مقالة منهجية

بروتوكول لإنتاج فيديو ثلاثي الأبعاد الأشعة تحت الحمراء للتجمد في النباتات

DOI:

10.3791/58025

⸱

سبتمبر 12, 2018

 ,  ,  , 
1United States Department of Agriculture and North Carolina State University, 2Department of Horticulture Sciences, North Carolina State University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم هنا، بروتوكولا لصورة نبات فراولة التجمد في ثلاثة أبعاد. اثنين من كاميرات الأشعة تحت الحمراء المتمركزة في زوايا مختلفة قليلاً تستخدم لإنتاج فيديو النقش أحمر-أزرق لمراقبة تجميد المصنع في ثلاثة أبعاد.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تجميد في النباتات يمكن رصدها باستخدام الأشعة تحت الحمراء (IR) الحراري، لأنه عندما يتجمد الماء، وأنه يعطي قبالة الحرارة. ومع ذلك، مشاكل مع تباين الألوان تجعل 2-أبعاد صور الأشعة تحت الحمراء (2D) صعبة نوعا ما لتفسير. عرض صورة الأشعة تحت الحمراء أو شريط فيديو لمصانع التجميد في 3 الأبعاد (3D) سيسمح تحديد مواقع نويات الثلج أكثر دقة وكذلك التقدم لتجميد. في هذه الورقة، ونظهر وسيلة بسيطة نسبيا إنتاج فيديو 3D الأشعة تحت حمراء من نبات الفراولة التجميد. الفراولة هو تجميد محصولاً اقتصاديا هاما، يخضع للربيع غير متوقعة الأحداث في مناطق كثيرة من العالم. وسوف توفر فهم دقيق للتجميد في الفراولة مربي الماشية والمزارعين بطرق أكثر اقتصادا لمنع أي ضرر للنباتات من خلال تجميد الأوضاع.

الأسلوب الذي ينطوي الموضع لاثنين من كاميرات الأشعة تحت الحمراء في زوايا مختلفة قليلاً الفيلم الفراولة تجميد. سيتم مزامنة دفق الفيديو اثنين دقة استخدام برامج التقاط شاشة الذي يسجل كل من الكاميرات في نفس الوقت. التسجيلات ستكون ثم استيرادها إلى برامج التصوير ومعالجتها باستخدام أسلوب النقش. استخدام نظارات أحمر-أزرق، فيديو ثلاثي الأبعاد سيجعل من الأسهل لتحديد الموقع الدقيق من نويات الثلج على أسطح أوراق.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

على الرغم من الذين يعيشون في عالم من ثلاثة أبعاد مادية، الباحثين غالباً ما تقتصر على الإبلاغ عن الملاحظات البصرية في 2D. على الرغم من أن صور ثنائية الأبعاد كافية عموما لنقل معلومات هامة، هذا النقص في المعلومات حول عمق يحد من قدرتنا على إدراك وفهم الطابع المعقد للكائنات في العالم الحقيقي. 1

هذا النقص في المعلومات حول العمق يوفر حافزا لإنتاج أشرطة فيديو 3D أساسا في صناعة الأفلام التجارية منذ أوائل القرن العشرين1. ومع ذلك، توليد معلومات ثلاثية الأبعاد واضحة في الصور والفيديو لا يزال يعوقها التعقيدات في إنتاج تلك الصور. أبسط أسلوب لتوليد 3D الفيلم يستند إلى المبادئ المستخدمة في التصوير مجسمة. ويستخدم التصوير مجسمة صورتين لنفس الكائن من زوايا مختلفة قليلاً أن ينقل صورة ثلاثية الأبعاد في الدماغ. لجعل هذا ممكناً، يجب أن ننظر كل عين فقط في صورتها كل منهما (أيوالعين اليسرى في الصورة اليسرى والعين اليمنى في الصورة الصحيحة). منذ العيون لن تفعل بطبيعة الحال ذلك، صمم القبعات مجسمة لجعل هذا ممكناً1. عدة مجسم عرض التقنيات، وكذلك متشابك الاستقطاب، وقت-متعدد، وتقنيات العرض جبل الرأس، واستخدمت أثناء تطوير الأفلام ثلاثية الأبعاد، إلا أن أسلوب التداخل اللون أو النقش باستخدام اللون الأحمر والأخضر (أو سماوي) النظارات واحدة من التقنيات الأبسط والأقل كلفة. لإجراء استعراض شامل لتصوير ثلاثي الأبعاد ومختلف التقنيات المعنية، انظر الاستعراض قنغ1.

رصد التجميد في النباتات باستخدام الأشعة تحت الحمراء الحراري وهو يستند إلى المبدأ أن عندما يتجمد الماء، فإنه يجب التخلي عن الطاقة الداخلية2. من هذه الطاقة في شكل حرارة، ولا يمكن اكتشافها في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي. في الاستخدام منذ عام 19293كاميرات قادرة على تسجيل طاقة الأشعة تحت الحمراء. التقرير المنشور الأول باستخدام تقنية الأشعة تحت الحمراء للسينما تجميد في النباتات من سيكاردي et al. 2، لكن دقة الكاميرا المستخدمة يجعل من الصعب تحديد دقة النسيج حيث يتم البدء بتجميد. Wisniewski et al. 4 تحديد المواقع أكثر دقة من نويات الثلج في العديد من الأنواع النباتية باستخدام كاميرا قرار أعلى. كالتكنولوجيا المستخدمة في الأشعة تحت الحمراء الحراري وتتحسن، أدت الصور دقة أعلى إلى اكتشافات مثل الحواجز إلى تجميد5 والتعريب الخلوية الدقيقة من الجليد تشكيل6.

إحدى الصعوبات في تصوير المواضيع في الأشعة تحت الحمراء بسبب الفروق الصغيرة في درجات الحرارة. هذا سوف يسبب معظم الكائنات في مجال الرؤية أن يكون لون مماثلة، مما يجعل من الصعب تحديد دقة أي كائن (كائنات) هو/هي تجميد. يمكن أن يكون هذا مهم عند تحديد أمر التجميد في أنسجة محددة، مثل أوراق أو جذور في القمح6. إذا كان يمكن تصوير الفيديو الأشعة تحت الحمراء من مصانع التجميد في 3D، ويمكن تحسين دقة تحديد أي جزء من النبات هو تجميد عند نقطة معينة في الوقت.

الفراولة من محاصيل في بعض المناطق في الولايات المتحدة انخفاض درجات الحرارة التي تثير قلقا كبيرا للمزارعين. تحت بعض الظروف المتزايدة، الشائع للزهور الفراولة تظهر تجميد 2-3 أسابيع قبل المتوسط في الربيع الماضي. يمكن أن يحدث حدث تجميد أواخر يونيو في بعض المناطق من جبال الأبلاش7 والنتائج عادة في وفاة الزهرة. ذا، حماية الصقيع الحرجة لتجميد زراع الفراولة في المناطق التي تتعرض لهذه الأحداث. زراع الفراولة في ولاية كارولينا الشمالية، على سبيل المثال، يجب أن فروست-تحمي، في المتوسط، بين 4-6 أحداث الصقيع قبل لوم لوم وتجمد الثابت 1-2 خلال أوائل الفترة8. للمساعدة في تطوير الأنماط الجينية الفراولة التي أكثر تجميد متسامح، من المهم فهم الجوانب المختلفة للتجميد، مثل مواقع نويات الثلج والانتشار في أجزاء أخرى من النبات. الحراري والأشعة تحت الحمراء يوفر وسيلة فعالة لمعالجة هذه القضايا.

هنا، نحن نستخدم الفراولة لتوضيح تقنية لتسجيل أحداث التجميد في 3D باستخدام الأسلوب النقش. الفراولة مناسبة تماما لهذا المثال لأن أوراق الشجر والزهور وتوزع على نطاق واسع في الفضاء ثلاثي الأبعاد، ويمكن أن يكون من الصعب التفريق عند عرضها في 2D أفلام الأشعة تحت الحمراء.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1-إعداد

  1. جمع معدات ومواد وبرامج لتسجيل ومعالجة فيديو مصنع تجميد.
    1. بدء تشغيل ثلاجة القابلة لبرمجة عن طريق تعيين مفتاح الطاقة على، وضبط درجة الحرارة إلى 0 درجة مئوية. برنامج الثلاجة للوصول إلى-8 درجة مئوية في 1 ° C/h.
  2. مكان واحد عمره 6 أسابيع الفراولة النباتات مع الزهور 2-5 التي كانت تزرع في حاوية 1 لتر في الثلاجة.
  3. إعداد 2 كاميرات الأشعة تحت الحمراء (مثلاً، كاميرات T620 رادار الأشعة دون الحمراء) باستخدام الأشرطة ابزيم وكتلة صغيرة من الخشب لإنتاج زاوية التقارب الصحيح للعدسات.
    ملاحظة: تعتبر المسافة الأمثل الفضاء مركز عدسات الكاميرات 2 عموما أن تكون نفس المسافة بين العيون1 أو 7 سم تقريبا.
  4. تحميل كل من الكاميرات إلى 10 × 10 سم المختبر جاك وموقف جاك في الثلاجة بإغلاق ما يكفي للمصنع للسماح للصورة تركيز. ضبط الكاميرات عمودياً وأفقيا حيث يكون مرئياً من كل من الكاميرات نفس الجزء من النبات. استخدم جاك لموقف كل من الكاميرات عمودياً في مثل هذه طريقة أن الصور 2 يحتوي على جزء من التربة والنبات بالكامل.
  5. قم بتوصيل الكاميرات 2 باستخدام موصل USB إلى منافذ USB على الكمبيوتر.
  6. سد منافذ التكييف 2 في كل من الكاميرات للسماح بالرصد المستمر للنباتات.

2-الكمبيوتر وبرنامج الإعداد لتسجيل

  1. فتح النوافذ 2 (الإطار 1 لكل كاميرا) من البرنامج بالنقر المزدوج فوق الرمز الخاص بالبرنامج كاميرا الأشعة تحت الحمراء 2 x. اتبع الإرشادات التي تظهر في القائمة تعليمات لتوصيل الكاميرا اليسار في الإطار الأيسر، والحق في الكاميرا في الإطار الأيمن.
    ملاحظة: يمكن الوصول إلى التفاصيل لاستخدام البرامج من خلال القائمة "تعليمات". لوح أحادية اللون الأنسب في هذا المثال بسبب ضرورة استخدام الصبغ الأحمر والأزرق لعرض ثلاثي الأبعاد.
  2. فتح برامج التقاط الشاشة بالنقر المزدوج فوق الرمز الخاص بالبرنامج. ضبط الإطار الالتقاط بالنقر والسحب في الإطار حيث أنه يشمل كل من الكاميرات للسماح التقاط شاشة من كل من الكاميرات في نفس الوقت.
    ملاحظة: الشاشة التقاط دفق الفيديو من كل من الكاميرات في نفس الوقت حاسم لأنه يسمح بمزامنة لا تشوبه شائبة من آراء اليمين واليسار على حد سواء.
  3. تسجيل الفيديو في زيادات 3-ح لعملية تجهيز أسهل في برامج معالجة الفيديو.
    ملاحظة: من المستحيل أن نعرف بالضبط عندما سيتم تجميد المصنع، حيث من المهم أن سجل لبعض الوقت قبل الحدث تجميد. الخيار لتسجيل في قطاعات سمة من سمات هذا البرنامج، ولذلك فإنه يوصي بأن يتم تعيين هذا تسجيل ح 3. سيتم تلقائياً حفظ التسجيل 3-ح البرنامج وثم البدء في تسجيل جديد. الملف لكل تسجيل 3-ح تلقائياً تعطي تسلسل رقمي بعد الاسم. وسوف يكون كل ملف الفيديو من 10 إلى 20 غيغابايت، حتى تضمن أن تتوفر مساحة كافية على قرص الثابت لعدة ملفات بهذا الحجم.
  4. بدء تشغيل البرنامج الثلاجة بتحديد تشغيل في القائمة وحدة تحكم وبدء التقاط الشاشة. ثم اضغط على زر Rec على النافذة. التأكد من أن المخطط تظهر منطقة الشاشة يتم التقاطها تتحول إلى اللون الأحمر.
  5. تسجيل مصنع الفراولة تجميد وصولاً إلى-8 درجة مئوية وعقد درجة حرارة الثلاجة عن ح 1.
  6. رفع درجة حرارة الثلاجة عند 2 درجة مئوية/ساعة حتى الثلاجة في + 2 درجة مئوية. إيقاف التسجيل.
    ملاحظة: مجموع تجميد الوقت ح 14.
  7. تحويل الملفات ذات الاهتمام من تنسيق.mp4. موف باستخدام برنامج تحويل ملفات.
    ملاحظة: في هذه الحالة، ملف واحد ح 3 يحتوي على 1 أو أكثر من الأحداث تجميد ستستخدم.

3-معالجة الفيديو باستخدام فيديو برامج التصوير

ملاحظة: سيتم استخدام الفيديو برامج التصوير في هذا المثال. دروس حول كيفية استخدام البرمجيات على شبكة الإنترنت. وسيتولى هذا المثال معرفة أساسية للبرنامج. فهم مصطلحات من قبيل "التكوين"، "طبقة"، و "تقديم قائمة الانتظار"، فضلا عن مختلف الأفرقة وكيفية التلاعب بها، ومن المفترض.

  1. انقر نقراً مزدوجاً فوق أي مكان داخل لوحة المشروع لاستيراد ملف موف من اهتمام في برامج التصوير وسحب الملف إلى رمز التكوين في الجزء السفلي من لوحة المشروع. قم بحفظ المشروع في نفس المجلد الذي يحتوي على أشرطة الفيديو الأصلي.
    ملاحظة: الفيديو المسجلة ستكون مرئية في جزء المعاينة.
  2. انقر على رمز المنطقة من الفائدة على طول الجزء السفلي من نافذة المعاينة، واستخدام المؤشر، المخطط التفصيلي فقط التسجيل من الكاميرا اليسرى.
  3. اسحب الفيديو موف نفس إلى رمز التكوين لخلق تكوين ثاني من شريط الفيديو نفسه. كرر الخطوة 3-3، لكن هذه المرة، استخدم المؤشر لتحديد فقط الحق في الكاميرا.
  4. حدد تكوين > المحاصيل تراكب "المنطقة من الفائدة" لليسار. كرر هذه العملية لطريقة العرض الصحيح. قم بإعادة تسمية كل تكوين للإشارة إلى وهو الأيسر والأيمن.
  5. تسليط الضوء على تكوين اليسار بالنقر على ذلك، وفي القائمة الرئيسية في الأعلى، تحديد تكوين > إضافة إلى "تقديم قائمة الانتظار".
  6. في طابور، انقر فوق الوحدة النمطية للإخراج وتأكد من الفيديو سيتم عرضها كشريط فيديو (مثلاً، كويك تايم فيديو). انقر فوق إعدادات التجسيد تقليل درجة الدقة للسماح تقديم أسرع. انقر فوق إخراج، اسم الفيديو اليسار الفراولة، واحفظه في نفس المجلد كالتسجيل الأصلي والمشروع. انقر فوق حفظ، ومن ثم انقر فوق الزر عرض في الجانب الأيمن العلوي من لوحة العرض.
  7. كرر الخطوة 3، 6 لتكوين حق الفراولة .
  8. انقر نقراً مزدوجاً فوق لوحة المشروع واستيراد ملفات الفيديو الفراولة اليمين و اليسار الفراولة التي صدرت فقط.
  9. تسليط الضوء على كل من أشرطة الفيديو، وسحبها إلى رمز التكوين في الجزء السفلي من لوحة المشروع. في الشاشة المنبثقة يسأل عن المدة لا تزال، أدخل 3 مع أصفار 5 لمدة 3-ح.
    ملاحظة: كل من أشرطة الفيديو، دقة متزامنة، سوف تكون في لوحة المشروع، لكن فقط الفيديو الأعلى في لوحة التشكيل ستكون مرئية.
  10. لعرض صورة أخرى، انقر فوق مقلة العين قليلاً لإيقاف الطبقة. اضغط التحكم/W للسماح عنصر تحكم تناوب الصور في لوحة المعاينة باستخدام المؤشر. استخدام المؤشر، ثم النقر فوق الطبقة العليا وإيقاف تشغيله، قم بضبط الجانب المتعلق بالتناوب أما الأعلى أو أسفل طريقة العرض للتأكد من كل الصور في نفس الطائرة التناوب. ثم قم بضبط X-و Y-الطائرة مباشرة داخل روتين نظارات ثلاثية الأبعاد.
  11. تسليط الضوء على الطبقة العليا من تكوين الفريق وحدد تأثير > منظور > نظارات ثلاثية الأبعاد من القائمة في الجزء العلوي.
    ملاحظة: معلمات 3D "تأثير النظارات" سوف يطفو على السطح داخل لوحة التحكم.
  12. في لوحة التحكم، انقر فوق المربع إلى يمين "رأي اليسار" – إذا لم يتم فصل لوحة التحكم من لوحة المشروع، انقر فوق علامة التبويب لوحة التحكم في الجزء العلوي من لوحة المشروع. قائمة أشرطة الفيديو 2 في لوحة التكوين في قائمة المنسدلة، وتسليط الضوء على الفيديو في قائمة "عرض اليسار". كرر هذه الخطوة من أجل "حق عرض".
  13. في المربع إلى اليمين عرض ثلاثي الأبعاد، حدد LR الأحمر الأزرق.
  14. استخدام نظارات أحمر-أزرق، تفقد الرأي في فريق المشروع. إذا كان يبدو أن عرض ثلاثي الأبعاد غير صحيحة، حاول النقر فوق تبديل اليسار واليمين. ضبط المشهد التقارب و المحاذاة العمودية للقضاء على أي إجهاد العين والظلال.
  15. عند الجانب 3D الفيديو مقبول، تسليط الضوء على تشكيلة بالنقر فوقه وحدد تكوين > إضافة تقديم قائمة الانتظار كما حدث في الخطوة 3، 7. تقديم الفيديو في نفس المجلد مثل الملفات الأخرى في المشروع.
    ملاحظة: سوف يكون هذا الملف كبير نوعا. بمجرد الملف قد تم تقديمه، يمكن إعادة تقديمه إلى حجم ملف أصغر باستخدام برامج معالجة الفيديو.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

من المستغرب، الفيديو الأشعة تحت الحمراء من المصنع الفراولة تجميد (1 فيديو تكميلية) أشارت إلى أن ليس جميع أوراق/الزهور جمدت في الوقت نفسه. الأوراق والزهور وجمدت على حدة في درجات حرارة مختلفة، ولكن يترك جمد في وقت سابق من الزهور وعند درجة حرارة أعلى. وبالإضافة إلى ذلك، بدأت بتجميد في الأوراق ولكن ليس بالضرورة في نفس الموضع في كل ورقة. في حين قد وصف هذه النتائج لا سابقا في الفراولة، وجدت نتائج مماثلة في سائر الأنواع النباتية6. مرة واحدة تم تجميد الأور...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

اثنين من كاميرات الأشعة تحت الحمراء ضرورية لهذا البروتوكول، ويجب أن يهدف هذا الموضوع من زوايا مختلفة قليلاً1. وهذا يتطلب العدسات من 5-8 سم عن بعضها البعض، ولكن على حد سواء يجب أن ترمي في نفس المكان في هذا الموضوع يتم تصويره. أعتقد من عدسات الكاميرا 2 كنوع من بديل لعيون المشاهد. الكاميرا الأيسر مماثل للحق في الكاميرا للعين اليمنى والعين اليسرى. بعد تجهيز البرمجيات سوف لون الصورة اليسرى بلون أحمر والصورة الصحيحة بلون أزرق، حتى بارتداء نظارات أحمر-أزرق، العين اليسرى فقط يمكن رؤية الصورة اليسرى والعين...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وأيد هذا العمل التمويل داخل وزارة الزراعة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

هناك حاجة برنامج

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
إلى كاميرا وبرامج T620 بالأشعة تحت الحمراءFLIR55903-51222 كاميرات. يعمل البرنامج فقط على جهاز كمبيوتر يعمل بنظام Windows
After Effects Adobe15.0.1.73برنامج تحرير الفيديو بعد الإنتاج
BandicamBandisoft4.1.2.1385التقاط الشاشة
مختبر مقبس مقص جاك   ؛  EiscoCH0642Aمنصة فولاذية 13X15 سم
حزام تثبيتفيلكرو90441لحمل الكاميرا على جاك.  يجب أن يكون طوله 60 سم على الأقل وعرضه 2 سم
محول الوسائطiSkysoft10.0.6لتحويل ملفات mp4 إلى .mov 

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Geng, J. Three-dimensional display technologies. Advances in Optics and Photonics. 5, 456-535 (2013).
  2. Ceccardi, T. L., Heath, R. L., Ting, I. P. Low-temperature exotherm measurement using infrared thermography. HortScience. 30, 140-142 (1995).
  3. Wimmer, B. History of thermal imaging, Security Sales and Integration. , Framingham, MA, USA. (2011).
  4. Wisniewski, M., Lindow, S. E., Ashworth, E. Observations of ice nucleation and propagation in plants using infrared video thermography. Plant Physiology. 113, 327-334 (1997).
  5. Kuprian, E., Tuong, T., Pfaller, K., Livingston, D. P., Neuner, G. Persistent supercooling of reproductive shoots is enabled by structural ice barriers being active despite an intact xylem connection. Public Library of Science ONE. 11, e0163160(2016).
  6. Livingston, D. P. III, Tuong, T. D., Murphy, J. P., Gusta, L., Wisniewski, M. E. High-definition infrared thermography of ice nucleation and propagation in wheat under natural frost conditions and controlled freezing. Planta. 247, 791-806 (2017).
  7. Boyles, R. P., Raman, S. Analysis of climate patterns and trends in North Carolina (1949-1998). Environment International. 29 (2-3), 263-275 (2003).
  8. Poling, E. B. Managing Cold Events. A Growers' Guide to Production, Economics and Marketing. Poling, E. B. , NC Strawberry Association. Siler City. 75-97 (2015).
  9. Hacker, J., Neuner, G. Ice porpagaion in plants visualized at the tissue level by infrared differential thermal analysis (IDTA). Tree Physiology. 27, 1661-1670 (2007).
  10. He, J. Q., Harrison, R. J., Li, B. A novel 3D imaging system for strawberry phenotyping. Plant Methods. 13, 93-101 (2017).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة