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

Ao utilizar nossos métodos para medir uma amostra, o pesquisador deve decidir sobre um conjunto de câmera e direções de luz, e para cada combinação de câmera e luz direções, a câmera faz várias exposições com diferentes velocidades do obturador. Movendo a câmara requer processamento adicional, uma vez que altera o ponto de vista da amostra, tal como visto na imagem, de modo que normalmente usam um pequeno número de instruções da câmara e um maior número de direcções de fonte de luz. Nos protocolos detalhados abaixo, primeiro descrevem como realizar uma medição com muitas direções fonte de luz e uma única direção da câmera, e como processar e visualizar os dados resultantes (Protocolo 1). No protocolo do primário, o qual pode ser usado por si só quando uma única visualização é suficiente para observar os fenómenos a ser estudados, sempre manter a câmara de vista perpendicular à amostra (Rotina primária na figura 1). Quando são necessárias múltiplas direções da câmera, aresultando oblíqua da amostra pode ser transportado para desfazer os efeitos do movimento da câmera e, assim, alinhar as imagens exatamente com a visão perpendicular canônica. Para calcular essas teias, que execute os passos de calibração adicionais que utilizam observações de alvos colocados à volta da amostra para determinar com precisão o movimento da câmara em relação à amostra. Protocolo 2 detalha esse procedimento de calibração e explica como selecionar os parâmetros e executar um protocolo várias vezes para coletar dados a partir de múltiplos pontos de vista (Rotinas Secundário na Figura 1). Finalmente, o Protocolo de 3 detalha os passos adicionais que devem ser inseridos em um protocolo para corrigir os oblíqua durante o processamento de dados. 1. Meça luz espalhada na direção da normal da superfície sobre a esfera da Directions Incidentes (Rotina primária na Figura 1) Preparar e montar o objeto a ser medido Prepare uma placa de montagem de metal ferroso finacom uma abertura de ½ polegada rodeado por um anel de alvos (como visto na Figura 2). Preparar o material a ser medido. Se medir a pena, noivo as farpas para corrigir qualquer seções descompactados ou desalinhado do cata-pennaceous. Colocar a superfície do objecto (face visível da pluma) contra o lado traseiro (lado oposto do anel de alvo) da placa. Centro da região de interesse sobre a abertura de ½ polegada da placa. Colocar uma folha de película magnética com uma abertura 5/8-inch contra o lado de trás do objecto (face oposta da pluma), pressionando, assim, o objecto plano contra a placa. Alinhar a abertura da película para a abertura da placa de corte, sem a superfície. A superfície achatada, fixado em torno da circunferência da abertura circular, produz uma grande superfície plana, aproximadamente coincidente com a superfície da placa. Configure o Gantry Localize acentro da abertura circular na origem do sistema de coordenadas de pórtico. Depositar uma fonte de luz no braço exterior pórtico. Aponte e por pouco concentrar a luz no objeto, garantindo que a abertura é uniformemente iluminado para todos os ângulos da fonte de luz. Coloque uma câmera no braço interior do pórtico. Ajuste a distância da câmara e a distância focal da lente macro até que o anel de alvos preenche a largura do sensor. Calibrar os movimentos de rotação (θ, φ) da câmera e os braços da lâmpada. Calibrar o inclinação (θ) em relação à superfície do objecto normal, de modo que a câmara ea luz estão alinhadas com a superfície normal quando θ = 0. Calibrar o azimute (φ) da câmera para o azimute da lâmpada. A orientação azimutal absoluta não é crítica, uma vez que as imagens capturadas podem ser rodado mais tarde no protocolo. Configure a câmera foco ea exposição Rotate da câmara até que o objeto é visto em um ângulo de pastagem. Diminuir o número f de minimizar a profundidade de campo (DOF) e, em seguida ajustar o plano de foco no centro da abertura. Aumentar o número f para aumentar o DOF até que o anel de metas em torno da abertura está em foco. Pode ser necessário um compromisso entre difração e borrão DOF-induzida. Cortar um padrão de cor plana contra a placa de montagem. Para imagens RGB usar um verificador Cor Macbeth. Para medições de UV-visível-NIR usar Spectralon. Fotografe o padrão de cor em formato RAW. Calcular os multiplicadores de canal de cor para o balanço de brancos da imagem. Encontre o suporte de exposição que abrange a faixa dinâmica da cena sob a visão mais extrema e direções de iluminação. Para cada tempo de exposição na faixa, adquirir uma imagem de ruído escuro, expondo o sensor com a tampa da lente. Adquirir Medidas de um Sphere escassamente amostrada Directions Incidentes Posicione o eixo da câmera normal ao plano da superfície {θ, φ} = {0,0}. Passo a luz através de uma série de posições distribuídas uniformemente na esfera, usando uma amostra grosseiro (por exemplo, menos de 500 pontos). Para cada direção da luz incidente na amostra: Capturar uma imagem crua para cada tempo de exposição na faixa de exposição. Capturar uma única imagem iluminada pela câmera montada flash sincronizado, para um tempo de exposição relativamente curto para suprimir a iluminação da lâmpada de pórtico. Avançar para a próxima direção da luz incidente e repita. Processo de Medidas de Sphere Sparsely amostrados Usando o modo de dcraw um debug (documento) para desativar a função demosaicing, converter de formato RAW para tons de cinza, 16-bit, linear, formato PGM: Cada exposição ao ruído escuro. Cada exposição do objeto em cada direção da luz incidente. </ Ol> Integrar tudo baixo alcance dinâmico (LDR) exposições em tons de cinza sob pórtico iluminação lâmpada em uma imagem de cor para cada direção da luz incidente único high dynamic range (HDR). Subtrair o ruído de imagem escura correspondente de cada LDR exposição. Demosaico cada LDR exposição para produzir uma imagem em escala de um quarto. Balanço de branco cada LDR exposição utilizando os multiplicadores de canal de cor calculado em 1.C.3 passo. Mesclar dark-noise-subtraído LDR exposições em uma única imagem HDR, somando todos os valores em cada posição de pixel e dividindo pela soma dos tempos de exposição, omitindo superexpostas pixels de ambas as somas. Loja imagem HDR no formato EXR codificado em precisão de meio-float e compressão lossless wavelet (PIZ). Se a direção da câmera não é a direção canônica ou fuga medida faz parte de um conjunto de direção de múltiplas câmeras (Rotinas secundários na Figura 1 aProtocolo nd 2): Converter a única exposição LDR tons de cinza das metas de rastreamento flash-iluminados para cada direção da luz incidente a uma escala sem mosaicos, um quarto, LDR imagem a cores em formato EXR. Siga Protocol 3 para usar a imagem flash-iluminado para projetiva transformar cada imagem lâmpada iluminada HDR na visão canônica. Gire as imagens HDR para a orientação desejada – por exemplo, no nosso caso, uma rotação de 90 ° orienta a ráquis verticalmente ea ponta da pena para cima. Cortar as imagens HDR firmemente em torno da abertura circular. Mascarando as metas e placa de metal fora da abertura reduz o tamanho do arquivo em até 25%. Permutar os dados na totalidade do conjunto de imagens HDR para criar um conjunto de ficheiros, um para cada um dos vários blocos na imagem, que contém todos os valores de reflectância direccionais organizados por pixel. Esses arquivos de cache reflectância direcional são organizados para permitir o acesso rápido a umall as medições de cor direcional em uma posição único pixel da projeção 2D do objeto 3D. Visualize espalhamento de luz espacialmente variando Através de uma hierarquia de escala Para ver alguns dos medições, use o aplicativo SimpleBrowser costume de interpretar os dados processados ​​em 1.E. passo SimpleBrowser abre-se para uma janela que contém a imagem da pluma iluminada pela primeira direcção de iluminação incidente. Na imagem da palheta de penas, os pixels ou grupos de pixels em arranjos lineares ou rectangulares individuais podem ser seleccionados (Figura 3). Proceder ao selecionar uma região retangular da palheta pena para análise. Em seguida, trace a dispersão média luz direcional da região selecionada. Uma janela gráfico que mostra a reflectância em função do co-senos de direcção abre adjacente à janela de imagem (R1 na Figura 4). Por padrão, a direção da luminância máxima (a direção de transmitância em um tymedição pena Pical) é atribuída uma exposição de 1. Diminuir ou aumentar a exposição em um meio-stop (√ 2 x) incrementos para ajustar a exposição de mapa de cores a reflectância. Ciclo o mapa de cores de reflectância entre a luminância, RGB e cromaticidade (Veja R1, R2 e R3 na Figura 4). Para os passos seguintes utilizam RGB. Para girar a esfera, clique nele para ativar a interface trackball. Arrastar a interface para provocar a rotação. Para visualizar o hemisfério reflectância, voltar a esfera para a posição padrão (Veja R2 na Figura 4). Girar a esfera de 180 ° a partir da sua posição padrão para ler o hemisfério transmitância (Ver T2 na Figura 4). Por outro ponto de vista dos dados, selecione o modo gráfico polar para dimensionar os raios de cada sentido na esfera unitária pelos respectivos valores de luminância. Alterar o mapa de cores da esfera escalado luminância de RGB para cromaticidade (Veja P3, F3, S3, A3 na Figura 4 </strong>). A direção da iluminação da imagem exibida está circulado em vermelho no gráfico de dispersão direcional (Figura 4). Clique em qualquer outra direção, iluminação incidente para mostrar a imagem da pena iluminado daquela direção. Diminuir ou aumentar a exposição da imagem para revelar mais e subexposta regiões. Para investigar reflectância através de uma hierarquia de escalas, restaurar o modo de conspiração para a esfera unitária eo mapa de cores para RGB. Na revisão, este enredo mostra a reflectância média direcional da região retangular selecionada na imagem. Altere o tipo de seleção retangular para linear (Figura 3). Isto irá permitir o estudo da reflectância direccional a partir de estruturas de escala fina individuais na região rectangular. Traça-se a reflectância da média linear de uma nova janela, mantendo a média rectangular para referência. Ajustar a exposição e set mapa de cores para RGB. <li> Na trama linear média, os bárbulas distais distribuídas pela região linear são vistos para refletir a luz em direções horizontais (Figura 8). Selecione uma das direções de iluminação na trama linear para mostrar os bárbulas distais altamente refletivos na imagem à esquerda. Passo a linha para a ponta da pluma até atingir a região da pluma, onde o ramo bárbulas proximal dos ramos adjacentes. Na trama média linear dos bárbulas proximais são vistos para refletir a luz em direções verticais (Figura 8). Selecione uma das direções para exibir os bárbulas proximais altamente refletivos na imagem à esquerda. Na trama linear, observar as estruturas em escala bem que refletem a luz em direções horizontais e verticais combinam para produzir o sinal de campo distante visto na trama retangular. 2. Medir a luz Espalhados em várias direções da câmera (Rotina secundários na Figura 1) Múltiplas visões de câmera e amostragem direcional não uniforme nos permitem estudar as características particulares da reflectância direcional. Com a adição das etapas de calibração 2.A e 2.B, um protocolo foi expandido para lidar com múltiplas visões de câmera. Dois exemplos específicos ilustrados graficamente como Secundário Rotinas II.A e IIB na Figura 1 encontram-se para a frente em Passos 2.C e 2.D abaixo. Em tais casos, o sentido da câmara é alterado a partir da sua direcção canónica (normal à superfície), o que significa que o objecto é fotografada a partir de uma direcção inclinada a partir da sua superfície normal. Desde que as imagens devem ser mapeados para o mesmo sistema de coordenadas, temos de corrigir e deformar cada fotografia para coincidir com a orientação canônica referenciando as metas flash-fotografadas em torno da amostra (Figura 9). Calibrar Projeção Camera e posição: A finalidade destes passos são para calcular o proj câmaraexão e posição usada na transformação da imagem. Clipe um destino de calibragem do verificador-padrão plana contra a placa de montagem. Capturar uma imagem com a visão da câmera canônica (ie {θ, φ} = {0,0}) e várias imagens de vários outros pontos de vista da câmera ao longo de um cone 120 ° centrado na visão canônica. Carregar as imagens no Bouguet Toolbox b, a MATLAB câmera kit de ferramentas de calibração. Extrair os cantos da rede em cada uma das imagens para reconstruir as matrizes da câmara. Exportar o intrínseco câmera matriz de projeção (P) eo extrínseco câmera posição da matriz (M). A projecção da câmara intrínseca é composta por a distância focal e o principal ponto. A posição da câmera extrínseca é composto principalmente de uma tradução, que traduz a origem do mundo para a posição da câmera. Resolver para a matriz, que transforma as coordenadas de calibração-alvo para pórtico giratória coordenadas (X), isto é, Bouguet espaço para pórtico do espaço. Retire o padrão verificador da placa de metal. Calibrar posições de destino e Deslocamentos de Projeção: A finalidade destes passos é para calcular os desvios entre o plano de calibração, o plano do alvo e da amostra, e para localizar as posições do alvo. Rodar a câmara em pórtico coordenadas de modo que o eixo óptico é perpendicular ao plano da superfície, ou seja, a moldura canónica. Capturar uma imagem do anel de metas em torno da abertura com iluminação flash. Esta é a imagem canônica para o alinhamento de imagem. Processar a saída Camera Raw (Protocolo descrito nas etapas 1.E.3.a. e 1.E.4.). Mascarar a região dentro e fora da zona alvo anel, eliminando vadios realces especulares que podem confundir o reconhecimento alvo, em seguida, encontrar as metas da imagem. Girar a câmera em um ângulo de pastagem e capturar uma imagem. Calcule o canônico camera representar (Mc = M * Rc) eo ângulo da câmera pastagem representam (Mg = M * Rg) com base na câmera extrínseca matriz M em 2.A.3 passo. que inclui uma tradução com base na posição do padrão verificador Bouguet. Redefinir M compensando sua tradução pela espessura do papel-ring-alvo. Itera por tentativa e erro (recalculando M usando um deslocamento para o plano de calibração diferente) até que o espaço de deslocamento, em pórtico, entre o plano do tabuleiro de damas Bouguet e ao plano do anel de alvos, isto é, a espessura do papel-anel-alvo, tem sido resolvido. Verifique se o deslocamento em cada iteração por reprojetando as metas a imagem ângulo pastagem em sobre as metas da imagem canônica. Redefinir M seguindo o procedimento do passo anterior para reprojetar o objeto perfurada a imagem ângulo pastando em no objeto perfurada na imagem canônica por tentativa e erro até que o deslocamento no espaço entre o pórtico plano do anel de metas eo plano of o objecto com aberturas, ou seja, a espessura da placa de metal, tem sido resolvido. Meça Sete Hemispheres reflectância não uniformemente amostrados (II.A Rotina secundário na Figura 1) Examinar a distribuição direccional da luz reflectida medida a partir da vista da câmara normal à superfície, ou seja, {θ, φ} = {0,0} conforme descrito no protocolo 1. Resamplear hemisfério reflectância para gravar brilho câmera de direções não especular mais escassa e direções especular mais densamente. Aplicar os mesmos critérios para provar a reflectância em seis direções de câmera adicionais uniformemente distribuídas ao longo de meio hemisfério, ou seja, {θ, φ} = {30,0}, {30,90}, {60,0}, {60,45} , {60,90}, {} 60135. Prever as regiões especular do 6 corridas adicionais a partir da direção de visualização de cada um juntamente com o ângulo de reflexão do prazo inicial. Para cada um dos 7 não uniformely hemisférios amostrados, adquirir e processar as medições seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. acima. Visualmente navegar na reflectância direcional da mesma região da pena em cada um dos 7 hemisférios não uniformemente amostrados, seguindo as instruções passo 1.F. acima. Dispor as parcelas de reflectância orientadoras para cada um dos sete instruções da câmara num sistema de coordenadas polares, em que a colocação de cada trama baseia-se na sua direcção de câmara (Ver os resultados visuais das II.A rotina na Figura 1, também a Figura 5). Meça finamente amostrados caminhos semicirculares para adquirir informações detalhadas sobre a mudança de cor com ângulo (IIB rotina secundária na Figura 1) Inicie o aplicativo SimpleBrowser e entrada as medições processados ​​do hemisfério reflectância não uniformemente amostrada com a direção da câmera {θ, φ} = {0,0}, conforme descrito no Passo 2.C.1. Selecione eme pixel da imagem, em seguida, encaixar um avião para o percentil 90 da luminosidade da refletância hemisférica na posição do pixel selecionado. Construir uma corrida aquisição 1D, que finamente amostras de reflectância especular no plano especular. Gerar ângulos de pórtico de braço em ½ ° incrementos de meio-ângulo no plano definido na etapa anterior. Comece com o semi-ângulo igual a 0 ° C e aumentar o semi-ângulo de 90 °. Para cada medição na aquisição de execução, manter o semi-vector constante e igual a normal da superfície de modo a que cada direcção da câmara situa-se na direcção especular. Adquirir e processar as medições seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. acima. Visualmente navegar na reflectância direcional 1D seguindo as instruções 1.F. passo, enquanto prova uma região muito pequena (por exemplo, 3×3 pixels) centrado no mesmo pixel usado para ajustar o plano especular em 2.d.1 passo. Encontre a direção do pico de reflexão, isto é,sombreamento normal. Construir 3 aquisição adicional é executado da mesma maneira como 2.D.2 passo. Mas definir a meia-vector para o sombreamento normal, em vez de normal à superfície. Para os três tiragens adicionais, gerar ângulos de pórtico de braço que se situam em planos que contêm o sombreamento normal, mas que são rodados de 45 °, 90 ° e 135 ° em relação ao plano definido na especular 2.d.1 passo. Adquirir e processar as medições seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. acima. Visualmente navegar na reflectância direcional 1D seguindo as instruções 1.F. passo, enquanto prova uma região muito pequena (por exemplo, 3×3 pixels) centrado no pixel usado para ajustar o plano especular em 2.d.1 passo. Exportação de SimpleBrowser a média reflete brilho desta região muito pequena. No MATLAB, traçar a cromaticidade como uma função do meio-ângulo no diagrama de cromaticidade (Figura 6). Traçar sua matiz, croma, e luminância como uma função do semi-ângulo (<forte> Figura 7). Construir mais quatro 1D aquisição é executado nos mesmos quatro aviões como acima, mas desta vez configurar as direções de luz e câmera para medir a largura ea decadência da reflectância especular. Definir o semi-ângulo de luz entre a câmara e a uma constante de 10 °. Gerar ângulos de pórtico de braço em incrementos de 1 ° meia-vector em torno do eixo ortogonal ao plano. Comece com uma meia-vector igual a -80 ° e aumentar a semi-vector para 80 °, onde a é igual a 0 ° sombreamento normal. Note-se que nem todas as direcções da câmara estão localizados na direcção especular. Adquirir, processar e medições de exportação seguindo as instruções dos passos 1.D. e 1.E. e 2.D.6. respectivamente. No MATLAB, a cromaticidade em traçar um diagrama de cromaticidade, como uma função do ângulo entre a meia e o vector normal de sombreamento. Traçar sua matiz, croma, e de luminância como uma função do ângulo entre a meia-vector e o sombreamento normal. </li> 3. Transformação projetiva Projetiva transformar cada imagem HDR para a vista canônico ou a direção da vista ortogonal ao plano da superfície. Este protocolo é acessado por 1.E.3.b Passo quando uma corrida medida faz parte de um conjunto de direção da câmera múltipla, tais como os exemplos descritos no protocolo 2 e ilustrada como rotinas secundárias na Figura 1. Ler uma imagem canônica iluminado de uma direção não-especular. (Pelo instruções especulares pastoreio o contraste diminuída entre a superfície branca do papel e da tinta preta pode levar à falha de detecção de alvo. Comparar a clareza da imagem A e B na Figura 9.) Mostrar as coordenadas do centro de cada alvo na imagem canónica. Carregar a imagem alvo iluminado pelo flash da câmera montada para um determinado par lâmpada câmera direcional (B na Figura 9). Cerca de transform a imagem alvo para o quadro da câmera canônica usando o pórtico câmera matriz M computadorizada em 2.B.7 passo. Mostrar as coordenadas do centro de cada alvo a imagem do alvo transformada (C na Figura 9), em. Combinar cada alvo a imagem alvo transformado para sua meta de referência na imagem canônica por encontrar a distância mínima entre a imagem e as metas de referência in. Descarte todos os alvos borradas causadas pelo DOF em ângulos de pastejo (D na Figura 9). Resolver o 2D projetiva transformar essa imagem mapas objectivos no quadro canônico para alvos canônico-imagem no mesmo quadro. Untransform as deformadas para montar alvos do quadro de imagem canónica de volta para o quadro de imagem original, através do plano do objecto perfurada (M no passo 2.B.8.) Em vez de no plano das metas (M no passo 2. B.7.). Salvar os pares de coordenadas de destino que mapeiam o objeto perfurada na imagem de destino para a ob perfuradajeto a imagem alvo canônico in. Carregar a imagem HDR iluminado pela lâmpada (A na Figura 9). Inferir uma projetivas espaciais transformar a partir de alvo salvo coordenar pares para transformar a imagem HDR no quadro canônico (E na Figura 9). Voltar para o protocolo principal. um Dcraw é um programa de computador de código aberto desenvolvido por David Coffin. Ele converte a imagem RAW em formato proprietário de uma câmera (ou seja, dados CCD não transformados) para um formato de imagem padrão. Veja http://www.cybercom.net/ ~ dcoffin / dcraw / . b Bouguet Toolbox é uma caixa de ferramentas de calibração da câmera para MATLAB desenvolvido por Jean-Yves Bouguet. Veja http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc .