Мы представляем неразрушающий метод отбора проб пространственное изменение в направлении света, рассеянного от структурно-сложных материалов. Поддерживая материально нетронутыми, мы сохраняем брутто-рассеяния масштаба поведения, в то время как одновременно захватив мелкомасштабных направленного вклады с высоким разрешением. Результаты визуализируются в программном обеспечении на биологически соответствующие должности и в масштабах.
Свет взаимодействует с кожного покрова организма на различных пространственных масштабов. Например, в радужных птиц: нано-структур производят цвет; милли-масштабной структуры зубцы и бородочки многом определяет диаграмму направленности отраженного света, и через макромасштабе пространственная структура перекрытия, изогнутые перья, эти направленные световые эффекты создают визуальной текстурой. Milli-масштаба и макро-масштабных эффектов определить, где на теле организма, и от того, что точки зрения и при каких освещение, радужные цвета не видно. Таким образом, узконаправленным вспышки ярких цветов с радужным горло колибри неадекватно объясняется его нано-структуры в покое и вопросы остаются. Из заданной точки наблюдения, которое Милли масштабе элементы ориентированы перо, чтобы отразить сильно? У некоторых видов производят широкий «окон» для наблюдения радужные, чем другие? Эти и подобные вопросы май спросят о любых организмов, которые развивались на определенный внешний вид поверхности для сигнализации, камуфляж, или по другим причинам.
Для изучения диаграмм направленности рассеяния света на перья, и их связь с Милли масштаба морфологии птиц, мы разработали протокол для измерения света, рассеянного из биологических материалов с использованием многих высоким разрешением фотографий, сделанных с разной освещенности и направления визирования. Поскольку измерение рассеянного света в зависимости от направления, можно наблюдать характерные особенности в направленном распределения рассеянного света из этого конкретного пера, и потому, зубцы и бородочки разрешаются в наших изображений, можно четко отнести направленного функции этих различных Милли-штабных структур. Хранение образца сохраняет нетронутым брутто-рассеяния масштаба поведения, наблюдаемых в природе. Описанный здесь метод представлен обобщенный протокол для анализа пространственно-и направленно-ванения рассеяния света на сложные биологические материалы на нескольких структурных масштабов.
Цвет и рисунок кожного покрова организма играют экологически и социально важные функции в большинстве таксонов животных. Эти фенотипические свойства определяются взаимодействие света со структурой покровов, которые могут проявлять оптическую рассеяния, которая изменяется как в пространстве (по всей поверхности кожного покрова) и направленно (с изменением освещения и направление взгляда). В сложных биологических материалов, таких как перья, направление рассеяния света зависит от ориентации повторять милли-геометрическом масштабе. Эти милли-штабных структур сами по себе могут быть внедрены с нано-структур, таких как меланин массивы, которые часто наследуют Милли масштаба ориентации. От нано-до макро-масштабах, структура покровов превратилась функционально увеличить сигнализации способность организма. Для оценки влияния на морфологию различных масштабах на общий внешний вид, инструментыизмерения и анализа цвета биологических структур нужна гибкость, чтобы изолировать направленного рассеяния света в различных масштабах увеличения.
Мы разработали на основе образа инструментами измерения изучить, как выполнение сложных и разнообразных Милли масштаба морфологии пера (бородки Рами, бородочки дистальных, проксимальных и бородки) расширяет диапазон возможных выражений из нано-структур в одиночку. В единый образ, записанный на фотокамере, мы обнаружили, что свет, отраженный по-разному в разных местах на поверхности пера, то есть отражения была пространственно-меняется. Когда мы переместили света и камеру направлении относительно пера, мы наблюдали отражательной изменилось, то есть отражения направленно изменяющихся 1. После этих наблюдений, мы разработали протокол методично двигаться свет и камеры вокруг объекта с использованием сферических козловой 2,3, с помощью которого мы захватили 2 размеры Суrface позиции (X и Y), 2 размеры направление света (широта и долгота) и 2 размеры направление камеры (широта и долгота) (рис. 2). В программном обеспечении мы визуально исследовали 6 измерений рассеянного света в зависимости от позиции, освещение направление и направление взгляда.
Предыдущие исследования в коэффициенте отражения от кожных покровов слишком часто дисконтированных вклад направленности – например, диффузное или зеркальное против изотропной против анизотропной отражении – чтобы цвет выражения. Большинство измерений цвета зафиксировали падающего света, объекта и просмотра геометрии тщательно избегать направленного эффектов. Например, для устранения зеркального отражения от цветовых измерений, он является общим для размещения света по нормали к поверхности и записывать отражения под углом 45 ° от нормального. Исследования, которые делают связь морфологии с целью непосредственного отражения изменяющихся обычно сосредоточены на нано-и его радужными последствиями 4-8. Мало рассмотреть вклад микро-, милли-, и макро-масштабе геометрии на Дальний оптическая подпись 8-11. Поэтому обычно используют детектор света в совокупности отражения в пределах одной области интересов, которые могут включать в себя несколько милли-и / или макро-масштабе компонентов, таких как колючка Рами, бородки, и даже целые перья 6,8,11-17 . Когда область интереса либо меньше предела разрешения детектора или не соответствует форме поля детектора зрения, общий протокол вскрытия образца указывает изолировать рассеяния света на конкретных Милли масштаба элемента 8,10 , 13,15.
Мы разработали более всеобъемлющий протокол для приобретения измерения и визуализации, что способствует исследованию многих переменных часто игнорируется в других более целенаправленные исследования. Мы измеряем рассеяния света по сфере направления и AcrosSA области пространства с помощью массивного множества высоких динамический диапазон, высокое разрешение фотографий, сделанных в результате систематического набора света и направление просмотра. Мы используем высокое разрешение датчика изображения с 2D массив мелкомасштабных пиксельных детекторов. Агрегация в аппаратной происходит на уровне пикселей, в масштабах, меньших масштабах милли-элементов мы измеряем. Второй этап агрегатов отдельные пиксели в программном обеспечении, как пользователь выбирает формы и размера области, представляющей интерес. Соответственно, один набор измерений может быть повторно проанализированы в программное обеспечение, чтобы исследовать различные аспекты взаимодействия света с материалом на нескольких биологически соответствующих позиций и весов. Устраняя вскрытие и измерение всей перо, наш протокол имеет то преимущество, оставив морфологии пера лопатки нетронутым, сохранив природный контекст и функцию, которая является, взаимодействия света между составляющими Милли масштаба элементов.
Рассеяние света с организменнуюtructure многомерно и трудно поддаются количественной оценке. Измеренные 6D рассеяния света пока не могут быть отнесены к конкретным морфологии в иерархии масштаба с любой особой инструмента. Но мы сделали важный шаг в этом занятии. Мы разработали инструмент охватывающий три дополняющих друг друга метода – отбор проб отражения помощью козловых, исследуя большие объемы данных в программное обеспечение и визуализации данных подмножеств графически – расширить нашу способность измерять 6D рассеяния света в любой точке материала, вплоть до Милли-масштабе. Как протоколов, таких, как наша заняты, мы прогнозируем, биологов определить множество направленно и пространственно-различные черты и соответствующих структурных адаптаций в различных масштабах развития. С помощью наших инструментов мы занимаемся характеризующих сигнализации потенциал направленности и пространственное выражение милли-штабных структур, и надеемся, чтобы пролить свет на их адаптивные последствия. Мы обращаемся к кругу вопросов, таких как: оту заданной точки наблюдения, которая мелкомасштабных элементов или грубых масштабах регионов пера отражают сильно? Каким образом ориентация мелкомасштабных элементов влиять на направление рассеянного света? Какие морфологические условия производят атласным блеском по сравнению с блестками блеск радужным орнаментом? У некоторых видов производят широкий «окон» для наблюдения радужные, чем другие? Эти вопросы могут спросить о птицах и их перья, но и о любых других организмов, которые развивались на определенный внешний вид поверхности для сигнализации, камуфляж, или по другим причинам.
Хотя производительность и функции многих пигментных и структурных окраски, хорошо известны, морфология многих кожных покровов настолько сложна, что их структурных деталей и функции мало изучены 20. Кожные разработали специализации, которые изменяются пространственно по поверхности организма к дифференциально отражают свет направленно к зрителю. Направленность получила внимание в первую очередь при изучении радужные из-за его цветового сдвига с изменением инцидентом и угол обзора, а также исследования в радужные биологических покровов собрал первую очередь 1D и 2D некоторых измерений 8,12,17. Но обобщенно 6D измерения не рутина в исследовании кожных покровов 21-23, радужные или иначе, и литература по организменную фенотипы цвета сдерживается отсутствием данных направления цвета типа наш вариант.
Перо особенно RICH покровного материала, содержащего механизмы Милли-масштабной структуры бородки: Рами, бородочки дистальных, проксимальных и бородки. Малый масштаб элементов и их сложные механизмы делают его трудно различить освещенности рассеяния отдельных элементов. Наш протокол успешно изолированы милли-масштабной структуры от влияния макро-масштабе геометрии. Характеризуя функциональные последствия направленного выражение милли-штабных структур в дальнем поле подпись пером, мы включили в свой запрос адаптивные последствия.
Мы столкнулись практические компромиссы между спектральным, пространственным и угловым разрешением. Мы выбрали высокое пространственное, угловое среднего и низкого спектрального для наших исследований. Другие комбинации могут быть использованы, но некоторые (например, все высокие) приводят к unworkably длительное время измерения. Внимание должно быть сосредоточено, где важно для конкретного изучаемых явлений. При выборе использовать RGB CAMERA с мозаичным фильтром Байера, мы разработали наш протокол, чтобы соответствовать зрительной системы человека. Камера RGB может быть заменен и наш протокол адаптирован для измерения относительной стимул цвет любого организма, например, чувствительность в УФ-спектре необходимо измерить птичий тетра-хроматического цвета 24,25. Спектральная камера обеспечит самое общее решение 25.
Мы показали наш протокол с tertial перья крыла, так как они красочные и легко прижался ссылкой пластины. К сожалению, в апертуре металлической пластины показал только часть пера поверхности. Если бы мы могли одновременно измерять 3D форма пера поверхности при измерении его отражение 25, мы могли бы избежать механического выравнивания перьев и вместо измерить всю перо в его естественном, неуплощающаяся государства.
Interactive, специализированных, интегрированных инструментов для визуализации данных обеспечивают обосновадр. пользы для ученых, исследующих и интерпретации больших объемов данных. Чем больше интеграции и интерактивность, тем легче соединений в данные не наблюдается. В наше программное обеспечение, пользователь может интерактивно построить среднего направленного рассеяния в зависимости от положения поверхности (рис. 4). Дальнейшее развитие нашего программного обеспечения может интегрировать другие функции рисования (рис. 6, 7) расширить интерактивный опыт.
The authors have nothing to disclose.
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом (NSF КАРЬЕРА награду CCF-0347303 и NSF гранта CCF-0541105). Авторы хотели бы поблагодарить Ярослав Křivánek, Джон Луне, Эдгар Веласкес-Armendáriz, Венцель Якоб, Джеймс Харви, Сьюзан Суарес, Эллис Лоу, и Джон Hermanson за их интеллектуальный вклад. Корнелл Сферические Козловой был построен из конструкция благодаря Duane Фульк, Марк Levoy и Шимон Rusinkiewicz.