制作植物冻结过程三维红外视频的实验方案

摘要

本文介绍了一种对草莓植株在三维空间中结冰过程进行成像的实验方案。通过将两台红外相机以略微不同的角度放置，生成红蓝立体视频，以观察植株在三维空间中的结冰过程。

摘要

可以利用红外热成像技术监测植物的结冰过程，因为水在结冰时会释放热量。然而，由于颜色对比度的问题，二维（2D）红外图像在解读上存在一定困难。若能以三维（3D）形式观察红外图像或植物结冰过程的视频，则可更准确地识别冰核形成位点以及冻结的扩展过程。本文展示了一种相对简便的方法，用于生成草莓植株结冰过程的三维红外视频。草莓是一种具有重要经济价值的作物，在世界许多地区常遭受春季突发性霜冻的影响。准确理解草莓植株的结冰过程，将为育种人员和种植者提供更经济有效的手段，以防止植株在低温冻结条件下受到损伤。

该技术涉及将两个红外相机以略微不同的角度放置，以拍摄草莓冻结过程。利用屏幕捕获软件同时记录两个相机的视频流，从而实现精确同步。随后将录像导入成像软件，并采用立体红蓝成像技术进行处理。通过红-蓝眼镜观察，三维视频将有助于更准确地确定叶片表面冰核形成的精确位置。

引言

尽管我们生活在三维物理世界中，研究人员却常常受限于以二维形式呈现视觉观察结果。虽然二维图像通常足以传达重要信息，但缺乏深度信息限制了我们感知和理解现实世界物体复杂性的能力。¹

这种在深度信息方面的不足促使人们自20世纪初以来主要在商业电影行业中制作3D视频¹。然而，静态图像和视频中清晰3D信息的生成受到图像制作过程复杂性的限制。生成3D影片最简单的方法基于立体摄影所采用的原理。立体摄影利用同一物体从略微不同角度拍摄的两幅图像，在人脑中形成3D视觉效果。为实现这一效果，每只眼睛必须仅观看对应的图像（即左眼观看左图像，右眼观看右图像）。由于眼睛无法自然实现这种分离，因此设计了立体视觉头戴设备以实现该功能¹。在3D电影的发展过程中，曾采用多种立体观察技术，以及偏振交错、时分复用和头戴式显示技术，但使用红绿（或青色）眼镜的彩色交错或称色差（anaglyph）法是最简单且成本最低的技术之一。有关3D成像及其各种技术的全面综述，可参见Geng的综述文章¹。

利用红外热成像技术监测植物中的结冰过程，其原理基于水在结冰时必须释放内部能量²。这种能量以热的形式存在，可在电磁波谱的红外区....

方案

1. 准备

1. 准备用于记录和处理植物结冰视频的设备、材料和软件。
   1. 将可编程冷冻机的电源开关设为开启状态，并将温度设为 0 °C。设置冷冻机以每小时降低 1 °C 的速率降温至 -8 °C。
2. 将一株生长在 1 L 容器中、具有 2 - 5 朵花的 6 周龄草莓植株放入冷冻机中。
3. 使用固定带和一小块木块安装两台红外相机（例如，FLIR T620 相机），以获得镜头之间合适的会聚角度。
   注意：通常认为，两台相机镜头中心之间的最佳距离与人眼间距相同¹，约为 7 cm。
4. 将两台相机安装在一个 10 × 10 cm 的实验室升降台上，并将升降台置于冷冻机内靠近植株的位置，以便对图像进行聚焦。调整相机的垂直和水平位置，使两台相机均能观察到植株的相同部分。使用升降台垂直调节两台相机的位置，使两个图像均包含整株植物及部分土壤。
5. 使用 USB 连接线将两台相机连接至计算机上的 USB 接口。
6. 将两台相机分别插入交流电源插座，以实现对植株的持续监测。

2. 录制用计算机与软件设置

1. 双击红外相机软件图标两次，打开两个软件窗口（每个相机对应一个窗口）。按照帮助菜单中的说明，将左侧窗....

结果

令人意外的是，草莓植株结冰的红外视频（补充视频1）显示，并非所有叶片或花朵都在同一时间结冰。叶片和花朵各自在不同温度下独立结冰，但叶片比花朵更早结冰，且结冰温度更高。此外，结冰起始于叶片，但并不一定发生在每片叶片的相同位置。尽管此前在草莓中尚未报道过此类结果，但在其他植物物种中已观察到类似现象⁶。一旦叶片结冰，冰冻便沿叶柄向下蔓延至植株的冠部。当冷冻室温度再降低1至2摄氏度时，花朵开始结冰，起始于花萼，并迅速扩展至花瓣和花托（图1）。与其他大部分植物组织相比，花托保持较浅的颜色（即温度较高）的时间更长，表明其水分结冰量更大。

将二维红外图像与三维图像（佩戴眼镜观看）进行比较时，三维图像可更准确地判断叶片和花朵结冰的先后顺序（图1）。观看三维视频时，也能更.......

讨论

本方案需要两台红外相机，且必须从略微不同的角度对准被拍摄对象¹。两台相机的镜头间距应保持在 5 - 8 cm 之间，但均需对准被拍摄对象的同一位置。可将这两个镜头视为观察者双眼的替代。左相机对应左眼，右相机对应右眼。后期处理软件会将左图像染成红色，右图像染成蓝色，因此佩戴红-蓝眼镜后，左眼只能看到左图像，右眼只能看到右图像。这意味着在记录冻结事件时，必须使用红外相机软件的灰度调色板。人脑会将这两幅图像融合，使观察者看到三维效果¹。

该方案的另一个关键步骤是使用屏幕录制软件同时捕获两个摄像头的输出。通过同时捕获两个摄像头的输出，可确保两个摄像头输出的完美同步。同步左右图像对于生成3D影片至关重要，其细节在其他文献中已有详细讨论。¹

为防止产生视觉疲劳，左右图像的垂直和水平会聚必须准确。尽管在录制前应调整摄像机位置以确保正确的会聚，但初始设置无需完全精确。本文所述的后期制作软件可对左右、上.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
T620 红外热成像仪及配套软件	FLIR	55903-5122	需要 2 台相机。软件仅可在基于 Windows 系统的计算机上运行
After Effects	Adobe	15.0.1.73	视频后期制作编辑软件
Bandicam	Bandisoft	4.1.2.1385	屏幕录制软件
实验室千斤顶	Eisco	CH0642A	钢制平台 13×15 cm
固定绑带	Velcro	90441	用于将相机固定在千斤顶上。  长度应至少为 60 cm，宽度为 2 cm
媒体转换器	iSkysoft	10.0.6	用于将 mp4 文件转换为 .mov 格式的软件