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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Esta pesquisa foi financiada pela Fundação Nacional de Ciência (NSF concessão de CARREIRA CCF-0347303 e NSF concessão CCF-0541105). Os autores gostariam de agradecer a Jaroslav Krivanek, Jon Lua, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, e John Hermanson por suas contribuições intelectuais. O Cornell Spherical pórtico foi construído a partir de um projeto devido a Duane Fulk, Marc Levoy, e Szymon Rusinkiewicz.

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Não há conflitos de interesse declarados.

Embora o desempenho e função de muitos colorações pigmentares e estruturais são bem conhecidos, a morfologia dos diversos tegumentos é tão complexa que os seus detalhes estruturais e função são mal compreendidos 20. Tegumentos desenvolveram especializações que variam espacialmente ao longo da superfície do organismo, de modo a reflectir a luz diferencialmente direcionalmente para o espectador. Direcionalidade tem recebido atenção principalmente no estudo de iridescência, devido à sua mudança de cor com a mudança do incidente e ângulo de visualização e pesquisa em iridescência de tegumento biológica tem atraído principalmente 1D e 2D algumas medidas 8,12,17. Mas medições 6D generalizadas não têm sido de rotina no estudo de tegumentos 21-23, iridescente ou de outra forma, e a literatura sobre fenótipos cor organismal é limitado pela falta de dados de cor direccionais do tipo nosso método proporciona. A pena é especialmente rich materiais tegumentar compreendendo arranjos de estrutura mili-escala dos farpa: rami, bárbulas distais, e bárbulas proximais. A pequena dimensão dos elementos e seus arranjos complexos tornam difícil discernir o desempenho de dispersão de luz dos elementos individuais. Nosso protocolo isolado com sucesso estrutura mili-escala a partir da influência da geometria macro-escala. Ao caracterizar as conseqüências funcionais da expressão direcional de estruturas mili-escala para a assinatura de campo distante da pena, que permitiu inquérito sobre suas conseqüências adaptativas. Enfrentamos compensações práticas entre resolução espectral, espacial e angular. Nós escolhemos alta resolução espacial, angular média e baixa espectral para os nossos estudos. Outras combinações podem ser usadas, mas algumas (por exemplo, todos os altos) conduzem a tempos de medição unworkably longos. A atenção deve ser focada em que é importante para os fenômenos particulares sendo estudados. Ao optar por empregar um RGB camera com um mosaico filtro Bayer, nós projetamos nosso protocolo para coincidir com o sistema visual humano. A câmara RGB pode ser substituído e o protocolo adaptado para medir a cor do estímulo relativa de qualquer organismo, por exemplo, a sensibilidade no espectro ultravioleta é necessária para medir a cor das aves de tetra-cromático 24,25. A câmara de imagem espectral iria fornecer a solução mais geral 25. Demonstramos nosso protocolo com penas das asas tertial uma vez que são coloridos e facilmente achatado contra uma placa de referência. Infelizmente, a abertura da placa de metal revelou apenas uma fracção da superfície da pena. Se pudéssemos medir simultaneamente a forma 3D da superfície da pena ao medir a sua reflexão 25, poderíamos evitar mecanicamente achatamento da pena e, em vez medir toda a pena em seu estado natural, não nivelado. Interativas, ferramentas especializadas e integradas para a visualização de dados fornecem substantial beneficiar os cientistas explorar e interpretar grandes volumes de dados. Quanto maior for a integração e interactividade, as ligações mais fáceis em que os dados são observados. No nosso software, um utilizador pode interactivamente traçar dispersão média direccional como uma função da posição da superfície (Figura 4). Desenvolvimento do nosso software pode integrar outras funções de plotagem (Figuras 6, 7) para estender a experiência interativa.

A cor eo padrão de tegumento de um organismo desempenhar funções ecológica e socialmente críticos mais taxa animal. Estas propriedades fenotípicas são determinados pela interacção da luz com a estrutura do tegumento, que podem exibir dispersão óptica que varia tanto espacialmente (por toda a superfície do tegumento), e direccionalmente (com mudança de direcção de iluminação e de visualização). Em materiais biológicos complexos, tais como penas, a direcção de dispersão de luz é influenciada pela orientação dos repetindo geometria mili-escala. Estas estruturas mili-escala em si pode ser incorporado com estruturas em escala nanométrica, como matrizes de melanina, que muitas vezes herdam a orientação mili-escala. De nano-a macro-escalas, a estrutura do tegumento evoluiu funcionalmente para aumentar a capacidade de sinalização do organismo. A fim de avaliar a influência da morfologia das escalas diferentes sobre a aparência geral, a ferramentasmedir e analisar a cor de estruturas biológicas precisam de flexibilidade para isolar espalhamento de luz direcional em várias escalas de ampliação. Nós desenvolvemos ferramentas de medição baseados em imagens de estudar como o desempenho da complexa e variada morfologia mili-escala de uma pena (rami farpa, bárbulas distais e proximais bárbulas) amplia a gama de expressão possível de estruturas em escala nanométrica sozinho. Em uma única imagem gravada pela câmera, observou-se que a luz refletida de forma diferente em diferentes locais da superfície da pena, isto é, reflexão de luz foi espacialmente variável. Quando foi transferida direcção da luz e da câmara em relação à pena, observou-se a reflectância mudada, isto é, a reflectância de luz foi direccionalmente variante 1. Após essas observações, foi elaborado um protocolo para mover metodicamente a luz e câmera em torno do assunto usando um pórtico esférica 2,3, com o qual nós capturamos duas dimensões de suposição rface (X e Y), 2 dimensões da direção da luz (latitude e longitude), e duas dimensões da direção da câmera (latitude e longitude) (Figura 2). Em software, exploramos visualmente as seis dimensões da luz espalhada em função da posição, direção de iluminação e direção de exibição. Pesquisas anteriores na reflectância de tegumentos tem muita freqüência descontada a contribuição de direcionalidade - por exemplo, a reflexão difusa vs especular ou isotrópico vs anisotrópica - a expressão da cor. A maioria das medidas de cor fixaram a luz incidente, objeto e geometria de visualização para evitar cuidadosamente os efeitos direcionais. Por exemplo, para eliminar a reflexão especular a partir de medições de cor, é comum colocar a luz perpendicular à superfície e registar a reflectância a 45 ° em relação à normal. Estudos que fazem ligação a morfologia direcional variando de reflectância geralmente se concentram em escala nanométricae suas conseqüências iridescentes 4-8. Poucos consideram a contribuição de micro, mili-e geometrias macro-escala para a assinatura óptica de campo distante 8-11. Por isso, é comum empregar um detector de luz para reflexão agregado em uma única área de interesse, que pode incluir vários componentes mili-e / ou macro-escala, como rami farpa, barbas, e até mesmo penas inteiras 6,8,11-17 . Quando a região de interesse seja mais pequeno do que o limite de resolução do detector, ou não se conforma com a forma do campo de visão do detector, o protocolo comum especifica dissecção espécime para isolar o espalhamento de luz a partir do elemento de mili-escala específica 8,10 , 13,15. Nós desenvolvemos um protocolo mais abrangente para aquisição de medição e visualização que incentiva a exploração das muitas variáveis, muitas vezes ignorados em outros estudos mais focalizados. Medimos o espalhamento de luz sobre uma esfera de direções e acrossa região do espaço através de um conjunto enorme de high-dynamic range, fotografias de alta resolução tirada de um conjunto sistemático de luz e direções de visualização. Nós empregamos um sensor de imagem de alta resolução com a sua matriz 2D de detectores de pixel escala bem. Agregação de hardware ocorre no nível de pixel, em uma escala menor do que os elementos mili-escala que estamos medindo. Uma segunda etapa agregados pixels individuais no software que o utilizador selecciona a forma eo tamanho da região de interesse. Por conseguinte, um único conjunto de medição pode ser analisada repetidamente em software para explorar diferentes aspectos da interacção de luz com material em várias posições e escalas biologicamente relevantes. Ao eliminar a dissecção e medindo toda a pena, nosso protocolo tem a vantagem de deixar a morfologia da pena cata intacta, mantendo contexto natural e função, isto é, as interações da luz entre elementos mili escala constituintes. A dispersão de luz a partir do organismo structure é multidimensional e difíceis de quantificar. Medido de espalhamento de luz 6D ainda não pode ser atribuída à morfologia específica dentro de uma hierarquia de escala com qualquer instrumento singular. Mas fizemos um passo importante nessa busca. Nós desenvolvemos uma ferramenta que abrange três métodos complementares - reflectância de amostragem utilizando o pórtico, explorar grandes volumes de dados em software, e visualizar subconjuntos de dados graficamente - a alargar a nossa capacidade de medir o espalhamento de luz 6D em qualquer ponto em um material, até o mili-escala. Como são utilizados protocolos como o nosso, podemos prever os biólogos irá identificar uma infinidade de traços-direcional e espacialmente diferentes e adaptações estruturais correspondentes em múltiplas escalas de desenvolvimento. Usando nossas ferramentas estamos empenhados em caracterizar o potencial de sinalização da expressão direcional e espacial das estruturas mili-escala, e espero lançar luz sobre suas conseqüências adaptativas. Nós abordar uma série de questões, tais como: a partir de umy dado ponto de observação, quais os elementos em escala bem ou regiões bruto escala da pena refletem fortemente? Como a orientação dos elementos de escala fina influenciar a direcção da luz dispersa? Quais as condições morfológicas produzir um brilho acetinado contra um brilho de lantejoulas do ornamento iridescente? Que algumas espécies produzem mais amplo &quot;janelas&quot; para a observação de iridescência do que outros? Estas perguntas podem ser feitas sobre os pássaros e as suas penas, mas também sobre quaisquer outros organismos que evoluíram a aparência da superfície especial para sinalização, camuflagem, ou por outros motivos.

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

A luz interage com tegumento de um organismo de uma variedade de escalas espaciais. Por exemplo, numa ave iridescente: estruturas em escala nano produzir uma cor, a estrutura de mili-escala de farpas e bárbulas determina em grande parte o padrão direccional da luz reflectida, e através da estrutura espacial macro-escala de curvas sobrepostas, penas, estes efeitos direccionais criar a textura visual. Milli efeitos escala e macro-escala determinar onde no corpo do organismo, e de que pontos de vista e em que a iluminação, as cores iridescentes são vistos. Assim, o flash altamente direcional de cor brilhante da garganta iridescente de um beija-flor não está devidamente explicado pela sua estrutura de nano-escala sozinho e questões permanecem. A partir de um determinado ponto de observação, quais os elementos mili-escala da pena são orientados a refletir fortemente? Que algumas espécies produzem mais amplo &quot;janelas&quot; para a observação de iridescência do que outros? Estas e outras questões semelhantes may ser perguntado sobre quaisquer organismos que evoluíram a aparência da superfície especial para sinalização, camuflagem, ou por outros motivos. A fim de estudar os padrões direcionais de espalhamento de luz a partir de penas, e sua relação com a morfologia mili-escala da ave, desenvolvemos um protocolo para medição da luz espalhada a partir de materiais biológicos utilizando muitas fotografias de alta resolução tiradas com diferentes iluminação e visualização direções. Uma vez que medir a luz espalhada em função de direção, pode-se observar as características da distribuição direcional da luz espalhada de que pena particular, e porque farpas e bárbulas são resolvidas em nossas imagens, podemos atribuir claramente as características direcionais para esses diferentes estruturas mili-escala. Manter a amostra intacta preserva o comportamento de dispersão bruto escala visto na natureza. O método aqui descrito apresenta um protocolo generalizado para analisar espacialmente e direcionalmente-varying espalhamento de luz a partir de materiais biológicos complexos em escalas múltiplas estruturais.

A medida primária da nossa protocolo (Rotina I na Figura 1), fixada na direcção da câmara normal à superfície e apenas movido a luz. Como a luz adere espalhamento ao princípio da reciprocidade, o resultado é o mesmo quer manter constante a câmera enquanto se move a luz sobre o hemisfério, ou vice-versa. Quando fixa a câmera ou a luz, o conjunto de direção 4-dimensional completo é subamostrados. Uma imagem mais completa do comportamento de dispersão é observada quando, ao contrário da medição primária, tanto luz e da câmara são movidos para longe da superfície normal e numa multiplicidade de direcções. Idealmente, poderíamos medir a dispersão de luz a partir de várias direções da câmera, a tantos quantos o número de incidentes direções de luz, para produzir um conjunto de dados simétrica. Na prática, isso exigiria demasiadas exposições. Em nossa experiência, podemos obter informações suficientes sobre as diferentes posições de visualização movendo a câmera algumas vezes assuming simetria de rotação de 180 ° sobre a superfície normal. Durante a fase de medição secundária, adquirimos medições de sete direcções de visualização distribuídas ao longo do hemisfério e dentro de 60 ° do zênite 18,19 (II.A rotina na Figura 1). Nas figuras deste artigo, vamos mostrar os dados medidos e representativos de uma pena de Lamprotornis purpureus (Starling brilhante roxo), a reflexão de que é iridescente, brilhante e anisotrópica (Figura 5). Em cada um dos sete sentidos da visão, a luz refletida é recolhida a partir de centenas de direções de iluminação incidente sobre o hemisfério. As direções de formar uma banda estreita ortogonalmente orientada para o eixo central da pena (imagem pena ver na Figura 4). A mudança de cor iridescência é subtil (verde-azulado em incidência normal e azul-esverdeado a incidência da pastagem), quando é visto a pena normal à sua superfície, como visto na {0 ° C, 0 &amp; Deg;} RGB enredo da Figura 5. À medida que o ângulo de visão abordagens pastagem, os ângulos entre a direcção de visão e as instruções de incidentes de pastoreio são maximizadas, levando a uma mudança de cor mais marcante (verde-azulado, a 0 ° e magenta a 240 ° entre incidente e direcções de observação), como visto na {60 °, 0 °} RGB trama na Figura 5. Nós podemos dar ao luxo de entrar a luz e câmera em muito resolução angular mais fina quando restringir os movimentos de uma dimensão. Figura 6 mostra a cromaticidade da reflectância de L. purpureus plumagem como uma função do ângulo entre o incidente e as direcções de visualização, quando o incidente e direcções de observação estão no plano que contém a banda especular, que é perpendicular ao eixo longitudinal do barbule distal. Como os arcos de cores iridescentes através do espaço cromáticas, a cor muda de verde-azulado ao roxo. Espacial variável<html> ção na reflectância direccional é visível quando for diferente (X, Y) do tegumento correspondem a diferentes estruturas de mili-escala. No caso de L. purpureus apenas uma estrutura - o barbule distal - é visível na maior parte da área. Em contraste, em C. cupreus, três estruturas mili escala - as bárbulas rami, distais e proximais bárbulas - são claramente distinguidos nos dados, podemos observar que a reflectância da pluma é orientada com respeito ao eixo longitudinal de cada estrutura (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. Esta visão esquemática descreve dois métodos de montagem, o sistema de coordenadas esférico pórtico, tipos de amostragem de aquisição e seus respectivos resultados.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Clique aqui para ver a figura maior. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figura 2. A pena achatada é visível através de uma abertura em uma placa de metal cercado por um anel de metas. Uma esférico pórtico podem ser colocados para medir a dispersão da luz de uma pena de iluminação incidente múltipla e direcções de visualização. L = braço Light (latitude). C = braço Camera (latitude). B = Base Camera (longitude). T = Turntable (longitude). F = Feather. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figura 3. Espalhamento direcional média pode ser computada a partir de uma região de pena cata ponto, linha ou retangular. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; Figura 4. Exemplo de espalhamento direcional funções plotagem (R * = Reflectance, T * = Transmitância, P * = Top, F * = frente, S * = Lado, A * = arbitrária) e esquemas de cores (* 1 = Luminance, * 2 = RGB , * 3 = Chromaticity). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a figura maior</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. A luminância (em cima) e de cor RGB (inferior) da reflectância hemisférica na direcção do espaço cosseno como visto a partir da (ângulo de elevação, ângulo azimute) pares de coordenadas: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °} e {60 °, 135 °.} A reflectância é<html> média entre a × pixels região retangular da palheta lateral de um L. tertial 25 25 purpureus (Starling brilhante roxo) pena. As setas vermelhas representam as direções da câmera. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a figura maior</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. Cromaticidade da reflectância em função da metade do ângulo entre a iluminação incidente e visualização direções:. CIE 1976 Balanças cromaticidade uniforme (USC) com a região ampliada <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a figura maior</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figura 7. Reflectância como uma função do ângulo entre a iluminação incidente e as direcções de visualização, no plano com (vermelho) e perpendicular a (sombreada) do eixo longitudinal do barbule distai: (A) comprimento de onda dominante, (B) por cento croma, (C ) Percentual luminância. The sombreamento de cor em lote A é a cor RGB da reflectância. Os valores de comprimento de onda negativos representam as cores no triângulo roxo não-espectral. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a figura maior</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. Reflectância média direccional de bárbulas bárbulas distais e proximais entre dois ramos adjacentes da C. cupreus (African Cuckoo Emerald). <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) imagem não-retificada iluminado pela lâmpada do pórtico, (B) imagem não-retificada iluminado pelo flash na câmera, (C) os candidatos alvo filtrados afim transformada, a imagem flash-iluminado, (D) alvos aceitavelmente nítido dentro de profundidade em campo, (E) imagem da lâmpada iluminada Retificado, (F) Rodado pena ponta para cima, foi colhido e mascarados. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a figura maior</a> .

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

Nós apresentamos um método não destrutivo para a amostragem variação espacial na direção da luz espalhada a partir de materiais estruturalmente complexos. Ao manter o material intacto, preservamos o comportamento de dispersão bruto escala, ao mesmo tempo em captar contribuições direcionais escala bem com imagens de alta resolução. Os resultados são visualizados no software em posições e escalas biologicamente relevantes.

Medindo espacialmente e direcional variando espalhamento de luz a partir de Material Biológico

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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