从生物材料空间定向变化的光散射测量

当使用我们的方法来衡量一个样本，实验者必须决定一组摄像头和光线方向，并为每个组合的摄像头和光线方向，用不同的快门速度，相机会多次暴露。移动相机会需要附加的处理，因为它改变了的试样的视图，如在图像中看到，因此，我们通常使用的相机方向和更多数量的光源方向的一小部分。 在下面的详细协议，我们首先介绍如何执行测量与许多光源方向和一台摄像机方向，以及如何处理和可视化结果的数据（协议）。在的主要协议，它可以单独使用，也足以观察正在研究的现象的单一视图中，我们始终保持垂直于样品的摄像机视图（主例程在图1）。是必需的，当多个相机方向斜意见的样品可以变形，撤消移动相机的效果，从而完全对齐图像与规范垂直视图。为了计算这些经纱，进行额外的校准步骤，使用放置在样品周围的摄像头相对于​​样品的运动精确地确定目标的观察。协议的细节校准程序，并介绍如何选择参数和运行协议1多次从多个视图（中学例程，在图1）收集数据。最后，协议细节的其他步骤必须插入第一议定书纠正斜在数据处理过程中的意见。 1。测量散射光的入射方向（图1中的初级套路在球体的表面法线方向） 准备和安装要测量的对象准备薄有色金属安装板目标的环（ 如图2所示）所包围的一个半英寸口径的。 准备的材料，以进行测量。如果测量羽毛，新郎的倒钩，以纠正任何解压缩或错位部分的pennaceous叶片。 莱物体表面的（正面面对羽毛）对目标环的对面）的背面侧（板。 中心板在½英寸光圈感兴趣的区域。 奠定磁性膜具有5/8-英寸孔径对对象的背面侧（反向面对的羽毛）的片材，从而按物体单位对板。 不剪切表面的膜的孔径的光圈板对齐。的平坦的表面钉扎的圆形孔的圆周周围，产生一个平面的宏观面与板的表面大致一致。 配置龙门找到中心龙门式坐标系统的原点的圆形光圈。 龙门外手臂上放置一个光源。对准狭重点对象，确保光孔径均匀照亮所有光源角度。 龙门手臂内侧放置一个摄像头。调整相机的距离和微距镜头的焦距的目标，直到环填充的传感器的宽度。 校准的相机和灯臂的旋转运动（θ，φ）。校准的倾斜（θ）相对于该对象的表面的法线，使相机和灯泡是否与表面法线对齐时，θ= 0。校准相机的方位角（φ）的方位角的灯。的绝对方位角方向并不重要，因为所拍摄的图像可以被旋转后在协议。 配置相机的对​​焦和曝光罗塔TE的相机，直到对象是在放牧的角度观看。减少的F数，以尽量减少字段的深度（DOF），然后将焦点设置在光圈的中心平面。增加的F数的自由度增加，直到周围的光圈环的目标是关注的焦点。衍射和自由度诱导的模糊之间的妥协可能是必需的。 剪辑的一种颜色标准安装板平贴。对于RGB图像使用一个的麦克白颜色检查。对于紫外 – 可见 – 近红外光谱测量使用的Spectralon。 RAW格式拍摄的颜色标准。颜色通道乘数计算白平衡图像。 查找跨越场景的动态范围，在最极端的观看和照明方向的包围曝光。 对于每个支架的曝光时间，获取暗噪声图像传感器暴露的镜头盖。 获取测量入射方向从一个人烟稀少采样球体定位相机轴垂直于表面平面{θ，φ} = {0,0}。 步骤的一系列均匀分布的球体上的位置，光线通过使用粗糙的采样（ 例如，小于500点）。 对于在采样每个入射光方向： 捕获原始图像每次曝光时间，曝光支架。 捕获一个单一的形象照亮相机安装闪光灯同步到一个相对较短的曝光时间来抑制龙门灯照明。 前进到下一个入射光方向和重复。 从稀疏采样球体的过程测量使用dcraw的一个模式调试（文件），禁止其去马赛克功能，从RAW格式转换成灰度，16位，线性，PGM格式： 每个暗噪声暴露。 每个接触的对象在每个入射光方向。 </ OL> 整合所有低动态范围（LDR）龙门灯照明下的灰度风险成一个单一的高动态范围（HDR）为每个入射光方向的彩色图像。 减去相应的暗噪声图像从每个LDR曝光。 去马赛克每个LDR曝光产生一个季度规模形象。 白平衡每个LDR曝光使用的颜色通道乘数计算步骤1.C.3。 合并暗噪声减去LDR成一个单一的HDR图像在每个像素位置，并通过所有的值相加除以曝光时间的总和，省略了曝光过度的像素从两笔款项的风险。 商店半浮点精度和无损小波（PIZ），的压缩编码EXR格式的HDR图像。 如果摄像机的方向是不规范方向，或在测量运行的多个摄像机的方向设定的一部分（在图1中 ，二级例程ND协议2）： 转换的LDR灰度曝光的闪光照明的跟踪目标为每个入射光方向的去马赛克，一季度规模，LDR EXR格式彩色图像。 按照协议使用闪光照明图像投影每个HDR灯照式图像转换到规范的视图。 旋转的HDR图像转化为所需的方向- 例如，在我们的案例中，90°旋转定位羽轴和垂直羽尖。 紧紧围绕圆孔裁剪HDR图像。屏蔽目标外盘金属光圈减小文件大小高达25％。 列置换，整组HDR图像中的数据来创建一组文件，一个为每个图像中的多个块组成的，即包含所有的定向反射率值按像素。这些定向反射缓存文件的组织，使快速访问LL的方向在一个单一的像素位置的三维物体的二维投影的颜色测量。 可视空间变光散射跨层次的规模要浏览测量，使用定制SimpleBrowser应用，解释数据步骤1.E.处理的SimpleBrowser打开的窗口包含由第一事故照明方向照亮的羽毛的形象。 在图像上的羽毛叶片，个别像素或一组像素的直链或矩形安排可以被选择（ 图3）。继续通过选择进行分析的羽毛叶片的一个矩形区域。然后，绘制选定区域的平均方向散射光。 A地块窗口显示反射方向余弦函数打开相邻的图像窗口（ 图4中的R1）。 默认情况下，该方向的最大亮度（透射方向，在一个TY羽PICAL测量）被分配为1的曝光。减少或增加曝光在一个半停止（√2×）的增量来调整曝光的反射率彩色地图。 周期的反射率之间的亮度，RGB和色度的色彩映射（参见图4中的R1，R2和R3）。对于以下步骤使用RGB。 要旋转的球体，点击它，使轨迹球接口。拖动界面，引起旋转。要查看反射半球，球返回到它的默认位置（见R2在图4）。球体旋转180°，从它的默认位置，以查看透过率半球（参见图4中的T2）。 对于数据的另一种观点认为，选择极性的情节模式，缩放的半径，每个方向上的单位球体由各自的亮度值。改变它的颜色的亮度的地图缩放球体从RGB色度（见P3，F3，S3中，在图4中的A3 </strONG>）。 所显示的图像的照明方向的红色圈中的方向的散射图（ 图4）。点击任何其他事故照明方向的羽毛从那个方向照射显示图像。 减少或增加曝光的图像，揭示过度和曝光不足的区域。 调查反射跨尺度的层次，恢复的情节模式的单位球体和RGB彩色地图。在审查中，该地块从所选图像的矩形区域显示平均定向反射。 改变矩形线性的（ 图3）的选择类型。这将允许在矩形区域中的方向反射从个体精细尺度结构的研究。 绘制的反射率的线性平均在新窗口中，同时保持矩形平均作参考。调整曝光和一套彩色地图RGB。 <l>在的 ​​线性平均容积，小羽枝所跨越的线 ​​性区域的前端能够被看见，以反射光在水平方向（ 图8）。选择一个线性的情节，在左边显示图像中的高反射小羽枝远端的照明方向。 步骤朝羽毛的尖端的线，直到它到达该区域的羽毛小羽枝近端分支从相邻支。的线性平均容积的基小羽枝看到的反射光的方向垂直（ 图8）。选择的方向之一，显示在左侧图像中的高反射率的小羽枝近端。 在此线性图，观察精细尺度的结构相结合，产生的远场的信号的矩形图中看到的水平和垂直方向的反射光。 2。测量散射光多摄像机方向（中学日常在图1中） 多个相机的看法和非均匀定向抽样，让我们​​来研究特定方向反射的功能。 2.A和2.B校准步骤此外，协议已扩大到处理多个相机视图。 2.C和2.D步骤设置了两个具体的例子生动地说明图1中为次要套路A和二II.B。在这种情况下，摄像机的方向改变从它的规范方向（垂直于表面），这意味着在被拍摄对象从它的表面的法线倾斜的方向。由于图像必须被映射到同一个坐标系，我们整顿和引用闪光灯拍摄目标周围的样品（ 图9），每张照片变形，以符合规范的方向。 校准相机投影位置： 这些步骤的目的是计算相机PROJ挠度和用于图像变换位置。 剪辑一个方格图案校准目标单位对安装板。 规范摄像机视图（ 即{θ，φ} = {0,0}）和一些其他各种相机视图图像传播规范的观点集中在超过120°锥捕捉一幅图像。 将图像转换成一个MATLAB工具箱B，摄像机标定工具箱Bouguet。提取每个图像的网格角来重构相机矩阵。出口的内在相机的投影矩阵（P）和外在的摄像头位置基质（M）。的特性相机投影的焦距，主点组成的。外在相机位置主要是由翻译翻译世界的起源到相机的位置。 解决的矩阵，该矩阵变换校正目标坐标龙门转台坐标（X）， 即 BougueT空间龙门空间。 从金属板打开手机检查模式。 校准目标位置和投影偏移： 这些步骤的目的是要计算的校准平面，目标平面，和样品之间的偏移量，来定位目标位置。 旋转台架的照相机的光轴垂直于表面平面坐标， 即规范的帧。 环周围的光圈与闪光照明的目标的捕获图像。这是典型的图像进行图像对齐。 处理原始相机输出（协议中列出的步骤1.E.3.a.和1.E.4。）。 掩盖了区域内外环目标区域，消除杂散镜面高光，可能会混淆目标识别，然后找到图像中的目标。 放牧角度旋转相机拍摄图像。 计算规范的CAMERA姿势（MC = M * RC）和掠射角相机的姿势（镁= M * RG）的基础上的外在相机矩阵M在步骤2.A.3。其中包括Bouguet方格图案的位置的基础上翻译。 重新定义M由抵销其翻译的纸靶环的厚度。迭代，直到在龙门Bouguet棋盘和目标， 即厚度的纸靶环的环平面的平面之间的空间偏移，已经通过试验和错误（重新计算通过不同的偏移量校准平面）解决了。验证在每次迭代重新投影的目标的目标在掠射角图像到规范的图像偏移。 按照上一步骤中的步骤，重新投影到有孔的，在典型的图像的对象，通过试验和错误，直到有孔的对象中的擦地角图像目标的环的平面的平面的台架之间的空间中的偏移量，重新定义中号f的带孔的对象， 即在金属板的厚度，已经解决了。 非均匀采样测量七反射半球（ 图1中的辅助日常II.A） 检查从相机视图的表面的法线测量的反射光的方向分布， 即{θ，φ} = {0,0}中所描述的协议1。重新取样半球反射，记录相机光芒从非镜面方向更稀疏和镜面方向更密集。 应用同样的标准采样6附加数码相机的方向均匀地分布在半半球反射率， 即{θ，φ} = {30,0}，{30,90}，{60,0}，{60,45} ，{60,90}，{60,135}。预测的6个附加试验的镜面区域，从观察方向每个加上初次运行的反射角。 对于每一个7的非均匀LY采样半球，采集和处理测量中的指示步骤1.D.，和1.E.所示。 视觉化浏览来自同一区域的羽毛在各7非均匀采样的半球方向反射后，在步骤1.F.中的指示所示。排列方向的反射率曲线为每个方向上的极坐标系统，摄像机的方向（看的视觉结果在图1中的常规II篇A， 图5）是基于每个小区的位置7的摄像头。 测量精细采样半圆形的路径来获得颜色变化的详细信息角（次要日常II.B 如图1） 启动SimpleBrowser的应用程序和输入处理后测量的反射率的非均匀采样的半球摄像机的方向{θ，φ} = {0,0}中所描述的步骤2.C.1。上选择ë键图像中的像素，那么适合的平面在所选择的像素位置的亮度的半球反射率的第90百分位。 构建一维采集运行，精细样品镜面反射镜面。生成½°的半锥角为单​​位递增，在先前步骤中定义的平面的台架臂的角度。开始的半锥角等于0°增大到90°的半锥角。如果在采集运行中的每一个测量，保持常量并等于对于表面法线的半矢量，以便在镜面反射方向上位于每个摄像机的方向。 按照指示在步骤1.D.，采集和处理测量和1.E.所示。 视觉化浏览1D方向反射，按照指示步骤1.F.，一边品尝使用相同的像素，以适应在步骤2.D.1镜面上一个很小的区域（ 如 3×3个像素）为中心的。峰值反射率， 即找到方向遮阳正常。构建3个额外的数据获取中相同的方式作为步骤2.D.2中。运行，但设置半遮光，而不是正常的表面法线的向量。三个额外的运行，生成在于飞机含有遮光正常的，但旋转45°，90°和135°的相对于镜面平面，定义在步骤2.D.1的龙门臂角度。 按照指示在步骤1.D.，采集和处理测量和1.E.所示。 视觉化浏览1D方向反射，按照指示步骤1.F.，同时采样一个非常小的区域（ 例如 3×3的像素）的像素集中使用，以适应在步骤2.D.1镜面。出口从SimpleBrowser的平均反射辐射这个非常小的区域。 在MATLAB中，绘制其色度功能半角色度图（ 图6）。画出它的色相，彩度和亮度的函数的半角度（<强图7）。 构建四个1D采集运行在与上述相同的四个平面，但这次配置的光，相机的方向测量的宽度和镜面反射率的衰减。设置一个恒定的10°的光与相机之间的半锥角。生成台架臂的角度在1°的半绕轴线的平面垂直的矢量的增量。开始用半矢量等于-80°到+80°，其中0°等于遮光正常增加的半矢量。请注意，并非所有的相机的方向位于镜面的方向。 收购，加工和出口测量中的说明步骤1.D.和1.E.，2.D.6。分别在MATLAB中，半矢量和遮光正常之间的角度作为一个功能的色度图上绘制色度。画出其色相，彩度和亮度之间的角度的函数的半矢量和遮光正常的。 </lI> 3。射影变换投影变换到典型视图或视线方向正交的平面的面的每一个HDR图像。此协议访问的步骤1.E.3.b测量运行时，存在多个摄像机的方向上设置，如协议2中概述的实施例，并以图形方式示出作为图1中的辅助例程的一部分。 阅读一个规范的图像从非镜面的方向照射。 （在放牧镜面的方向在纸张表面之间的白色和黑色墨的对比度降低可导致到目标检测故障。比较清晰的图像A和B在图9。） 找到规范的图像中的每个目标的中心坐标。 负载对于一个给定的方向对电灯相机（ 图9中的B）的安装在相机上的闪光照亮的对象图像。 大约TRA在目标图像规范画幅相机使用龙门相机矩阵M计算的步骤2.B.7 nsform。 找到每个目标的中心的坐标变换后的目标图像（ 图9中的C）。 在变换后的目标图像，其通过寻找参考图像和目标之间的最小距离，在典型的图像的参照目标的每个目标相匹配。 丢弃任何目标模糊所造成的自由度在掠射角（ 图9中的D）。 解决了二维射影变换，映射图像目标的规范框架规范在同一帧图像目标。 Untransform的翘曲以适合从规范的图像帧的目标返回到原始图像帧通过的平面有孔的对象（M在步骤2.B.8），而不是平面（M在第2步中的目标。 B.7）。 减的目标范围内的孔的有孔观察目标图像中的对象的坐标对在规范的目标图像的拍摄对象。 加载HDR图像照明灯（ 图9）。 推断出空间射影变换从得救目标坐标对HDR图像转换成规范的框架（ 图9中的E）。 返回到主协议。 一个 Dcraw执行是由大卫棺材开发的一个开源的计算机程序。相机的专有的RAW格式图像（ 即未处理CCD数据）转换成一个标准的图像格式。见http://www.cybercom.net/〜dcoffin / / dcraw的 。 b Bouguet工具箱的相机标定工具箱的MATLAB开发让伊夫Bouguet的。见“ http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc“ 。