Biz yapısal karmaşık malzemelerden dağınık ışık yönünde mekansal değişimi örnekleme için bir tahribatsız yöntem mevcut. Aynı anda yüksek çözünürlüklü görüntüleme ince ölçekli yönlü katkıları çekerken malzeme sağlam tutarak, biz, brüt ölçekli saçılma davranışı korumak. Sonuçlar biyolojik-ilgili pozisyonlarda ve ölçeklerde yazılım görüntülendi.
Işık mekansal ölçeklerde çeşitli bir organizmanın deri ile etkileşime girer. Bir yanardöner kuş Örneğin: nano ölçekli yapıları renk üretmek; barbuslar ve barbulların mili ölçekli yapısı büyük ölçüde yansıyan ışığın yönlü desen belirler ve üst üste, kavisli tüy makro ölçekli mekansal yapısı ile, bu yönlü etkiler yaratmak görsel doku. Organizmanın vücudunda ve hangi bakış açılarından ve ne aydınlatma altında, yanardöner renkleri görülür nerede Milli ölçekli ve makro ölçekli etkilerinin belirlenmesi. Böylece, bir sinek kuşu yanardöner boğazından parlak renk son derece yönlü flaş yetersiz tek başına nano ölçekli yapısı ile açıklanabilir ve sorular kalır. Belirli bir gözlem noktasından, hangi tüy mili ölçekli elemanları güçlü yansıtacak şekilde odaklı? Bazı türler diğerlerinden daha yanardönerlik gözlem için daha geniş "pencere" üretmek mi? Bu ve benzeri sorular may sinyalizasyon, kamuflaj, ya da başka nedenlerle belirli bir yüzey görünümü gelişmiştir herhangi organizmalar hakkında sorulabilir.
Tüyler ışık saçılma yönlü desen çalışması, ve kuşun milli ölçekli morfolojisi ile olan ilişkisini için, biz aydınlatma değişen ve yön görüntüleme ile alınan birçok yüksek çözünürlüklü fotoğraflar kullanarak biyolojik maddeler saçılan ışık ölçmek için bir protokol geliştirdi. Biz yön bir fonksiyonu olarak dağınık ışık ölçmek yana, o tüy saçılan ışık yönlü dağıtımında karakteristik özelliklerini gözlemleyebilirsiniz ve barbuslar ve barballara bizim görüntülerde çözümlenir çünkü, biz açıkça bu farklı için yön özellikleri özellik olabilir mili ölçekli yapılar. Numunenin sağlam tutmak doğada görülen brüt ölçekli saçılma davranış korur. Burada anlatılan yöntemi mekansal-ve yönlü-va analiz etmek için genel bir protokol sunarbirden fazla yapısal ölçeklerde karmaşık biyolojik malzemelerden ışık saçılması rying.
Bir organizmanın integument renk ve desen ekolojik oyun ve en hayvan takson sosyal olarak kritik işlevleri. Bu fenotipik özellikler hem mekansal (kabuklarıyla yüzeyi boyunca) ve yönde (yön aydınlatma ve görüntüleme değişim ile) değişir optik saçılma yer alabilirler kabuk yapısı, ile ışık etkileşimi tarafından belirlenir. Bu tüyler gibi karmaşık biyolojik maddeler, olarak, ışık saçılması yönünde mili ölçekli geometri tekrar yönünü etkilenir. Bu milli ölçekli yapılar kendileri gibi sık sık milli ölçekli yönelim miras melanin diziler, gibi nano ölçekli yapıları, gömülü olabilir. Itibaren makro ölçekler nano için, kabuk yapısı organizmanın sinyal yeteneğini artırmak için işlevsel gelişmiştir. Genel görünümü üzerine farklı ölçeklerde morfolojisi etkisini değerlendirmek için, araçlarabiyolojik yapıların rengini ölçmek ve analiz etmek büyütme çeşitli ölçeklerde yönlü ışık saçılması izole etmek için esneklik gerekir.
Bir tüy karmaşık ve çeşitli mili ölçekli morfolojisi (barb rami, distal barballara ve proksimal barballara) performansını nano ölçekli yapıları tek başına mümkün ifade yelpazesini genişletiyor nasıl incelemek için görüntü tabanlı ölçme araçları geliştirilmiştir. Kamera tarafından kaydedilen tek bir görüntü olarak, ışık tüy yüzeyinde farklı yerlerde farklı yansıyan görülmektedir, yani, ışık yansıtma mekansal-değişen oldu. Biz tüy ile ilgili olarak ışık ve kamera yönünü taşındığında, biz yansıma ışık yansıtma 1 yönde değişen oldu, yani, değişti görülmektedir. Bu gözlemler ardından, yöntemli biz su 2 boyutları ele hangi ile küresel bir portal 2,3, kullanarak konu etrafında ışık ve kamera taşımak için bir protokol tasarlanmışrface konumu (X ve Y), ışık yönü 2 boyutları (enlem ve boylam), ve kamera yönü 2 boyutları (enlem ve boylam) (Şekil 2). Yazılım biz görsel olarak konumu, aydınlatma yönünü ve Bakış açısı bir fonksiyonu olarak dağınık ışık 6. boyutları araştırdı.
Integuments gelen yansıma içine Önceki araştırmalarda çok sık yön katkısı iskonto var – örneğin yaygın vs aynaya veya izotropik vs anizotropik yansıması – renk ifade. En renk ölçümleri dikkatle yönlü etkileri önlemek için olay ışık, nesne ve izleme geometri sabit. Örneğin, renk ölçümleri aynasal yansıma ortadan kaldırmak için, bu yüzeye normal ışık yerleştirin ve normal 45 ° yansıma kaydetmek için yaygındır. Yönde değişen yansıma bağlantı morfoloji yapmak Çalışmaları genellikle nano ölçekli odaklanmakve yanardöner sonuçları 4-8. Birkaç uzak alan optik imza 8-11 mikro-, milli-ve makro ölçekli geometri katkısını düşünün. Bu tür barb rami, barballara, ve hatta tüm tüyler 6,8,11-17 gibi birden fazla mili-ve / veya makro ölçekli bileşenler içerebilir ilgi tek bir alan üzerinde toplam yansıma için bir ışık detektörü istihdam nedenle yaygındır . Ilgi bölge ya da dedektör kararı sınırından daha küçük veya görüş dedektörün alanı şekline uymayan olduğunda, ortak protokol belirli mili ölçekli elemanı 8,10 gelen ışık saçılması izole etmek için örnek diseksiyon belirtir , 13,15.
Biz ölçüm satın alma ve genellikle diğer daha odaklı çalışmalarda göz ardı pek çok değişken keşif teşvik görselleştirme için daha kapsamlı protokol geliştirdik. Biz yön ve acros bir küre üzerinde ışık saçılması ölçmekyüksek dinamik aralık büyük bir dizi kullanarak alanı sa bölgesi, yüksek çözünürlüklü fotoğraflar ışık ve bakış açıları sistematik bir dizi alınan. Biz iyi ölçekli piksel dedektörleri onun 2D dizi ile yüksek çözünürlüklü görüntüleme sensörü kullanır. Donanım toplama ölçüyoruz mili ölçekli elemanları daha küçük bir ölçekte, piksel düzeyinde gerçekleşir. Kullanıcı olarak yazılım bir ikinci aşama agrega tek tek piksel ilgi bölgenin şekli ve boyutu seçilir. Buna göre, tek bir ölçüm seti tekrar tekrar çok biyolojik-ilgili pozisyonlarda ve ölçeklerde malzeme ile ışık etkileşimi farklı yönlerini keşfetmek için yazılım analiz edilebilir. Diseksiyon ortadan kaldırarak ve tüm tüy ölçerek, bizim protokol doğal bağlam ve, kurucu milli ölçekli elemanları arasında ışığın etkileşimleri olan fonksiyonu koruyarak, sağlam tüy kanat morfolojisi bırakarak avantajına sahiptir.
Organizma s ışık saçılmasıtructure çok boyutlu ve ölçmek zordur. Ölçülen 6D ışık saçılması olarak henüz herhangi bir tekil aletle ölçekli bir hiyerarşi içinde belirli morfolojisi isnat edilemez. Ama biz bu peşinde önemli bir adım yaptık. , Örnekleme yansıma portal kullanarak yazılım büyük veri hacimleri keşfetmek ve grafiksel veri alt kümeleri görselleştirme – – Biz üç tamamlayıcı yöntemler kapsayan bir araç geliştirdik aşağı için, bir malzeme üzerinde herhangi bir noktada 6D ışık saçılması ölçmek için yeteneğimizi genişletmek için milli ölçekli. Bizim gibi protokoller istihdam edilmektedir olarak, biyologlar gelişme birden ölçeklerde yönlü ve mekansal-değişen özellikleri ve ilgili yapısal uyarlamalar sayısız belirleyecektir tahmin. Bizim araçlarını kullanarak biz milli ölçekli yapıların yönlü ve mekansal ifade sinyal potansiyel karakterize yapan ve uyum sonuçları ışık tutacak umuyoruz. Biz gibi sorular, bir dizi ele: bir deny tüy ince çaplı elemanları veya ağır ölçekli bölgelerde güçlü yansıtan gözlem noktası, verilen? Nasıl ince çaplı elemanları yönünü dağınık ışık yönünü etkiliyor? Ne morfolojik koşulları yanardöner süs bir payetli ışıltı vs bir saten parlak üretmek? Bazı türler diğerlerinden daha yanardönerlik gözlem için daha geniş "pencere" üretmek mi? Bu sorular kuşlar ve tüyleri konusunda değil, aynı zamanda sinyalizasyon, kamuflaj, ya da başka nedenlerle belirli bir yüzey görünümü gelişmiştir diğer organizmalar hakkında istenebilir.
Birçok pigment ve yapısal renklerin performans ve fonksiyon iyi tanınan olmasına rağmen, birçok integuments morfolojisi yapısal detay ve fonksiyon kötü 20 anlaşılması çok karmaşık. Integuments diferansiyel izleyici doğru yönde ışık yansıtmak için organizmanın yüzeyi üzerinde mekansal farklılık uzmanlık geliştirdik. Yönü öncelikle biyolojik integument yanardönerlik içine rengini olay ve görüş açısı değişikliği ile vardiya, ve araştırma nedeniyle yanardönerlik çalışmada dikkat çekmiştir öncelikle 1D topladı ve bazı 2D ölçümler 8,12,17 etti. Ama genel 6D ölçümleri yanardöner veya başka integuments 21-23, çalışmada rutin olmamıştır, ve organizma renk fenotipleri ile ilgili literatürü bizim yöntem sağlar türü yönlü renk veri eksikliği sınırlıdır.
Tüy özellikle rrami, distal barballara ve proksimal barballara: milli ölçekli barb yapısı düzenlemeleri kapsayan ich deriye malzeme. Elemanları ve karmaşık düzenlemelerin küçük ölçekli zor bireyin elemanlarının ışık saçılması performansı ayırt yapmak. Bizim protokolü başarıyla makro ölçekli geometri etkisinden mili ölçekli yapı izole. Tüy uzak alan imza mili ölçekli yapıların yönlü ifade fonksiyonel sonuçları karakterize, biz kendi adaptif sonuçları soruşturma sağladı.
Biz spektral, uzaysal ve açısal çözünürlük arasında pratik ödünleşmeler karşı karşıya. Biz yüksek uzaysal, orta açısal ve çalışmalar için düşük spektral seçti. Diğer kombinasyonlar kullanılabilir, ancak unworkably uzun ölçüm kez bazı (örneğin tüm yüksek) kurşun olabilir. Çalışılan belirli olaylar için önemli olduğu dikkat odaklı olmalıdır. RGB ca istihdam seçimindeBir Bayer filtre mozaik ile mera, biz insan görme sisteminin maç için protokol tasarlanmıştır. RGB kamera yerini ve protokol herhangi bir organizma göreli renk uyarıcı ölçmek için adapte olabilir, UV spektrumu örneğin hassasiyet kuş tetra-renk renk 24,25 ölçmek için gereklidir. Bir spektral kamera en genel çözümü 25 sağlayacaktır.
Bu renkli ve kolay bir referans plaka karşı basık olduğu için biz tertial kanat tüyleri ile protokol gösterdi. Ne yazık ki, metal plakanın diyafram tüy yüzeyinin sadece bir kısmını ortaya çıkardı. Onun yansıma 25 ölçüm yaparken biz aynı anda tüy yüzeyinin 3 boyutlu şeklini ölçmek olsaydı, biz tüy düzleştirme mekanik önlemek ve bunun yerine doğal, yassılaştırılmamış halde tüm tüy ölçebilir.
Görselleştirme veri için etkileşimli, özel, entegre araçlar substanti sağlamakal büyük veri hacimleri keşfetmek ve yorumlama bilim adamlarına yarar. Daha fazla entegrasyon ve etkileşim, veri daha kolay bağlantı görülmektedir. Bizim yazılım, kullanıcı etkileşimli yüzey pozisyonu (Şekil 4) bir fonksiyonu olarak ortalama yönlü saçılma çizebilirsiniz. Bizim yazılım daha da geliştirilmesi diğer komplo fonksiyonları (Şekil 6, 7) etkileşimli bir deneyim genişletmek için entegre olabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu araştırma, Ulusal Bilim Vakfı (NSF KARİYER ödül CCF-0.347.303 ve NSF hibe CCF-0.541.105) tarafından finanse edildi. Yazarlar kendi fikri katkıları için Jaroslav Křivánek, Jon Ay, Edgar Velázquez-Armendáriz, Wenzel Jakob, James Harvey, Susan Suarez, Ellis Loew, ve John Hermanson teşekkür etmek istiyorum. Cornell Küresel Gantry Duane Fulk, Marc Levoy ve Szymon Rusinkiewicz nedeniyle bir tasarım inşa edilmiştir.