Name: measuring spatially- and directionally-varying light scattering from biological material
Uploaded: 2013-05-20T12:00:00
Duration: 11 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material at JoVE.com

Esta investigación fue financiada por la National Science Foundation (NSF premio CARRERA CCF-0.347.303 y subvenciones NSF CCF-0541105). Los autores desean agradecer a Jaroslav Křivánek, Jon Luna, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, y John Hermanson por sus contribuciones intelectuales. El Cornell esférico pórtico fue construido a partir de un diseño debido a Duane Fulco, Marc Levoy y Szymon Rusinkiewicz.

<ol>
	<li>Nicodemus, F., Richmond, J., Hsia, J., Ginsberg, I., Limperis, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Geometric considerations and nomenclature for reflectance. , (1977).</li><li>Marschner, S. R., Jensen, H. W., Cammarano, M., Worley, S., Hanrahan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+scattering+from+human+hair+fibers.">Light scattering from human hair fibers.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 22 (3), 780-791 (2003).</li><li>Marschner, S. R., Westin, S., Arbree, A., Moon, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+and+modeling+the+appearance+of+finished+wood.">Measuring and modeling the appearance of finished wood.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 24 (3), 727-734 (2005).</li><li>Land, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+physics+and+biology+of+animal+reflectors.">The physics and biology of animal reflectors.</a> Progress in Biophysics and Molecular Biology. 24, 75-106 (1972).</li><li>Durrer, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colouration.">Colouration.</a> Biology of the Integument: Vertebrates. 2 (12), 239-247 (1986).</li><li>Brink, D., van der Berg, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+colours+from+the+feathers+of+the+bird+Bostrychia+hagedash.">Structural colours from the feathers of the bird Bostrychia hagedash.</a> Journal of Physics D-Applied Physics. 37 (5), 813-818 (2004).</li><li>Kinoshita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Structural colors in the realm of nature. , (2008).</li><li>Nakamura, E., Yoshioka, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+Color+of+Rock+Dove's+Neck+Feather.">Structural Color of Rock Dove's Neck Feather.</a> Journal of the Physical Society of Japan. 77 (12), 124801 (2008).</li><li>Westin, S., Arvo, J., Torrance, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predicting+reflectance+functions+from+complex+surfaces.">Predicting reflectance functions from complex surfaces.</a> ACM SIGGRAPH Computer Graphics. 26 (2), 255-264 (1992).</li><li>Shawkey, M. D., Maia, R., D'Alba, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Proximate+bases+of+silver+color+in+anhinga+(Anhinga+anhinga)+feathers.">Proximate bases of silver color in anhinga (Anhinga anhinga) feathers.</a> Journal of Morphology. 272 (11), 1399-1407 (2011).</li><li>Maia, R., D'Alba, L., Shawkey, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+makes+a+feather+shine?+A+nanostructural+basis+for+glossy+black+colours+in+feathers.">What makes a feather shine? A nanostructural basis for glossy black colours in feathers.</a> Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 278 (1714), 1973-1980 (2011).</li><li>Dyck, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+and+light+reflection+of+green+feathers+of+fruit+doves+(Ptilinopus+spp.)+and+an+Imperial+Pigeon+(Ducula+concinna).">Structure and light reflection of green feathers of fruit doves (Ptilinopus spp.) and an Imperial Pigeon (Ducula concinna).</a> Biologiske Skrifter (Denmark). 30, 2-43 (1987).</li><li>Yoshioka, S., Kinoshita, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+macroscopic+structure+in+iridescent+color+of+the+peacock+feathers.">Effect of macroscopic structure in iridescent color of the peacock feathers.</a> Forma. 17 (2), 169-181 (2002).</li><li>Osorio, D., Ham, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+reflectance+and+directional+properties+of+structural+coloration+in+bird+plumage.">Spectral reflectance and directional properties of structural coloration in bird plumage.</a> Journal of Experimental Biology. 205 (14), 2017-2027 (2002).</li><li>Stavenga, D. G., Leertouwer, H. L., Pirih, P., Wehling, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging+scatterometry+of+butterfly+wing+scales.">Imaging scatterometry of butterfly wing scales.</a> Optics Express. 1 (1), 193-202 (2009).</li><li>Vukusic, P., Stavenga, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+methods+for+investigating+structural+colours+in+biological+systems.">Physical methods for investigating structural colours in biological systems.</a> Journal of Royal Society Interface. 6, S133-S148 (2009).</li><li>Stavenga, D. G., Leertouwer, H., Marshall, N. J., Osorio, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dramatic+colour+changes+in+a+bird+of+paradise+caused+by+uniquely+structured+breast+feather+barbules.">Dramatic colour changes in a bird of paradise caused by uniquely structured breast feather barbules.</a> Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 278 (1715), 2098-2104 (2010).</li><li>Irawan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Appearance of woven cloth [dissertation]. , (2008).</li><li>Irawan, P., Marschner, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specular+reflection+from+woven+cloth.">Specular reflection from woven cloth.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG. 31 (1), 11:1-11:20 (2012).</li><li>Vukusic, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+colour:+elusive+iridescence+strategies+brought+to+light.">Structural colour: elusive iridescence strategies brought to light.</a> Current Biology: CB. 21 (5), R187-R189 (2011).</li><li>Dana, K., Ginneken, B., Nayar, S., Koenderink, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reflectance+and+texture+of+real-world+surfaces.">Reflectance and texture of real-world surfaces.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 18 (1), 1-34 (1999).</li><li>Chen, Y., Xu, Y., Guo, B., Shum, H. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+and+rendering+of+realistic+feathers.">Modeling and rendering of realistic feathers.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 21 (3), 630-636 (2002).</li><li>Levoy, M., Zhang, Z., McDowall, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recording+and+controlling+the+4D+light+field+in+a+microscope+using+microlens+arrays.">Recording and controlling the 4D light field in a microscope using microlens arrays.</a> Journal of microscopy. 235 (2), 144-162 (2009).</li><li>Stevens, M., P&#225;rraga, C. A., Cuthill, I. C., Partridge, J. C., Troscianko, T. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+digital+photography+to+study+animal+coloration.">Using digital photography to study animal coloration.</a> Biological Journal of the Linnean Society. 90 (2), 211-237 (2007).</li><li>Kim, M. H., Harvey, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+imaging+spectroscopy+for+measuring+hyperspectral+patterns+on+solid+objects.">3D imaging spectroscopy for measuring hyperspectral patterns on solid objects.</a> ACM Transactions on Graphics (TOG). 31 (4), (2012).</li></ol>

No hay conflictos de interés declarado.

Aunque el rendimiento y la función de muchas coloraciones pigmentarias y estructurales son bien reconocidos, la morfología de muchos tegumentos es tan complejo que su detalle estructural y función, son poco conocidos 20. Tegumentos han desarrollado especializaciones que varían espacialmente sobre la superficie del organismo para reflejar la luz diferencialmente direccionalmente hacia el espectador. Direccionalidad ha recibido atención principalmente en el estudio de la iridiscencia debido a su cambio de color con el cambio de incidente y ángulo de visión, y la investigación de iridiscencia de tegumento biológica ha obtenido principalmente 1D y 2D algunas mediciones 8,12,17. Sin embargo, las mediciones 6D generalizadas no han sido rutina en el estudio de tegumentos 21-23, iridiscentes o de otra manera, y la literatura sobre fenotipos de color organismal se ve limitada por la falta de datos de color direccionales del tipo nuestro método proporciona. La pluma es especialmente rmateriales tegumentario ich compuesto por un régimen de estructura mili-escala de las barbas: rami, barbules distales y proximales barbas. La pequeña escala de los elementos y sus complejos arreglos hacen que sea difícil discernir el comportamiento de dispersión de luz de los elementos individuales. Nuestro protocolo lograron aislar la estructura a gran escala mili de la influencia de la geometría macro escala. Al caracterizar las consecuencias funcionales de la expresión de dirección de las estructuras mili-escala a la firma en el campo lejano de la pluma, hemos habilitado investigación sobre sus consecuencias adaptativas. Enfrentamos intercambios prácticos entre espectral, resolución espacial y angular. Elegimos alta resolución espacial, angular media y baja espectral para nuestros estudios. Otras combinaciones podrían ser utilizados, pero algunos (por ejemplo, todos los alta) conducen a tiempos de medición unworkably largos. La atención debe centrarse en los que es importante para los fenómenos particulares que se están estudiando. En la elección de emplear un ca RGBmera con un filtro de mosaico Bayer, hemos diseñado nuestro protocolo para que coincida con el sistema visual humano. La cámara RGB podría ser sustituido y nuestro protocolo adaptado para medir el estímulo de color relativa de cualquier organismo, se necesita por ejemplo, sensibilidad en el espectro UV para medir aviar tetra-cromática de color 24,25. Una cámara de imagen espectral sería la solución más general 25. Demostramos nuestro protocolo con plumas de las alas terciarias ya que son coloridos y fácilmente aplastado contra una placa de referencia. Por desgracia, la abertura de la placa de metal reveló sólo una fracción de la superficie de la pluma. Si se pudiera medir simultáneamente la forma 3D de la superficie de la pluma, mientras que la medición de su reflectancia 25, podríamos evitar mecánicamente el aplanamiento de la pluma y en lugar de medir la totalidad de la pluma en su estado natural, sin aplanar. Herramientas interactivas, especializados e integrados para la visualización de datos proporcionan substantial beneficiar a los científicos explorar e interpretar grandes volúmenes de datos. Cuanto mayor sea la integración y la interactividad, se observan las conexiones más fáciles en los datos. En nuestro software, un usuario puede trazar interactiva dispersión direccional promedio como una función de la posición de la superficie (Figura 4). Un mayor desarrollo de nuestro software puede integrar otras funciones gráficas (Figuras 6, 7) para extender la experiencia interactiva.

El color y el patrón de tegumento de un organismo desempeñan funciones ecológicas y de crítica social en la mayoría de los taxa animales. Estas propiedades fenotípicas son determinados por la interacción de la luz con la estructura del tegumento, que puede exhibir dispersión óptica que varía tanto espacial (a través de la superficie del tegumento) y direccionalmente (con el cambio en la iluminación y la dirección de visión). En los materiales biológicos complejos, tales como plumas, la dirección de dispersión de la luz se ve influida por la orientación de repetir geometría mili-escala. Estas mismas estructuras mili escala pueden ser incorporados a las estructuras a nanoescala, como arrays de melanina, que a menudo heredan la orientación a escala mili. De nano-a macro-escalas, la estructura del tegumento ha evolucionado funcionalmente para aumentar la capacidad de señalización del organismo. Con el fin de evaluar la influencia de la morfología de las diferentes escalas en la apariencia general, herramientas paramedir y analizar el color de las estructuras biológicas necesitan flexibilidad para aislar dispersión de la luz direccional a varias escalas de ampliación. Hemos desarrollado herramientas de medición basadas en imágenes para estudiar cómo el rendimiento de la morfología de escala mili complejo y variado de una pluma (ramas lengüeta, barbules distales y proximales barbules) amplía la gama de expresión posible de estructuras de nanoescala solo. En una sola imagen registrada por la cámara, se observó que la luz reflejada de manera diferente en diferentes lugares sobre la superficie de la pluma, es decir, reflectancia de la luz fue espacialmente variable. Cuando nos mudamos de la dirección de la luz y la cámara con respecto a la pluma, se observó la reflectancia cambiado, es decir, reflexión de la luz fue direccionalmente variando 1. A raíz de estas observaciones, se ha diseñado un protocolo para moverse metódicamente la luz y una cámara en torno al tema mediante un pórtico esférica 2,3, con el que capturamos 2 dimensiones de doposición rface (X e Y), 2 dimensiones de la dirección de la luz (latitud y longitud) y 2 dimensiones de la dirección de la cámara (latitud y longitud) (Figura 2). En el software se exploraron visualmente las 6 dimensiones de la luz dispersada en función de la posición, la dirección de iluminación y dirección de la vista. Las investigaciones previas sobre la reflectancia de tegumentos ha descontado demasiada frecuencia la contribución de direccionalidad - por ejemplo, la reflexión difusa vs especular o isotrópica vs anisotrópico - a la expresión del color. La mayoría de las mediciones de color se han fijado la luz incidente, objeto, y la geometría de visualización de evitar cuidadosamente los efectos direccionales. Por ejemplo, para eliminar la reflexión especular a partir de las mediciones de color, es común colocar la luz normal a la superficie y registrar la reflectancia a 45 ° de la normal. Los estudios que hacen enlace morfología direccionalmente variable reflectancia suelen centrarse en la nano escalay sus consecuencias iridiscentes 4-8. Pocos consideran que la contribución de las micro, milisegundos y geometrías macro-escala para la firma óptica de campo lejano 8-11. Por lo tanto, es común emplear un detector de luz de reflexión global a través de una única área de interés que pueden incluir varios componentes mili-y / o macro-escala, tales como ramas de púa, barbas, e incluso plumas enteras 6,8,11-17 . Cuando la región de interés es o bien más pequeño que el límite de resolución del detector o no se ajusta a la forma del campo del detector de vista, el protocolo común especifica disección espécimen para aislar la dispersión de la luz desde el elemento de escala mili específico 8,10 , 13,15. Hemos desarrollado un protocolo más amplio para la adquisición de la medición y visualización que permite la exploración de las muchas variables a menudo ignorados en otros estudios más específicos. Medimos la dispersión de la luz en un campo de direcciones y acrossa región del espacio con un conjunto masivo de alto rango dinámico, fotografías de alta resolución tomadas desde un conjunto sistemático de la luz y direcciones de visión. Contamos con un sensor de imagen de alta resolución con su variedad de detectores de píxeles en 2D a escala fina. Agregación en el hardware se produce a nivel de píxel, en una escala más pequeña que los elementos mili-escala que estamos midiendo. Una segunda etapa agregados píxeles individuales de software que el usuario selecciona la forma y el tamaño de la región de interés. En consecuencia, un único conjunto de medición puede ser analizado varias veces en el software para explorar diferentes aspectos de la interacción de la luz con el material en múltiples posiciones y escalas biológicamente relevantes. Mediante la eliminación de la disección y la medición de toda la pluma, nuestro protocolo tiene la ventaja de dejar la morfología de la paleta pluma intacta, conservando contexto natural y la función, es decir, las interacciones de luz entre los elementos constitutivos escala mili. Dispersión de la luz de organismal structura es multidimensional y difícil de cuantificar. Medidas de dispersión de luz 6D no puede aún ser atribuido a la morfología específica dentro de una jerarquía de escala con cualquier instrumento singular. Pero hemos dado un paso importante en esta búsqueda. Hemos desarrollado una herramienta que abarca tres métodos complementarios - reflectancia de muestreo utilizando el pórtico, la exploración de grandes volúmenes de datos en el software, y la visualización de subconjuntos de datos gráficamente - de ampliar nuestra capacidad de medir la dispersión de la luz 6D en cualquier punto de un material, hasta el escala mili. Como se emplean protocolos como el nuestro, nosotros predecimos biólogos identificar miles de rasgos direccionalmente y espacialmente variable y adaptaciones estructurales correspondientes a múltiples escalas de desarrollo. Utilizando nuestras herramientas nos dedicamos a caracterizar el potencial de señalización de la expresión direccional y espacial de las estructuras mili-escala, y la esperanza de arrojar luz sobre las consecuencias adaptativas. Nos dirigimos a una serie de preguntas, tales como: a partir de unay dado el punto de observación, que los elementos a escala fina o regiones a escala bruto de la pluma se hacen eco? ¿Cómo afecta la orientación de los elementos a escala fina influir en la dirección de la luz dispersa? ¿Qué condiciones morfológicas producen un brillo satinado vs un brillo de lentejuelas del ornamento iridiscente? ¿Algunas especies producen más amplio &quot;ventanas&quot; para la observación de las irisaciones que otros? Estas preguntas pueden ser preguntado por las aves y sus plumas, sino también sobre otros organismos que han evolucionado a un aspecto de la superficie determinada para la señalización, camuflaje, o por otras razones.

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

La luz interactúa con tegumento de un organismo en una variedad de escalas espaciales. Por ejemplo, en una ave iridiscente: estructuras a nanoescala producen el color, la estructura mili-escala de barbas y bárbulas determina en gran medida el patrón direccional de la luz reflejada, ya través de la estructura espacial macro-escala de superposición, plumas curvadas, estos efectos direccionales crear la textura visual. Efectos Milli escala y macro escala determinan en qué parte del cuerpo del organismo, y por lo que los puntos de vista y en que la iluminación, los colores iridiscentes se ven. De este modo, el flash muy direccional del color brillante de la garganta iridiscentes de un colibrí se explica adecuadamente por su estructura a escala nano solo y preguntas permanecen. Desde un punto de observación dado, que los elementos mili-escala de la pluma están orientados para reflejar fuertemente? ¿Algunas especies producen más amplio &quot;ventanas&quot; para la observación de las irisaciones que otros? Estas y otras preguntas similares may se le preguntó acerca de los organismos que han evolucionado a un aspecto de la superficie determinada para la señalización, camuflaje, o por otras razones. Para estudiar los patrones direccionales de dispersión de la luz de las plumas, y su relación con la morfología de escala mili del ave, se desarrolló un protocolo para la medición de la luz dispersada a partir de materiales biológicos con muchas fotografías de alta resolución tomadas con distintos iluminación y visualización de direcciones. Como medimos la luz dispersada en función de la dirección, se puede observar los rasgos característicos de la distribución direccional de la luz dispersada por esa pluma especial, y porque barbas y bárbulas se resuelven en nuestras imágenes, podemos atribuir claramente las funciones de dirección para estos diferentes estructuras de escala mili. Mantener la muestra intacta preserva el comportamiento de dispersión escala bruta visto en la naturaleza. El método descrito aquí presenta un protocolo generalizado para analizar espacialmente-y-direccionalmente VArying dispersión de la luz a partir de materiales biológicos complejos en múltiples escalas estructurales.

La medida primaria de nuestro protocolo (Rutina I en la Figura 1) fija la dirección de la cámara normal a la superficie y sólo se movió la luz. Dado que la luz se adhiere dispersión al principio de reciprocidad, el resultado es el mismo si mantenemos constante la cámara mientras se mueve la luz en el hemisferio, o viceversa. Cuando fijamos la cámara o de la luz, el juego completo dirección 4-dimensional se submuestreada. Se observa una imagen más completa del comportamiento de la dispersión cuando, a diferencia de la medición primaria, tanto de la luz y la cámara se mueven lejos de la normal de la superficie y en una multiplicidad de direcciones. Lo ideal sería que pudiéramos medir la dispersión de luz de muchas direcciones de cámara, para cuantos el número de direcciones de luz incidente, para producir un conjunto de datos simétrica. En la práctica, esto requeriría demasiadas exposiciones. En nuestra experiencia, podemos obtener suficiente información acerca de las diferentes posiciones de visión moviendo la cámara algunas veces assuming 180 ° simetría rotacional alrededor de la normal de la superficie. Durante la fase de medición secundaria, adquirimos mediciones de 7 direcciones visuales distribuidas en el hemisferio y dentro de 60 ° del cenit 18,19 (II.A de rutina en la Figura 1). En las figuras de este trabajo, mostramos datos representativos y medidos de una pluma de Lamprotornis purpureus (Starling brillante púrpura), la reflectancia de las cuales es iridiscente, brillante y anisotrópico (Figura 5). En cada una de las direcciones de visión 7, la luz reflejada se recoge de cientos de direcciones luminosas incidentes en el hemisferio. Las direcciones forman una banda estrecha orientada ortogonalmente al eje central de la pluma (ver imagen Pluma en la Figura 4). El cambio de color iridiscencia es sutil (de color verde azulado en incidencia normal y de color azul verdoso en incidencia rasante) cuando la pluma se considera normal a su superficie como se ve en la {0 °, 0 y deg;} RGB gráfica de la Figura 5. A medida que el ángulo de visión de los enfoques de pastoreo, los ángulos entre la dirección de la visión y la dirección incidente de pastoreo se maximizan, lo que lleva a un cambio de color más llamativo (azul-verde a 0 ° y magenta a 240 ° entre los hechos y las direcciones visuales) como se ve en la {60 °, 0 °} RGB parcela en la Figura 5. Nos podemos permitir el paso de la luz y una cámara en gran resolución angular más fina cuando se restringe el movimiento de dimensión 1. Figura 6 muestra la cromaticidad de la reflectancia de L. plumaje purpureus como una función del ángulo entre el incidente y direcciones de visión, donde el incidente y direcciones de observación están en el plano que contiene la banda especular, que es perpendicular al eje longitudinal de la bárbula distal. En los arcos de colores iridiscentes por el espacio cromático, el color cambia del verde azulado al púrpura. Variabilidad espacial<html> ción en la reflectancia direccional es visible cuando sean diferentes (X, Y) las coordenadas del tegumento corresponden a diferentes estructuras de escala mili. En el caso de L. purpureus sólo una estructura - la bárbula distal - es visible sobre la mayor parte de la zona. Por el contrario, en C. cupreus, tres estructuras mili escala - las ramas distales, barbas y bárbulas proximal - se distingue claramente en los datos, se puede observar que la reflectancia de la pluma se orienta con respecto al eje longitudinal de cada estructura (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 visión esquemática muestra dos métodos de montaje, el sistema de coordenadas de pórtico esférica, tipos de muestreo de adquisición y sus respectivos resultados.<html> / Ftp_upload/50254/50254fig1large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver más grande la figura. <img alt="La figura 2" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig2.jpg" /> Figura 2. La pluma aplanada es visible a través de una abertura en una placa de metal rodeado por un anillo de objetivos. Un pórtico esférica se puede plantear para medir la dispersión de luz de una pluma en la iluminación incidente múltiple y direcciones visuales. L = brazo Light (latitud). C = brazo de la cámara (latitud). B = Cámara Base (longitud). T = Turntable (longitud). F = Feather. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig3.jpg" /> Figura 3. Promedio de dispersión direccional puede ser calculada a partir de una región de punto, línea o rectangular de paleta pluma. p_upload/50254/50254fig4highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig4.jpg &quot;/&gt; La Figura 4. Ejemplo de dispersión direccional representación de funciones (R * = reflectancia, T * = transmitancia, P * = C * = Top, Front, S * = Side, A * = arbitraria) a los regímenes y color (* 1 = luminancia, * 2 = RGB , * 3 = cromaticidad). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver más grande la figura</a> . <img alt="La 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 luminancia (parte superior) y de color RGB (parte inferior) de la reflectancia hemisférica en sentido espacio coseno según se ve desde los (ángulo de elevación, ángulo de azimut) pares de coordenadas: {0 °, 0 °}, {30 °, 0 °}, { 30 °, 90 °}, {60 °, 0 °}, {60 °, 45 °}, {60 °, 90 °}, y {60 °, 135 °}. La reflectancia es<html> promediado a partir de una región rectangular 25 × 25 píxeles de la aleta lateral de una L. terciarias purpureus (Starling brillante púrpura) pluma. Las flechas rojas representan direcciones cámara. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig5large.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver más grande la figura</a> . <img alt="La figura 6" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig6.jpg" /> La Figura 6. Cromaticidad de la reflectancia en función del ángulo medio entre la luz incidente y direcciones visuales:. CIE 1976 Escalas cromáticas uniformes (USC) con la región ampliada <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver más grande la figura</a> . / 50254/50254fig7highres.jpg &quot;src =&quot; / files/ftp_upload/50254/50254fig7.jpg &quot;/&gt; Figura 7. La reflectancia como una función del ángulo entre la iluminación incidente y direcciones de visión, en el plano con (rojo) y perpendicular a (sombreada) del eje longitudinal de la bárbula distal: (A) longitud de onda dominante, (B) Porcentaje de croma, (C ) Porcentaje de luminancia. El sombreado de color en la parcela A es el color RGB de la reflectancia. Los valores negativos representan los colores de longitud de onda en el triángulo púrpura no espectral. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig7large.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver más grande 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. Promedio de reflectancia direccional barbules distales y proximales bárbulas entre dos ramas adyacentes del C. cupreus (African Emerald Cuckoo). <img alt="Figura 9" fo:content-width="6in" fo:src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50254/50254fig9.jpg" /> La Figura 9. (A) Imagen no rectificado iluminada por la luz del pórtico, (B) no rectificado imagen iluminada por el flash de la cámara, (C), se filtró candidatos destino en afín-transformado, imagen flash con iluminación, (d) Objetivos aceptablemente nítidas en profundidad de campo, (E) Rectificado imagen Lámpara iluminada, (F) Girado pluma punta hacia arriba, se ha cosechado y enmascarados. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/50254/50254fig9large.jpg" target="_blank">Haz clic aquí para ver más grande la figura</a> .

Watch this Scientific Journal Video about Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material at JoVE.com

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

Se presenta un método no destructivo para el muestreo de la variación espacial en la dirección de la luz dispersada a partir de materiales estructuralmente complejas. Al mantener el material intacto, preservamos el comportamiento de dispersión de escala gruesa, mientras que al mismo tiempo captar contribuciones direccionales escala fina con imágenes de alta resolución. Los resultados se visualizan en el software en las posiciones y escalas biológicamente relevantes.

Medición espacialmente y direccionalmente variable dispersión de luz 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 ...

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Engineering

Physics

Mechanical Engineering

Unit 1

Physics Basics

Units, Dimensions, and Measurements

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

La fabricación de óxidos complejos espacialmente confinados

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Investigación

Ingeniería

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

Medición material Microestructura Bajo Flujo de 1-2 Plano de Flujo de ángulo pequeño dispersión de neutrones

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Using Neutron Spin Echo Resolved Grazing Incidence Scattering to Investigate Organic Solar Cell Materials

Uso de neutron spin echo resuelto grazing incidencia dispersión para investigar materiales orgánicos de células solares

The spin echo resolved grazing incidence scattering (SERGIS) technique has been used to probe the length-scales associated with irregularly shaped ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

La medición de la dispersión no linealidades de una nanopartícula Individual plasmónicas

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation

Métodos experimentales para procesos de enfriamiento Elastocaloric Investigación de memoria de forma basada y validación del modelo

Shape Memory Alloys (SMA) using elastocaloric cooling processes have the potential to be an environmentally friendly alternative to the conventional vapor ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Metodología basada en el perfilador de dispersión de luz de barrido (SLPS) para evaluar cuantitativamente la dispersión de luz hacia delante y hacia atrás desde lentes intraoculares

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...

High-speed Continuous-wave Stimulated Brillouin Scattering Spectrometer for Material Analysis

Espectrómetro de dispersión de Brillouin estimulada onda continua alta velocidad para análisis de materiales

Recent years have witnessed a significant increase in the use of spontaneous Brillouin spectrometers for non-contact analysis of soft matter, such as ...

Determination of the Excitation and Coupling Rates Between Light Emitters and Surface Plasmon Polaritons

Determinación de la excitación y el acoplamiento entre emisores de luz y plasmón superficial Polaritons

We have developed a unique method to measure the excitation and coupling rates between the light emitters and surface plasmon polaritons (SPPs) arising ...

Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples

Rayos x de sincrotrón Microdiffraction y proyección de imagen de fluorescencia de las muestras de rocas y minerales

In this report, we describe a detailed procedure for acquiring and processing&#160;x-ray microfluorescence (&#956;XRF), and Laue and powder ...

Measurement of Dynamic Force Acted on Water Strider Leg Jumping Upward by the PVDF Film Sensor

Medición de fuerza dinámica en agua Strider pierna saltando hacia arriba por el Sensor de la película PVDF

This study aimed to make an explanation for the phenomenon in nature that water strider usually jumps or glides on the water surface easily but quickly, ...