Misurare spazialmente e Directionally-variante Light Scattering da materiale biologico

L'impiego di nostri metodi per misurare un campione, lo sperimentatore deve decidere su una serie di telecamera e direzioni leggeri, e per ciascuna combinazione di telecamera e la luce direzioni, la fotocamera effettua diverse esposizioni con differenti tempi di posa. Spostare la fotocamera richiede ulteriori elaborazioni, perché cambia la vista del campione come si vede nell'immagine, in modo che normalmente utilizzano un piccolo numero di direzioni telecamera e un maggior numero di direzioni sorgente luminosa. Nei protocolli dettagliati di seguito, abbiamo prima descritto come eseguire una misurazione con molte direzioni fonte di luce e una sola direzione della telecamera, e come elaborare e visualizzare i dati risultanti (protocollo 1). Nel protocollo primario, che può essere utilizzato da solo quando un'unica vista è sufficiente osservare fenomeni studiati, abbiamo sempre mantenere la telecamera perpendicolarmente al campione (Routine primaria nella Figura 1). Quando sono necessarie più indicazioni della fotocamera, larisultante viste oblique del campione può essere deformato per annullare gli effetti del movimento della fotocamera e quindi allineare le immagini esattamente con la vista perpendicolare canonica. Per calcolare questi orditi, eseguiamo passaggi taratura addizionali che utilizzano osservazioni di bersagli disposti attorno al campione per determinare con precisione il movimento della telecamera rispetto al campione. Protocollo 2 dettagli questa procedura di calibrazione e spiega come selezionare i parametri ed esecuzione del protocollo 1 più volte per raccogliere dati da più punti di vista (Routine secondarie in Figura 1). Infine, il protocollo 3 dettagli gli ulteriori passi che devono essere inseriti nel protocollo 1 per rettificare le proiezioni oblique durante l'elaborazione dei dati. 1. Misurare la luce diffusa nella direzione della normale alla superficie sopra la Sfera di incidenti stradali (Routine primaria nella figura 1) Preparare e Montare il dell'oggetto da misurare Preparare una piastra di montaggio in metallo ferroso sottilecon un'apertura ½ pollice circondato da un anello di bersagli (come visto in Figura 2). Preparare il materiale da misurare. Se la misurazione di una piuma, lo sposo le barbe per correggere eventuali sezioni decompressi o disallineato della banderuola pennaceous. Deporre la superficie dell'oggetto (faccia dritto della piuma) contro il lato posteriore (opposta all'anello target) della piastra. Centro della regione di interesse sull'apertura ½ pollice nella piastra. Lay un foglio di pellicola magnetica con apertura 5/8-inch contro il lato posteriore dell'oggetto (faccia opposta della piuma), premendo così l'oggetto piatto contro la piastra. Allineare l'apertura del film alla apertura della piastra di tranciatura, senza la superficie. La superficie appiattita, riposte attorno alla circonferenza della apertura circolare, produce una superficie planare macro-approssimativamente coincidente con la superficie della piastra. Configurare il Gantry Individuare ilcentro dell'apertura circolare all'origine del sistema di coordinate a portale. Posizionare una sorgente luminosa sul braccio esterno a portale. Mirare e stretto focalizzare la luce in oggetto, assicurando che l'apertura è uniformemente illuminato per tutti gli angoli della sorgente luminosa. Mettere una telecamera sul braccio interno gantry. Regolare la distanza della telecamera e la lunghezza focale della lente macro finché l'anello di obiettivi riempie la larghezza del sensore. Calibrare i movimenti di rotazione (θ, φ) della telecamera e le braccia della lampada. Calibrare l'inclinazione (θ) rispetto alla superficie dell'oggetto normale in modo che la telecamera e la lampada sono allineati con la superficie normale quando θ = 0. Calibrare l'azimut (φ) della fotocamera per l'azimut della lampada. L'orientamento azimutale assoluto non è critica in quanto le immagini catturate possono essere ruotate in seguito nel protocollo. Configurare la messa a fuoco ed esposizione Rotate la fotocamera fino a quando l'oggetto viene visto con un angolo radente. Diminuire il numero f per minimizzare la profondità di campo (DOF), quindi impostare il piano di messa a fuoco al centro dell'apertura. Aumentare il numero f per aumentare la DOF finché l'anello di obiettivi che circondano l'apertura è a fuoco. Un compromesso tra diffrazione e DOF indotta sfocatura può essere richiesto. Fissare uno standard di colore piatto contro la piastra di montaggio. Per le immagini RGB usano un Color Checker Macbeth. Per misure UV-visibile-NIR usare Spectralon. Fotografare il colore standard in formato RAW. Calcolare i moltiplicatori dei canali colore per il bilanciamento del bianco dell'immagine. Trovare la staffa di esposizione che tocca la gamma dinamica della scena sotto la visione più estrema e direzioni illuminazione. Per ogni tempo di esposizione nella staffa, acquisire un'immagine scura rumore esponendo il sensore con il coperchio sull'obiettivo. Acquisire Misure da una sfera in campioni di incidenti stradali Posizionare l'asse telecamera normale al piano di superficie {θ, φ} = {0,0}. Passaggio attraverso la luce di una serie di posizioni uniformemente distribuite sulla sfera, utilizzando un campionamento grossolano (ad esempio, meno di 500 punti). Per ogni direzione della luce incidente nel campionamento: Catturare un immagine raw per ogni tempo di esposizione nella fascia di esposizione. Catturare una singola immagine illuminata dalla telecamera montata in flash sincronizzato ad un tempo relativamente breve esposizione per sopprimere l'illuminazione della lampada a portale. Passare alla successiva direzione della luce incidente e ripetere. Processo Misure da Sfera in campioni Utilizzando il debug (documento) modalità di dcraw una per disabilitare la funzione di demosaicizzazione, convertire dal formato RAW a scala di grigi a 16 bit, lineare, formato PGM: Ogni esposizione al rumore scuro. Ogni esposizione dell'oggetto in ciascuna direzione della luce incidente. </ Ol> Integrare tutte basso range dinamico (LDR) in scala di grigi esposizioni di cui agli cavalletto illuminazione lampada in un singolo ad alta gamma dinamica (HDR) a colori per ciascuna direzione della luce incidente. Sottrarre l'immagine corrispondente rumore scuro da ciascun LDR esposizione. Demosaicizzazione ogni LDR esposizione a produrre un'immagine scala di un quarto. Bilanciamento del bianco ogni LDR esposizione utilizzando i moltiplicatori dei canali di colore calcolato al passaggio 1.C.3. Unire dark-noise-sottratto LDR esposizioni in una singola immagine HDR sommando tutti i valori ad ogni pixel e dividendo per la somma dei tempi di esposizione, omettendo sovraesposte pixel da entrambe somme. Conservare immagine HDR in formato EXR codificati in precisione semi-galleggiante e lossless wavelet (PIZ) di compressione. Se la direzione della telecamera non è la direzione canonica o il ciclo di misura è parte di un multiplo direzione impostata telecamera (routine secondarie in figura 1 unaProtocollo ND 2): Convertire la singola esposizione LDR scala di grigi degli obiettivi di monitoraggio flash-illuminati per ciascuna direzione della luce incidente ad un demosaiced, scala un quarto, LDR un'immagine a colori in formato EXR. Seguire il protocollo 3 per utilizzare l'immagine flash-illuminato a proiettiva trasformare ogni immagine Lampada-illuminato HDR in vista canonico. Ruotare le immagini HDR in l'orientamento desiderato – ad esempio nel nostro caso un 90 ° di rotazione orienta il rachide verticale e la punta della penna su. Ritagliare le immagini HDR strettamente intorno alla apertura circolare. Mascherare gli obiettivi e la piastra metallica fuori del diaframma riduce la dimensione del file fino al 25%. Permutare i dati nel intero set di immagini HDR per creare una serie di file, uno per ciascuno dei diversi blocchi dell'immagine, che contengono tutti i valori di riflettanza direzionali organizzati da pixel. Questi file di cache di riflettanza direzionali sono organizzati per consentire un rapido accesso a unll le misurazioni del colore direzionali ad un 'unica posizione di pixel della proiezione 2D dell'oggetto 3D. Visualizza spazialmente variabile Light Scattering Attraverso una gerarchia di Scala Per navigare tra le misure, utilizzare l'applicazione SimpleBrowser personalizzata per interpretare i dati trattati in step 1.E. SimpleBrowser apre una finestra che contiene l'immagine della piuma illuminata dalla prima direzione di illuminazione incidente. Sull'immagine della paletta piuma, possono essere selezionati singoli pixel o gruppi di pixel in modalità lineare o rettangolare (Figura 3). Procedere selezionando una regione rettangolare della banderuola piuma per l'analisi. Poi, tracciare la dispersione media di luce direzionale dalla regione selezionata. Una finestra plot che mostra riflettanza come funzione di coseni direttori apre adiacente alla finestra dell'immagine (R1 in Figura 4). Per impostazione predefinita, la direzione di massima luminanza (una direzione di trasmittanza in un tymisurazione piuma pical) viene assegnato un esposizione di 1. Diminuire o aumentare l'esposizione in una metà di arresto (2 √ x), con incrementi per regolare l'esposizione della mappa dei colori di riflessione. Ciclo della mappa dei colori di riflessione tra luminanza, RGB, e cromaticità (Vedi R1, R2, R3 e in Figura 4). Per le seguenti operazioni utilizzano il sistema RGB. Per ruotare la sfera, fare clic su di esso per attivare l'interfaccia trackball. Trascinare l'interfaccia per provocare la rotazione. Per visualizzare l'emisfero riflettanza, restituire la sfera nella posizione di default (vedi R2 in Figura 4). Ruotare la sfera di 180 ° dalla posizione predefinita per visualizzare l'emisfero trasmittanza (vedere T2 nella Figura 4). Per un'altra vista dei dati, selezionare la modalità di diagramma polare di scalare i raggi di ogni direzione sulla sfera unitaria dai rispettivi valori di luminanza. Modificare la mappa di colore della sfera in scala di luminanza da RGB a cromaticità (Vedi P3, F3, S3, A3 in Figura 4 </strong>). La direzione di illuminazione dell'immagine visualizzata è cerchiata in rosso nella dispersione trama direzionale (Figura 4). Fare clic su qualsiasi altra direzione di illuminazione incidente a mostrare l'immagine della piuma illuminato da quella direzione. Diminuire o aumentare l'esposizione dell'immagine per rivelare più e sottoesposta regioni. Per indagare riflettanza attraverso una gerarchia di scale, ripristinare la modalità di rappresentazione nella sfera unitaria e la mappa dei colori in RGB. In rassegna, questa trama mostra la riflettanza media direzionale dalla regione rettangolare selezionata sull'immagine. Modificare il tipo di selezione da rettangolare lineare (Figura 3). Questo permetterà studio della riflettanza direzionale da singole strutture a scala fine nella regione rettangolare. Tracciare la riflettanza della media lineare in una nuova finestra mantenendo la media rettangolare per riferimento. Regolare l'esposizione e impostare mappa dei colori in RGB. <li> Nella media trama lineare, le barbule distali attraversati dalla regione lineare sono visti per riflettere la luce in direzioni orizzontali (Figura 8). Selezionare una delle direzioni di illuminazione nella trama lineare per visualizzare le barbule distali altamente riflettenti nell'immagine a sinistra. Passo la linea verso la punta della penna fino a raggiungere la regione della piuma dove il ramo barbule prossimale dai rami adiacenti. Nella trama media lineare le barbule prossimali sono visti per riflettere la luce in direzioni verticali (Figura 8). Selezionare una delle direzioni per visualizzare i barbule prossimali altamente riflettenti nell'immagine a sinistra. Nella trama lineare, osservare le strutture a scala fine che riflettono la luce in direzioni orizzontali e verticali si combinano per produrre il segnale di campo lontano visto nella trama rettangolare. 2. Misurare la luce diffusa in Indicazioni più videocamere (Routine secondarias in Figura 1) Viste multiple della macchina fotografica e non uniforme di campionamento direzionale permettono di studiare particolari caratteristiche della riflettanza direzionale. Con l'aggiunta di punti di calibrazione 2.A e 2.B, protocollo 1 è stata ampliata per gestire più viste della telecamera. Due esempi specifici illustrati graficamente come Secondario routine II.A e II.B in Figura 1 sono impostati in avanti nei passi 2.C e 2.D sotto. In tali casi, la direzione della telecamera viene alterato dalla sua direzione canonica (normale alla superficie), il che significa che l'oggetto viene fotografato da una direzione inclinata dalla sua normale superficie. Dal momento che le immagini devono essere classificate in uno stesso sistema di coordinate, poniamo rimedio e deformare ogni foto per adattarla all'orientamento canonico facendo riferimento agli obiettivi flash-fotografati circondano il campione (Figura 9). Calibrare proiezione fotocamera e posizione: Lo scopo di questi passaggi sono per calcolare il proj fotocameraezione e la posizione utilizzata nella trasformazione dell'immagine. Agganciare un target di calibrazione checker-patterned piatto contro la piastra di montaggio. Cattura un'immagine alla telecamera canonica (cioè {θ, φ} = {0,0}) e diverse immagini in vari altri punti di vista della macchina fotografica si sviluppa su un cono di 120 ° centrata sulla vista canonico. Caricare le immagini in Bouguet Toolbox b, una fotocamera da MATLAB toolkit di calibrazione. Estrarre gli angoli della griglia in ciascuna delle immagini per ricostruire le matrici telecamera. Esportare l'intrinseca proiezione matrice fotocamera (P) e la posizione della fotocamera estrinseca matrice (M). La fotocamera proiezione intrinseca è composto dalla lunghezza focale e il punto principale. La posizione della telecamera estrinseca è composto principalmente da una traduzione, ma traduce l'origine del mondo per la posizione della telecamera. Risolvere per la matrice che trasforma le coordinate calibrazione bersaglio a cavalletto giradischi coordinate (X), ossia Bouguet spazio al portale spazio. Sganciare la dama dalla piastra metallica. Calibrare target Posizioni e Offset di proiezione: Lo scopo di questa procedura è quello di calcolare gli offset tra il piano di calibrazione, il piano bersaglio, e il campione, e per individuare le posizioni di destinazione. Ruotare la fotocamera in cavalletto coordinate in modo che l'asse ottico è perpendicolare al piano della superficie, cioè la struttura canonica. Acquisire un'immagine dell'anello di obiettivi che circondano l'apertura con illuminazione del flash. Questa è l'immagine canonica per allineamento dell'immagine. Elaborare l'uscita Camera Raw (protocollo indicato dal passo 1.E.3.a. e 1.E.4.). Mascherare la regione all'interno e all'esterno della zona di riferimento anello, eliminando riflessi speculari randagi che possono confondere il riconoscimento di destinazione, quindi trovare i target nell'immagine. Ruotare la fotocamera a un angolo di pascolo e di catturare un'immagine. Calcola il canonico camera posa (Mc = M * Rc) e la telecamera pascolo angolo posa (Mg = M * Rg) basato sulla telecamera estrinseca matrice M in step 2.A.3. che comprende una traduzione in base alla posizione del motivo checker Bouguet. Ridefinire M mediante compensazione sua traduzione dallo spessore della carta bersaglio-ring. Iterare per tentativi (ricalcolando M utilizzando un offset per il piano di calibrazione differente) finché l'offset nel portale spazio tra il piano della scacchiera Bouguet e il piano dell'anello di obiettivi, ossia spessore della carta bersaglio-ring, è stata risolto. Verificare l'offset in ogni iterazione da parte tenti di riproiettare i target nell'immagine angolo radente di obiettivi di immagine canonica. Ridefinire M seguendo la procedura del passo precedente riproiettare l'oggetto forata nell'immagine angolo radente di oggetto forata nell'immagine canonica per tentativi finché l'offset nello spazio a portale tra il piano dell'anello di obiettivi ed il piano of l'oggetto forata, ossia spessore della lamiera, è stato risolto. Misurare Sette Hemispheres riflettanza campionati in modo non uniforme (Secondaria II A Routine nella figura 1) Esaminare la distribuzione direzionale della luce riflessa misurata dalla telecamera normale alla superficie, cioè {θ, φ} = {0,0} come descritto nel protocollo 1. Ricampionare l'emisfero riflettanza per registrare luminosità fotocamera da direzioni non speculari più scarsamente e indicazioni speculari più densamente. Applicare gli stessi criteri per assaggiare la riflettanza in 6 ulteriori direzioni fotocamera uniformemente distribuiti più di mezzo emisfero, cioè {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {60,45} , {60,90}, {60.135}. Predire le regioni speculari delle 6 corse supplementari dalla direzione di visualizzazione di ogni accoppiata con l'angolo di riflessione della corsa iniziale. Per ciascuno dei 7 non uniformely emisferi campionati, acquisire ed elaborare le misurazioni seguendo le istruzioni nella procedura 1.D. e 1.E. sopra. Visivamente sfogliare la riflettanza direzionale dalla stessa regione della piuma in ciascuna delle 7 emisferi non uniformemente campionati, seguendo le istruzioni passo 1.F. sopra. Disporre le trame di riflettanza direzionali per ciascuna delle 7 telecamere direzioni su un sistema di coordinate polari, dove il posizionamento di ogni trama si basa sulla sua direzione della telecamera (Vedi i risultati visivi di II.A Routine in figura 1; anche Figura 5). Misurare finemente nel campione percorsi semicircolari di acquisire informazioni dettagliate sul cambiamento di colore con angolo (Secondaria II B di routine in Figura 1) Avviare l'applicazione SimpleBrowser e input delle misure trasformati dell'emisfero riflettanza campionata in modo non uniforme con direzione della telecamera {θ, φ} = {0,0}, come descritto nel Passo 2.C.1. Selezionare ile pixel nell'immagine, quindi inserire un aereo per il 90 ° percentile della luminanza della riflettanza emisferica nella posizione pixel selezionato. Costruire una acquisizione conduzione 1D quali finemente campioni di riflettanza speculare sul piano speculare. Generare portale angoli braccio in ½ ° incrementi di mezzo angolo nel piano definito nel passaggio precedente. Iniziare con il mezzo angolo uguale a 0 ° e aumentare il semiangolo di 90 °. Per ogni misura nella corsa acquisizione, mantenere costante la metà-vettore e uguale alla normale alla superficie in modo che ogni direzione della telecamera si trova nella direzione speculare. Acquisire ed elaborare le misurazioni seguendo le istruzioni dei passaggi 1.D. e 1.E. sopra. Visivamente sfogliare la 1D riflettanza direzionale seguendo le istruzioni al punto 1.F., mentre il campionamento di una regione molto piccola (ad esempio 3×3 pixel) centrato sul pixel stesso utilizzato per adattare il piano speculare a passo 2.D.1. Trovare il senso di riflettanza di picco, cioèombreggiatura normale. Costrutto 3 ulteriore acquisizione viene eseguito nello stesso modo come step 2.D.2., Ma impostare il mezzo vettore per l'ombreggiatura normale anziché la normale alla superficie. Per i 3 prove aggiuntive, generare cavalletto angoli braccio che giacciono in piani contenenti l'ombreggiatura normale, ma che sono ruotate di 45 °, 90 ° e 135 ° rispetto al piano speculare definito nel passaggio 2.D.1. Acquisire ed elaborare le misurazioni seguendo le istruzioni dei passaggi 1.D. e 1.E. sopra. Visivamente sfogliare la 1D riflettanza direzionale seguendo le istruzioni al punto 1.F., mentre il campionamento di una regione molto piccola (ad esempio 3×3 pixel) centrata sul pixel utilizzati per adattare il piano speculare a passo 2.D.1. Export da SimpleBrowser la media riflette splendore di questa regione molto piccola. In MATLAB, tracciare la sua cromaticità in funzione del mezzo-angolo su un diagramma di cromaticità (Figura 6). Tracciare il suo colore, intensità, e la luminanza in funzione del mezzo-angolo (<strong> Figura 7). Costruire quattro acquisizione più 1D corre nelle stesse quattro piani di cui sopra, ma questa volta configurare la luce e la macchina fotografica indicazioni per misurare la larghezza e la decadenza della riflettanza speculare. Impostare la metà dell'angolo tra la luce e la fotocamera a una costante 10 °. Generare portale angoli del braccio di 1 ° con incrementi di mezzo vettore intorno all'asse ortogonale al piano. Iniziare con un mezzo vettore pari a -80 ° e aumentare il mezzo vettore a +80 °, in cui 0 ° è uguale alla normale ombreggiatura. Notare che non tutte le direzioni fotocamera si trovano nella direzione speculare. Acquisire, di processo e misure di esportazione seguendo le istruzioni nella procedura 1.D. e 1.E. e 2.D.6. rispettivamente. In MATLAB, tracciare la cromaticità su un diagramma di cromaticità come funzione dell'angolo tra la metà-vettore e la normale ombreggiatura. Tracciare il suo colore, intensità, e la luminanza in funzione dell'angolo tra la metà-vettore e l'ombreggiatura normale. </li> 3. Trasformazione proiettiva Proiettiva trasformare ogni immagine HDR nella vista canonica o la direzione della vista ortogonale al piano della superficie. Questo protocollo è accessibile da Passo 1.E.3.b quando un ciclo di misura è parte di una direzione prestabilita telecamera multipla, come gli esempi descritti nel protocollo 2 e illustrato graficamente come routine secondarie in Figura 1. Leggere una canonica immagine illuminata da una direzione non speculare. (At indicazioni speculari pascolo il contrasto diminuita tra la superficie bianca della carta e l'inchiostro nero può portare ad errori di rilevamento bersaglio. Confrontare la chiarezza dell'immagine A e B nella figura 9.) Individuare le coordinate del centro di ciascun bersaglio nell'immagine canonica. Caricare l'immagine bersaglio illuminato dal flash della fotocamera montata per una data coppia lampada-telecamera direzionale (B in Figura 9). Circa TRAnsform l'immagine di destinazione nella cornice della fotocamera canonica utilizzando il cavalletto fotocamera matrice M calcolato al passaggio 2.B.7. Individuare le coordinate del centro di ciascun bersaglio nell'immagine obiettivo trasformato (C in figura 9). Abbinare ogni target nel immagine target trasformato allo target di riferimento nell'immagine canonica trovando la distanza minima tra target di riferimento dell'immagine e. Eliminare eventuali obiettivi sfocate causate da DOF ad angoli di pascolo (D nella figura 9). Risolvere il 2D proiettiva trasformare quell'immagine mappe rivolge nella cornice canonica a obiettivi canonico-immagine nello stesso fotogramma. Untransform i deformati-to-fit obiettivi della cornice dell'immagine canonica indietro fino alla cornice originale attraverso il piano dell'oggetto perforato (M in step 2.b.8.) Piuttosto che il piano degli obiettivi (M al punto 2. B.7.). Salvare le coppie di coordinate di destinazione che mappano l'oggetto forata a immagine di destinazione per l'ob aperturatasoggetto nell'immagine di destinazione canonica. Caricare l'immagine HDR illuminata dalla lampada (A in Figura 9). Inferire un proiettivi trasformare da bersaglio salvato coppie di coordinate spaziali per trasformare l'immagine HDR nella cornice canonica (E nella figura 9). Tornare al protocollo principale. un Dcraw è un programma per computer open-source sviluppato da David Coffin. Si converte proprietaria delle immagini RAW in formato di una telecamera (cioè dati CCD non trasformati) in un formato di immagine standard. Vedere http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraw / . b Bouguet Toolbox è un toolbox di calibrazione della fotocamera per MATLAB sviluppata da Jean-Yves Bouguet. Vedere http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .