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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この研究は、国立科学財団（NSFキャリアアワードCCF-0347303およびNSF助成CCF-0541105）によって賄われていた。著者は彼らの知的貢献のためにヤロスラフKřivánek、ジョン·ムーン、エドガー·ベラスケス·アルメンダリス、ヴェンツェル·ヤコブ、ジェームズハーヴェイ、スーザン·スアレス、エリスレーブ、およびジョンHermansonに感謝したいと思います。コー​​ネル球状ガントリはデュアンフルク、マルクLevoy、そしてシモンRusinkiewiczために設計から建設された。

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利害の衝突は宣言されていない。

多くの色素と構造着色の性能と機能を十分に認識されているものの、多くの外皮の形態は、その構造の詳細や機能が不十分な20を理解していることを非常に複雑である。外皮は、差動ビューアーに向けて一方向に光を反射するように、生物の表面上に空間的に変化する特殊化を開発しました。方向性が原因で事件と視野角の変化にそのカラーシフト主に虹色の研究に注目を集めており、生物学的な外皮の虹色の研究では、8,12,17主として1Dおよび2Dの一部の測定値を獲得している。しかし、一般的な6D測定は、他の方法で虹色又は外皮21-23の研究では日常的ではなかった、と生物のカラー表現型に関する文献は、本手法が提供するタイプの指向カラーデータの不足によって制限されます。 羽は特にrと枝、遠barbules、および近位barbules：バーブのミリスケール構造の配列を含んでなるICH外皮材料。要素とその複雑なアレンジの小規模ことが困難個々の要素の光散乱特性を識別するために行う。我々のプロトコルを正常にマクロスケールジオメトリーの影響からミリスケールの構造を単離した。羽の遠視野署名へミリスケール構造の方向性表現の機能的結果を特徴付けることで、我々は彼らの適応結果に照会を可能にしました。 我々は、スペクトル空間と角度分解能の間で実用的なトレードオフに直面していました。我々は我々の研究のために、高い空間、中角、低スペクトルを選びました。他の組み合わせが使用されますが、いくつかの（すべての高など ）unworkably長い測定時間につながる可能性があります。それが検討され、特定の現象のために重要である注意が集中している必要があります。 RGB CAを採用することを選択でベイヤーフィルタモザイクとメラ、私たちは、人間の視覚システムに合わせて、我々のプロトコルを設計しました。 RGBカメラを置き換えることができると我々のプロトコルは、任意の生物の相対的な色刺激を測定するように構成され、UVスペクトルの感度は、 例えば、トリテトラ有彩色のカラー24,25を測定するために必要とされる。分光イメージングカメラは、最も一般的な解決策25を提供するであろう。 我々は、彼らがカラフルなので、ターシャ翼羽で我々のプロトコルを示し、容易に基準プレートに対して平らに。残念なことに、金属板の開口は、羽根表面の一部だけを明らかにした。その反射率25を測定しながら、我々は同時に羽の表面の3次元形状を測定することができれば、我々は羽を平らに機械的に避け、代わりに自然な、平坦化されない状態で全体の羽を測定することができます。 データを視覚化するためのインタラクティブな、特化した、統合されたツールはsubstantiを提供アルでは、大量のデータを探索し、解釈する科学者にメリットがあります。統合と対話大きいデータで簡単に接続が観察される。当社のソフトウェアは、ユーザが対話的に表面位置（ 図4）の関数としての平均的な指向性散乱をプロットすることができます。我々のソフトウェアのさらなる開発は、インタラクティブな体験を拡張するために、他のプロット関数（ 図6、図7）を統合することができます。

生物の外皮の色とパターンは、ほとんどの動物の分類群における生態学的、社会的に重要な機能を果たしている。これらの表現型特性は、 空間的 （外皮の表面を横切っ）と指向方向（の照明および表示の変化に）変化する光の散乱を示すことができる外皮の構造と光の相互作用によって決定される。例えば、羽毛のような複雑な生物学的物質では、光散乱の方向はミリスケールジオメトリを繰り返す配向によって影響される。これらミリスケール構造自体は、しばしばミリスケール姿勢を継承メラニンアレイなどのナノスケール構造を埋め込んでもよい。からマクロスケールナノに、外皮の構造は生物のシグナル伝達能力を高めるために、機能的に進化してきました。全体的な外観により異なるスケールの形態の影響を評価するために、ツールへ生物学的構造の色を測定し、分析することは倍率の様々なスケールでの指向性光散乱を分離するために柔軟性が必要。 私たちは、羽の複雑かつ多様なミリスケールの形態（バーブ枝、遠barbules、および近位barbules）の性能は、ナノスケールの構造だけではから可能な表現の幅を拡大する方法研究する画像ベースの測定ツールを開発しました。カメラによって記録された単一の画像では、光反射率が空間的に変化した、すなわち、光が羽根の表面上の異な​​る位置で反射された異なって観察した。我々は羽に対して光とカメラ方向に移動すると、我々は、反射率は光反射率が1を指向的に変化し、すなわち、変更された観察した。これらの観察に続いて、私たちは念入りに我々は、suの2次元を捕獲したと球状ガントリ2,3を使用して、対象の周りに光とカメラを移動するためのプロトコルを設計しデータポートの位置（XとY）、 光方向の2次元（緯度·経度）と、 カメラ方向の2次元（緯度·経度）（ 図2）。ソフトウェアでは、視覚的に位置、照明方向と視線方向の関数として散乱光の6次元を探求。 色彩表現に- 例えば拡散対鏡面または等方性対異方性反射-外皮からの反射率にこれまでの研究では、あまりにも頻繁に方向性の寄与を割り引いています。ほとんどの色測定は、入射光、オブジェクトを固定し、指向性の影響を避けるために、慎重にジオメトリを表示している。例えば、色測定からの鏡面反射を除去するために、表面に垂直な光を置き、法線から45°における反射率を記録することが一般的である。一般的に一方向に変化する反射率へのリンクの形態を行う研究は、ナノスケールに焦点その虹色の影響4-8。少数の、遠視野光学署名8-11に、マイクロ、ミリ、およびマクロスケールジオメトリの寄与を考慮してください。このような棘枝、barbules、さらには全体羽6,8,11-17などの複数のミリおよび/ ​​またはマクロスケールの構成要素を含むことができる単一の関心領域にわたって集計反射率に光検出器を用いることが一般的である。関心領域のいずれかの検出器の解像限界より小さいまたはビューの検出器の視野の形状に適合していないときには、一般的なプロトコルは、特定のミリスケール素子8,10からの光の散乱を分離するために、試料解剖を指定する、13,15。 私たちはしばしば、他のより集中研究で無視多くの変数の探査を奨励し、測定データの集録と可視化のための、より包括的なプロトコルを開発しました。私たちは、方向とアクロスの球体上の光散乱を測定光と観察方向の系統的集合から取ら高ダイナミックレンジ、高解像度写真の大規模なセットを使用して空間のSAの領域。我々は、微細なスケールの画素検出器の2Dアレイで高分解能イメージングセンサを採用している。ハードウェアにおける集計は、我々が測定しているミリスケールの要素よりも小さいスケールで、ピクセルレベルで発生します。ユーザとしてソフトウェアで第二段凝集個々の画素は、関心領域の形状およびサイズ​​を選択する。従って、単​​一の測定セットを繰り返し、複数の生体関連位置およびスケールにおける材料と光の相互作用の様々な側面を探求するためにソフトウェアで分析することができる。切開を排除し、全体羽を測定することによって、我々のプロトコルは、天然コンテキストと、構成要素ミリスケール素子間の光の相互作用のある機能を保持する、無傷の羽の羽根の形態を残すという利点を有する。 生物のsからの光散乱体制は、定量化する多次元とは困難です。測定6D光散乱は、まだ特異楽器とのスケールの階層内の特定の形態に起因することはできません。しかし、我々はこの追求の重要なステップを行っている。 、サンプリング率ガントリーを使用してソフトウェアに大量のデータを探索し、グラフィカルにデータサブセットを可視化 - - 私たちは、3つの補完的な方法を包含するツールを開発したダウンに、素材上の任意のポイントで6D光散乱を測定するために我々の能力を拡張するミリスケール。当社のようなプロトコルが採用されているとして、我々は生物学者が開発の複数のスケールでの一方向と空間的に変化する特性と対応する構造的適応の無数を識別する予測。我々のツールを使用して我々はミリスケール構造の方向性と空間表現のシグナル伝達の可能性を特徴づけるに従事し、その適応結果に光を当てることを願っています。から：我々は、次のような質問の範囲に対応yは細かいスケールの要素または羽の総規模な地域を強く反映する観測点を、与えられた？どの細かいスケールの要素の向きが散乱光の方向に影響を与えるのでしょうか？何形態素条件は虹色の飾りのスパンコールの輝き対繻子光沢を作り出す？いくつかの種は、他よりも虹色を観察するための広範な &quot;窓&quot;を生成するのですか？これらの質問は、鳥やそれらの羽毛についてだけでなく、シグナリング、迷彩、またはその他の理由のための特定の表面外観を進化させてきた他の生物について求められることがあります。

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

光は空間スケールのさまざまな生物の外皮と対話します。虹色の鳥の例では：ナノスケールの構造色を作り出す;棘とbarbulesのミリスケールの構造は、主に反射光の指向性パターンを決定し、重複、湾曲した羽のマクロスケール空間構造を通じて、これらの方向性の効果が作成視覚的な質感。生物の体に、どのような観点から、どのような照明の下で、虹色が見ている場所ミリスケールとマクロスケールの効果が決定されます。このように、ハチドリの虹色の喉から鮮やかな色の指向性の高いフラッシュが不十分なだけでは、そのナノスケール構造によって説明し、疑問が残っている。羽のミリスケールの要素が強く反映して配向している与えられた観測点から、？いくつかの種は、他よりも虹色を観察するための広範な &quot;窓&quot;を生成するのですか？これらと同様の質問さmAYは、シグナリング、迷彩、またはその他の理由のための特定の表面外観を進化させてきた任意の生物について質問する。 羽からの光散乱の指向性パターンを研究し、鳥のミリスケールの形態との関係にするために、我々は、照明および表示方向を変えて撮影した多くの高解像度写真を用いて生物学的物質からの散乱光を測定するためのプロトコルを開発した。我々は方向の関数として散乱光を測定するので、我々はその特定の羽からの散乱光の指向分布の特徴を観察することができ、そして棘とbarbulesが私たちの画像で解決されているので、我々は明らかに、これらの異なるに指向機能を帰することができますミリスケールの構造。標本をそのまま保つことは自然界で見られる総規模散乱挙動を維持します。ここで説明する方法は、空間的·分析一方向-VAのための一般的なプロトコルを提示複数の構造的なスケールで複雑な生物学的物質からの光散乱を帳簿。

我々のプロトコル（ 図1のルーチンI）の主な測定は、表面に垂直カメラの向きを固定し、光だけを動かした。互恵の原則に光散乱付着しているので、結果は半球、またはその逆の上に光を移動させながら、我々はカメラを一定に保持するかどうかと同じです。我々は、カメラやライトのどちらかを修正する場合は、完全な4次元方向セットがアンダーサンプリングされています。主要な測定とは異なり、光とカ​​メラの両方が正常な方向に多数の内表面から離れて移動すると、散乱挙動の全体像が観察される。理想的には、対称的なデータセットを得るためにも、入射光方向の数だけ、多くのカメラの方向からの光散乱を測定することができる。実際には、これはあまりにも多くのエクスポージャーを必要とするであろう。我々の経験では、カメラ数回assuを移動させることによって、異なる観察位置に関する十分な情報を得ることができる明180表面正常°程度回転対称。二次測定フェーズの間に、我々は半球の上と天頂18,19（ 図1のルーチンII.A）の60°内で配布さ7観察方向からの測定値を取得しました。 この論文の図では、我々はLamprotornis purpureus（パープル光沢ムクドリ）、虹色の光沢のある、かつ異方性となっている反射率（ 図5）の羽から測定代表的なデータを示しています。 7視方向のそれぞれにおいて、反射光は半球上に入射する照明方向、数百から収集される。方向は、羽の中心軸（ 図4の羽の画像を参照）に直交する向きの狭いバンドを結成。虹色のカラーシフトは微妙です（垂直入射で青緑色と斜入射で緑がかった青）{0°、0＆ドに見られるような羽は、その表面に通常の見たときG; 図5の} RGBプロット。視野角のアプローチの放牧として、視線方向と放牧入射方向間の角度が見られるように、より印象的なカラーシフト（入射と観察方向の間で240°0°とマゼンタで青緑色）につながる、最大化され{60°、0°} 図5のRGBプロット。 我々は1次元に動きを制限するときに我々ははるかに細かい角度分解能で光とカメラのステップに余裕ができます。 図6は L.の反射率の色度を示しています入射視方向は、遠位小羽枝の長手軸に垂直な鏡面バンドを含む平面内に入射し、視野方向の間の角度の関数としてpurpureus羽 。色空間を経由して虹色アークとして、色相は青緑から紫にシフト。 空間変数<html>ここで、別の方向の反射率のATIONが表示されている（X、Y）が異なるミリスケールの構造に対応する外皮の座標。 L.の場合purpureus唯一つの構造-遠小羽枝は-地域の中で最も上に表示されます。対照的に、Cのcupreusは 、3ミリスケールの構造が-枝、遠barbules、および近位barbules -はっきりデータで区別され、我々は羽からその反射率を観察することができます（ 図8）の各構造の縦軸に対して配向されている。 <img alt="図1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig1.jpg" /> 図1。この概略図には、2つの取り付け方法、球状ガントリ座標系、買収サンプリングの種類と、それぞれの結果を示す。<html> / ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;ターゲット=&quot; _blank &quot;&gt;より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> 図2。平坦羽、ターゲットの輪に囲まれた金属板の開口部を通して見える。球状ガントリーが複数の入射照明や ​​観察方向に羽からの光散乱を測定するために提起することができます。 L =ライトアーム（緯度）。 C =カメラアーム（緯度）。 B =カメラベース（経度）。 T =ターンテーブル（経度）。 F =フェザー。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> 図3。平均指向性散乱は、点、線又は羽毛羽根の矩形領域から計算することができる。 p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;SRC =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; 図4。プロット関数指向性散乱の例（R * =反射率、T * =透過率、P * =トップ、F * =フロント、S * =サイド、* =任意）とカラースキーム（* 1 =輝度、* 2 = RGB 、* 3 =色度） <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig5.jpg" /> 図5。輝度（上）と（仰角、方位角）座標対から見た方向余弦空間での半球反射率のRGBカラー（下）：{0°、0°}、{30°、0°}、{ 30°、90°}、{60°、0°}、{60°、45°}、{60°、90°}、と{60°、135°}。反射率がある<html>ターシャL.の横方向の羽根の25×25画素の矩形領域から平均化purpureus（パープル光沢ムクドリ）羽。赤い矢印は、カメラの方向を表しています。 <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> 図6。入射照明や ​​観察方向の中間角度の関数としての反射率の色度：CIE 1976制服色度スケール（USC）拡大された領域には、 <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 / &quot;SRC =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;を50254/50254fig7highres.jpg /&gt; 図7。入射照明と観察方向の間の角度の関数としての反射率が、遠位小羽枝の長手方向軸（斜線）へと、面内（赤）と直交する：（A）ドミナント波長、（B）パーセント彩度、（C ）パーセント輝度。色むらプロットにおける反射のRGBカラーです。負の波長の値は、非スペクトル紫の三角形内の色を表しています。 <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図8" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig8.jpg" /> 図8。 C.隣接する2つの枝の間に遠barbulesと近barbulesの平均方向反射率cupreus（AFコスタリカエメラルドカッコウ）。 <img alt="図9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> 図9。ガントリーランプに照らさ（A）非整流画像は、カメラのフラッシュに照らさ（B）非整流画像、（C）アフィン変換、フラッシュ照射画像の奥行き内（D）許容鋭い目標で濾過対象候補フィールド、（E）整流ランプ照射画像、（F）回転羽がトリミングされ、マスクされ、アップするヒント。 <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。

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

私たちは、構造的に複雑な材料からの散乱光の方向に空間的な変化をサンプリングするための非破壊的手法を提案する。同時に高分解能イメージングの微細スケールの方向の貢献を取り込む際に材料をそのまま維持することによって、我々は、総規模散乱挙動を保つ。結果は、生体関連ポジションとスケールでソフトウェアで可視化する。

生物材料からの空間的及び道順変化する光散乱の測定

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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