Protocol voor het produceren van driedimensionale infrarood Video van bevriezing in planten

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol om de afbeelding van een aardbei plant bevriezing in 3 dimensies. Twee infrarood camera's geplaatst in iets verschillende hoeken worden gebruikt om een rood-blauw anaglyph video om te zien hoe de bevriezing van de fabriek in 3 dimensies te produceren.

Samenvatting

Bevriezing in planten kan worden gecontroleerd met behulp van infrarood (IR) thermografie, omdat als water bevriest, het geeft warmte af. Echter maken problemen met kleurcontrast 2-dimensies (2D) infraroodbeelden enigszins moeilijk te interpreteren. Bekijken van een IR-beeld of de video van planten bevriezing in 3 dimensies (3D), zou een meer accurate identificatie van sites voor ijs nucleatie en de progressie van bevriezing. In deze paper tonen we een relatief eenvoudige middelen om een 3D infrarood video van een aardbei plant bevriezing te produceren. Aardbei is een economisch belangrijke gewas dat is onderworpen aan de voorjaarsbijeenkomst van de onverwachte bevriezen gebeurtenissen in vele gebieden van de wereld. Een juist begrip van de bevriezing in aardbei zal bieden zowel kwekers en telers met zuiniger manieren ter voorkoming van eventuele schade aan planten tijdens het bevriezen van de voorwaarden.

De techniek houdt een positionering van twee IR-camera's in iets verschillende hoeken naar de film van de aardbei bevriezing. De twee video streams zullen juist worden gesynchroniseerd met behulp van een zeef inneming software die records van beide camera's tegelijkertijd. De opnames zal vervolgens worden geïmporteerd in de beeldbewerkingssoftware en verwerkt met behulp van een anaglyph techniek. Met behulp van rood-blauw-bril, zal de 3D video het gemakkelijker maken om te bepalen van de nauwkeurige plaats van ijs nucleatie op blad oppervlakken.

Inleiding

Ondanks het leven in een wereld van drie fysieke afmetingen, zijn onderzoekers vaak beperkt tot het rapporteren van visuele waarnemingen in 2D. Hoewel 2D beelden over het algemeen voldoende om over te brengen van belangrijke informatie zijn, beperkt dit gebrek aan informatie over de diepte ons vermogen tot waarnemen en begrijpen de complexiteit van reële objecten. ¹

Dit tekort aan informatie over de diepte stimulans een om te produceren 3D video's voornamelijk in de commerciële filmindustrie sinds de vroege jaren 1900-¹. Echter wordt duidelijk 3D-informatie genereren in de stilstaande beelden en video belemmerd door de complexiteit die betrokken zijn bij het opstellen van die beelden. De eenvoudigste aanpak voor het genereren van 3D film is gebaseerd op principes gebruikt in de stereoscopische fotografie. Stereoscopische fotografie maakt gebruik van twee beelden van hetzelfde object vanuit iets verschillende hoeken die een 3D-beeld in de hersenen vervoert. Dit om mogelijk te maken, moet elk oog kijken alleen haar respectieve imago (dat wil zeggen, het linkeroog op de linker afbeelding en het rechter oog op de rechterafbeelding). Omdat de ogen zal natuurlijk niet, werd stereoscopische hoofddeksels ontworpen om het maken van dit mogelijk¹. Verschillende stereoscopische zijn bekijken technieken, zo goed als polarisatie-geïnterlinieerd, tijd-multiplexed, en hoofd-mount weergave technieken, gebruikt tijdens de ontwikkeling van 3D-films, maar de methode van het kleur-interliniëring of anaglyph met rood en groen (of cyaan) glazen is een van de eenvoudigste en minst dure technieken. Zie voor een uitgebreide herziening van 3D-beeldbewerking en de verschillende technieken die betrokken zijn, de beoordeling door Geng¹.

Toezicht op bevriezing in planten met behulp van IR thermografie is gebaseerd op het beginsel dat als water bevriest, van interne energiemarkt^{2 geven moet}. Deze energie is in de vorm van warmte, die aantoonbaar in het IR-regio van het elektromagnetische spectrum is. Camera's registreren de IR energie al in gebruik sinds 1929³. De eerste gepubliceerde rapport met behulp van IR-technologie om film bevriezing in planten is van Cecardi et al. ², maar de resolutie van de camera gebruikt maakt het moeilijk om nauwkeurig bepalen het weefsel waar de bevriezing is gestart. Wisniewski et al. ⁴ bepaald nauwkeuriger sites van ijs nucleatie in verschillende plantensoorten met behulp van een hogere resolutie camera. Als de technologie die wordt gebruikt in IR thermografie verbeterd, resolutiebeelden met een hogere leidde tot ontdekkingen zoals handelsbelemmeringen bevriezing⁵ en de precieze cellulaire lokalisatie van ijs vorming⁶.

Een moeilijkheid in het filmen van de onderwerpen in IR wordt veroorzaakt door kleine verschillen in temperatuur. Hierdoor wordt de meeste objecten in het gezichtsveld een soortgelijke kleur, waardoor het moeilijk is om precies welke/de object(en) is/zijn bevriezing. Dit kan belangrijk zijn bij het bepalen van de volgorde van de bevriezing in specifieke weefsels, zoals bladeren of wortels in tarwe⁶. Als de IR-video van planten bevriezing kan worden beeld in 3D, kan de nauwkeurigheid vast te stellen welk deel van de plant is bevriezen op een bepaald punt in de tijd worden verbeterd.

Aardbei is een gewas in bepaalde gebieden van de Verenigde Staten waarin vrieskou van grote bezorgdheid voor de telers zijn. Onder sommige groeiomstandigheden is het gebruikelijk voor aardbei bloemen verschijnen 2-3 weken voor de gemiddelde afgelopen voorjaar bevriezen. Een freeze-gebeurtenis kan zo laat juni plaatsvinden in sommige gebieden van de Appalachen⁷ en meestal resultaten in de dood van de bloem. Vorst bescherming is, daarom, cruciaal voor aardbei telers in deze gebieden gebeurtenissen bevriezen. Aardbei kwekers in Noord-Carolina, bijvoorbeeld, moeten frost-beschermen, gemiddeld, tussen 4-6 vorst gebeurtenissen voordat bloom en 1-2 harde bevriest tijdens de vroege bloei periode⁸. Om te helpen bij het ontwikkelen van aardbei genotypen die meer bevriezing tolerant, is het belangrijk om te begrijpen van de verschillende aspecten van de bevriezing, zoals de sites van ijs nucleatie en verspreiding naar andere delen van de plant. IR thermografie biedt een doeltreffend middel om deze kwesties te behandelen.

Hier, gebruiken wij aardbei om te illustreren een techniek voor het opnemen van bevriezing gebeurtenissen in 3D anaglyph methode. Aardbei is geschikt voor dit voorbeeld omdat de bladeren en bloemen zijn op grote schaal verspreid in de 3D-ruimte en moeilijk om te onderscheiden wanneer in 2D infrarood video's bekeken kunnen worden.

Protocol

1. voorbereiding

1. Het verzamelen van apparatuur, materialen en software om te registreren en verwerken van de video van plant bevriezing.
   1. Start een programmeerbare vriezer door de schakelaar te opte stellen en de temperatuur instellen tot 0 ° C. Programma de vriezer tot-8 ° C bij 1 ° C/h.
2. Plaats één 6-weken oude aardbei plant met 2-5 bloemen die werd gekweekt in een 1 L-container in de vriezer.
3. 2 IR-camera's (b.v., FLIR T620 camera's) instellen met behulp van bevestigingsschroeven bandjes en een kleine blok van hout voor de productie van de juiste convergentie hoek van de lenzen.
   Opmerking: De optimale afstand tot de ruimte van het midden van de lenzen van de 2 camera's wordt over het algemeen beschouwd als gelijk aan de afstand tussen de ogen¹ of ongeveer 7 cm.
4. Mount beide camera's een 10 x 10 cm laboratorium jack en positie de aansluiting in de vriezer niet dicht genoeg bij de plant om de afbeelding te worden gericht. De camera's verticaal en horizontaal aanpassen zodat hetzelfde deel van de plant zichtbaar vanuit beide camera's is. Gebruik de aansluiting om de positie van beide camera's verticaal op een zodanige wijze dat de 2 beelden de hele plant en een gedeelte van de bodem bevatten.
5. Sluit de 2 camera's met behulp van een USB-connector aan de outlets van USB op de computer.
6. Sluit de 2 a/c-outlets op beide camera's om een continue monitoring van de planten.

2. computer en Software-instellingen voor opname

1. 2 Vensters (1 raam voor elke camera) van de software openen door te dubbelklikken op het pictogram voor de IR camerasoftware 2 x. Volg de instructies in het helpmenu om verbinding te maken met de linker camera in het linkervenster en de juiste camera in het rechtervenster.
   Opmerking: De details voor het gebruik van de software toegankelijk zijn via het helpmenu. Een monochromatische palet is het meest geschikt is voor dit voorbeeld als gevolg van de noodzaak van het gebruik van rood-blauw verven voor de 3D rendering.
2. Open de zeef inneming software door te dubbelklikken op het pictogram voor het programma. Het capture-frame aanpassen door te klikken en te slepen van het frame, zodat het bevat beide camera's tegelijkertijd zodat een schermopname maken van beide camera's.
   Opmerking: Scherm vastleggen van de video-stream van beide camera's tegelijkertijd is van cruciaal belang omdat daarmee een perfecte synchronisatie van zowel links als rechts weergaven.
3. De video opnemen in 3-h stappen voor een gemakkelijkere verwerking in de video-verwerking-software.
   Opmerking: Het is onmogelijk om te weten precies wanneer de plant bevriezen zal, dus het is belangrijk om record voor enige tijd voorafgaand aan het evenement bevriezen. De optie opnemen in segmenten is een kenmerk van deze software, dus het is aangeraden dat dit is ingesteld op het record voor 3 h. De software zal de opname 3-h automatisch op te slaan en vervolgens een nieuwe opname te beginnen. Het bestand voor elke opname 3-h zal automatisch worden gegeven een numerieke volgorde achter de naam. Elk video bestand zal worden van 10 tot 20 GB, dus zorg ervoor dat voldoende ruimte beschikbaar op een harde schijf voor meerdere bestanden van deze grootte is.
4. Start het programma vriezer uitvoeren te selecteren in het menu van de controller en beginnen de schermopname. Druk op de Rec knop op het venster. Zorg ervoor dat het overzicht tonen van de regio van het scherm wordt gevangen rood.
5. Opnemen van de aardbei plant bevriezing tot-8 ° C en houd de temperatuur van de vriezer voor 1 h.
6. Verhogen van de temperatuur van de vriezer bij 2 ° C/h totdat de vriezer op + 2 ° C. Stop de opname.
   Opmerking: De totale tijd bevriezen is 14 h.
7. De bestanden van belang van .mp4 converteren naar MOV met behulp van een bestand conversiesoftware.
   Opmerking: In dit geval een één 3U-bestand met 1 of meer bevriezen gebeurtenissen zal worden gebruikt.

3. de verwerking van Video met behulp van een Video beeldbewerkingssoftware

Opmerking: Video denkbaar software zal worden gebruikt in dit voorbeeld. Tutorials over hoe de software te gebruiken zijn online beschikbaar. In het volgende voorbeeld wordt uitgegaan van een basiskennis van de software. Het begrip van de termen als "compositie", "laag", en "render wachtrij", evenals de verschillende panelen en hoe te manipuleren, is aangenomen.

1. Dubbelklik ergens binnen het projectdeelvenster naar het MOV-bestand van belang in de denkbaar software importeren en sleep het bestand naar het pictogram van de samenstelling aan de onderkant van het projectdeelvenster. Sla het project op de dezelfde map met de oorspronkelijke video's.
   Opmerking: De video opgenomen worden zichtbaar in het voorbeeldvenster.
2. Klik op het pictogram van de Regio van belang langs de onderkant van het venster Afdrukvoorbeeld en met behulp van de cursor, een overzicht van alleen de opname van de linker camera.
3. Sleep dezelfde .mov video naar het pictogram van de samenstelling om een tweede compositie van dezelfde video te maken. Herhaal stap 3.3, maar dit keer, gebruik de cursor om alleen de juiste camera.
4. Selecteer samenstelling > Gewas Comp regio van belang voor de linker weergave. Herhaal dit voor de juiste weergave. Wijzig de naam van elke samenstelling om aan te geven die is links en rechts.
5. Markeer de linker samenstelling door te klikken op het en, in het hoofdmenu bovenaan selecteren samenstelling > toevoegen aan Renderwachtrij.
6. In de render-wachtrij, klikt u op Output Module en ervoor te zorgen dat de video zal worden weergegeven als een video (bijvoorbeeldeen QuickTime-video). Klik op Renderinstellingen om de resolutie om een snellere weergave. Klik op uitvoer naar, naam video Aardbei links, en opslaan in dezelfde map als de oorspronkelijke opname en het project. Klik op Opslaanen klik vervolgens op de Render knop rechtsboven in het deelvenster render.
7. Herhaal stap 3.6 voor de samenstelling van de Aardbei recht .
8. Dubbelklik in het projectdeelvenster en importeren van de Aardbei links en Rechts van de aardbei video's die werden gewoon weergegeven.
9. Beide video's markeren en sleep ze naar het pictogram van de samenstelling aan de onderkant van het projectdeelvenster. Geef in het pop-upscherm vragen voor het Nog steeds duur, 3 met 5 nullen voor de duur van een 3-h.
   Opmerking: Zowel video's, juist gesynchroniseerd, worden in het projectdeelvenster, maar alleen de bovenste video in het deelvenster samenstelling zichtbaar zal zijn.
10. Als u de andere afbeelding, klik op de kleine oogbol uitschakelen van de laag. Druk op CTRL/W controle mogelijk moeten maken een rotatie van de afbeeldingen in het deelvenster Voorbeeld met behulp van de cursor. Met behulp van de cursor en te klikken op de bovenste laag in- en uitschakelen, passen de roterende aspect van de top of de onderste weergave om ervoor te zorgen dat beide beelden zijn in hetzelfde rotatie vlak. Pas vervolgens de X - en Y-plane rechtstreeks vanuit de 3D bril subroutine.
11. Markeer de bovenste laag in het deelvenster samenstelling en selecteer Effect > vooruitzichten > 3D bril uit het menu aan de bovenkant.
    Opmerking: De parameters voor de 3D bril Effect zal opduiken in het Configuratiescherm.
12. In het Configuratiescherm, klikt u op het vak aan de rechterkant van "links weergave" — als het bedieningspaneel niet is van het projectdeelvenster gescheiden, klikt u op de tab van het besturingselement deelvenster boven in het projectdeelvenster. Lijst van de 2 video's in het Configuratiescherm van de samenstelling van een drop-down menu, Markeer de video in de lijst voor de "links view". Herhaal deze stap voor "juiste weergave".
13. Selecteer in het vak aan de rechterkant van de 3D-weergave, Red Blue LR.
14. Met behulp van rood-blauw bril, Inspecteer de weergave in het projectdeelvenster. Als de 3D weergave lijkt onjuist te zijn, proberen te Wisselen links-rechtsklikken. Convergentie van de scène en verticale uitlijning te elimineren alle beeldschaduwen en ogen stam aanpassen.
15. Wanneer het 3D aspect van de video aanvaardbaar is, markeert u de samenstelling door erop te klikken en selecteer samenstelling > toevoegen aan wachtrij maken zoals is gebeurd in stap 3.7. De video renderen in dezelfde map als de overige bestanden in het project.
    Opmerking: Dit bestand kan vrij groot. Zodra het bestand is gemaakt, kan het opnieuw gesmolten tot een kleinere bestandsgrootte met behulp van de video-verwerking-software.

Resultaten

Verrassend, de IR-video van de aardbei plant bevriezing (aanvullende Video 1) aangegeven dat niet alle bladeren/bloemen bevroor op hetzelfde moment. De bladeren en bloemen zijn beide bevroor individueel bij verschillende temperaturen, maar de bladeren bevroor eerder dan de bloemen en bij een hogere temperatuur. Daarnaast begon de bevriezing in de bladeren, maar niet noodzakelijkerwijs op dezelfde positie op elk blad. Terwijl deze resultaten hebben niet eerder zijn beschre...

Discussie

Twee IR-camera's nodig zijn voor dit protocol, en zij moeten zijn gericht op het onderwerp van iets verschillende hoeken¹. Dit vergt de lenzen te zijn van 5-8 cm uit elkaar, maar beide gericht moeten zijn op dezelfde plaats op het onderwerp worden gefilmd. Denk aan de 2 cameralenzen als een soort van surrogaat voor de ogen van de kijker. De linker camera is analoog aan het linkeroog en de juiste camera aan het rechteroog. De post-processing software zal de linker afbeelding een rode kleur en het j...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
T620 Infrared Camera and software	FLIR	55903-5122	2 camera's zijn nodig. Software werkt alleen op een Windows-gebaseerde computer
After Effects	Adobe	15.0.1.73	Post-productie videobewerkingssoftware
Bandicam	Bandisoft	4.1.2.1385	Schermopnamesoftware
Laboratory Scissor Jack	Eisco	CH0642A	Stalen platform 13X15 cm
Bevestigingsband	Velcro	90441	Om de camera op de jack te houden.  Moet minimaal 60 cm lang en 2 cm breed zijn
Media Converter	iSkysoft	10.0.6	Software om mp4-bestanden naar.mov te converteren