spettrale triangolo viola. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> . <img alt="Figura 8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> Figura 8. Media riflettanza direzionale di barbule distali e prossimali barbule tra due rami adiacenti del C. cupreus (African Emerald cuculo). <img alt="Figura 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> Figura 9. (A) non rettificati immagine illuminata dalla lampada a portale, (B) non rettificati immagine illuminata dal flash della fotocamera, (C) candidati destinatari filtrato su affine-trasformata, immagine flash-illuminato, (D) obiettivi Acceptably taglienti all&#39;interno profondità di campo, (E) Rettificato immagine Lampada-illuminato, (F) ruotato piuma punta in su, ritagliata e mascherati. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per ingrandire la figura</a> .

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

Presentiamo un metodo non distruttivo per il campionamento variazione spaziale nella direzione della luce diffusa da materiali di struttura complessa. Mantenendo intatto il materiale, noi preserviamo comportamento dispersione lordo scala, mentre contemporaneamente l&#39;acquisizione contributi direzionali a scala fine con l&#39;imaging ad alta risoluzione. I risultati sono visualizzati in software alle posizioni e scale biologicamente rilevanti.

Misurare spazialmente e Directionally-variante Light Scattering da materiale biologico

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