Artykuł metodologiczny

Protokół tworzenia trójwymiarowego obrazu wideo w podczerwieni przedstawiającego zamarzanie w roślinach

DOI:

10.3791/58025

⸱

12 września 2018

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj prezentujemy protokół obrazowania rośliny truskawki zamrażającej się w 3 wymiarach. Dwie kamery na podczerwień ustawione pod nieco różnymi kątami są wykorzystywane do wytworzenia czerwono-niebieskiego filmu anaglifowego, aby obserwować zamarzanie rośliny w 3 wymiarach.

Streszczenie

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

Zamarzanie w roślinach może być monitorowane za pomocą termografii w podczerwieni (IR), ponieważ gdy woda zamarza, wydziela ciepło. Jednak problemy z kontrastem kolorów sprawiają, że dwuwymiarowe (2D) obrazy w podczerwieni są nieco trudne do interpretacji. Oglądanie obrazu w podczerwieni lub filmu przedstawiającego zamarzanie roślin w 3 wymiarach (3D) pozwoliłoby na dokładniejszą identyfikację miejsc zarodkowania lodu, a także postępu zamarzania. W tym artykule pokazujemy stosunkowo prosty sposób na stworzenie filmu 3D w podczerwieni przedstawiającego zamrażanie rośliny truskawki. Truskawka jest rośliną uprawną o znaczeniu gospodarczym, która w wielu częściach świata jest narażona na nieoczekiwane wiosenne przymrozki. Dokładne zrozumienie zamarzania truskawek zapewni zarówno hodowcom, jak i hodowcom bardziej ekonomiczne sposoby zapobiegania uszkodzeniom roślin podczas mrozów.

Technika polega na ustawieniu dwóch kamer na podczerwień pod nieco różnymi kątami, aby sfilmować zamrażanie truskawek. Oba strumienie wideo zostaną precyzyjnie zsynchronizowane za pomocą oprogramowania do przechwytywania ekranu, które nagrywa obie kamery jednocześnie. Nagrania zostaną następnie zaimportowane do oprogramowania do obrazowania i przetworzone przy użyciu techniki anaglifowej. Korzystając z czerwono-niebieskich okularów, wideo 3D ułatwi określenie dokładnego miejsca zarodkowania lodu na powierzchni liści.

Wprowadzenie

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

Pomimo życia w świecie o trzech wymiarach fizycznych, badacze często ograniczają się do relacjonowania obserwacji wizualnych w 2D. Chociaż obrazy 2D są na ogół wystarczające do przekazania ważnych informacji, ten brak informacji o głębi ogranicza naszą zdolność do postrzegania i rozumienia złożoności obiektów świata rzeczywistego. 1

Ten brak informacji o głębokości stał się bodźcem do produkcji filmów 3D, głównie w komercyjnym przemyśle filmowym od początku XX wieku1. Jednak generowanie wyraźnych informacji 3D na zdjęciach i filmach jest utrudnione ze względu na złożoność związaną z tworzeniem tych obrazów. Najprostsze podejście do generowania filmu 3D opiera się na zasadach stosowanych w fotografii stereoskopowej. Fotografia stereoskopowa wykorzystuje dwa obrazy tego samego obiektu pod nieco różnymi kątami, które przekazują obraz 3D w mózgu. Aby było to możliwe, każde oko musi patrzeć tylko na odpowiadający mu obraz (tj. lewe oko na lewy obraz, a prawe oko na prawy obraz). Ponieważ oczy nie robią tego w sposób naturalny, stereoskopowe nakrycia głowy zostały zaprojektowane, aby to umożliwić1. Podczas opracowywania filmów 3D zastosowano kilka technik oglądania stereoskopowego, a także techniki wyświetlania z przeplotem polaryzacyjnym, multipleksowaniem w czasie i montowaniem na głowie, ale metoda z przeplotem kolorów lub anaglifów przy użyciu czerwonych i zielonych (lub cyjanowych) okularów jest jedną z najprostszych i najtańszych technik. Kompleksowy przegląd obrazowania 3D i różnych technik można znaleźć w recenzji Geng1.

Monitorowanie zamarzania w roślinach za pomocą termografii IR opiera się na zasadzie, że gdy woda zamarza, musi oddać energię wewnętrzną2. Energia ta ma postać ciepła, które jest wykrywalne w podczerwieni widma elektromagnetycznego. Kamery zdolne do rejestrowania energii podczerwieni są używane od 1929 roku3. Pierwszy opublikowany raport wykorzystujący technologię IR do filmowania zamrażania roślin pochodzi od Cecardi i wsp.2, ale rozdzielczość użytej kamery utrudnia dokładne określenie tkanki, w której inicjowane jest zamrażanie. Wiśniewski i wsp.4 określił dokładniejsze miejsca zarodkowania lodu u kilku gatunków roślin za pomocą kamery o wyższej rozdzielczości. Wraz z rozwojem technologii stosowanej w termografii w podczerwieni, obrazy o wyższej rozdzielczości doprowadziły do odkryć, takich jak bariery dla zamarzania5 oraz precyzyjna lokalizacja komórkowa tworzenia się lodu6.

Jedną z trudności w filmowaniu obiektów w podczerwieni są małe różnice temperatur. Spowoduje to, że większość obiektów w polu widzenia będzie miała podobny kolor, co utrudni precyzyjne określenie, które obiekty są w bezruchu. Może to być ważne przy określaniu kolejności zamrażania w określonych tkankach, takich jak liście lub korzenie w pszenica6. Gdyby film w podczerwieni przedstawiający zamarzające rośliny można było zobrazować w 3D, można by poprawić dokładność określania, która część rośliny zamarza w określonym momencie.

Truskawka jest uprawą w niektórych regionach Stanów Zjednoczonych, gdzie ujemne temperatury są dużym problemem dla hodowców. W niektórych warunkach uprawy często kwiaty truskawek pojawiają się 2-3 tygodnie przed średnimi ostatnimi wiosennymi przymrozkami. Zdarzenie zamrożenia może wystąpić jeszcze w czerwcu w niektórych obszarach Appalachów7 i zwykle skutkuje śmiercią kwiatu. Ochrona przed mrozem ma zatem kluczowe znaczenie dla plantatorów truskawek na obszarach narażonych na te przymrozki. Na przykład plantatorzy truskawek w Północnej Karolinie muszą chronić przed mrozem średnio od 4 do 6 przymrozków przed kwitnieniem i 1 - 2 silne przymrozki we wczesnym okresie kwitnienia8. Aby pomóc w rozwoju genotypów truskawek, które są bardziej odporne na zamarzanie, ważne jest zrozumienie różnych aspektów zamrażania, takich jak miejsca zarodkowania lodu i rozmnażania się w innych częściach rośliny. Termografia w podczerwieni stanowi skuteczny sposób na rozwiązanie tych problemów.

Tutaj używamy truskawki do zilustrowania techniki rejestrowania zdarzeń zamrażania w 3D za pomocą metody anaglifowej. Truskawka dobrze nadaje się do tego przykładu, ponieważ liście i kwiaty są szeroko rozmieszczone w przestrzeni 3D i mogą być trudne do odróżnienia, gdy są oglądane na filmach 2D w podczerwieni.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie

  1. Zgromadź sprzęt, materiały i oprogramowanie, aby nagrać i przetworzyć film z zamrażania roślin.
    1. Uruchom programowalną zamrażarkę, ustawiając wyłącznik zasilania w pozycji On i ustaw temperaturę na 0 °C. Zaprogramuj zamrażarkę tak, aby osiągnęła -8 °C przy 1 °C/h.
  2. Umieść jedną 6-tygodniową roślinę truskawki z 2-5 kwiatami, która została wyhodowana w pojemniku o pojemności 1 litra, w zamrażarce.
  3. Ustaw 2 kamery na podczerwień (np. kamery FLIR T620) za pomocą pasków mocujących i małego klocka drewna, aby uzyskać prawidłowy kąt zbieżności obiektywów.
    Uwaga: Optymalna odległość od środka obiektywów 2 kamer jest ogólnie uważana za taką samą jak odległość między oczami1 lub około 7 cm.
  4. Zamontuj obie kamery na podnośniku laboratoryjnym o wymiarach 10 x 10 cm i umieść podnośnik w zamrażarce wystarczająco blisko rośliny, aby umożliwić ustawienie ostrości obrazu. Ustaw kamery w pionie i poziomie tak, aby ta sama część rośliny była widoczna z obu kamer. Użyj podnośnika, aby ustawić obie kamery pionowo w taki sposób, aby 2 obrazy obejmowały całą roślinę i część gleby.
  5. Podłącz 2 kamery za pomocą złącza USB do gniazd USB w komputerze.
  6. Podłącz 2 gniazdka klimatyzacji do obu kamer, aby umożliwić ciągłe monitorowanie instalacji.

2. Konfiguracja komputera i oprogramowania do nagrywania

  1. Otwórz 2 okna (po 1 oknie dla każdej kamery) oprogramowania, klikając dwukrotnie ikonę oprogramowania kamery na podczerwień 2x. Postępuj zgodnie z instrukcjami w menu pomocy, aby połączyć lewą kamerę w lewym oknie i prawą kamerę w prawym oknie.
    Uwaga: Szczegółowe informacje na temat korzystania z oprogramowania można uzyskać za pośrednictwem menu pomocy. Paleta monochromatyczna najlepiej nadaje się do tego przykładu ze względu na konieczność użycia czerwono-niebieskiego zabarwienia do renderingu 3D.
  2. Otwórz oprogramowanie do przechwytywania ekranu, klikając dwukrotnie ikonę programu. Dostosuj klatkę przechwytywania, klikając i przeciągając ramkę tak, aby obejmowała obie kamery, aby umożliwić jednoczesne przechwytywanie ekranu obu kamer.
    Uwaga: Przechwytywanie strumienia wideo z obu kamer jednocześnie ma kluczowe znaczenie, ponieważ umożliwia bezbłędną synchronizację zarówno lewego, jak i prawego widoku.
  3. Nagrywaj wideo w odstępach 3-godzinnych, aby ułatwić przetwarzanie w oprogramowaniu do przetwarzania wideo.
    Uwaga: Nie można dokładnie określić, kiedy roślina zamarznie, dlatego ważne jest, aby rejestrować przez pewien czas przed zamarznięciem. Opcja nagrywania w segmentach jest funkcją tego oprogramowania, dlatego zaleca się, aby było to ustawienie na nagrywanie przez 3 godziny. Oprogramowanie automatycznie zapisze 3-godzinne nagranie, a następnie rozpocznie nowe nagrywanie. Plik dla każdego 3-godzinnego nagrania zostanie automatycznie opatrzony sekwencją numeryczną po nazwie. Każdy plik wideo będzie miał od 10 do 20 GB, więc upewnij się, że na dysku twardym jest wystarczająco dużo miejsca na wiele plików o tym rozmiarze.
  4. Uruchom program zamrażarki, wybierając opcję Uruchom w menu kontrolera i rozpocznij przechwytywanie ekranu. Następnie naciśnij przycisk Rec na oknie. Upewnij się, że kontur przedstawiający przechwytywany obszar ekranu zmieni kolor na czerwony.
  5. Rejestruj zamrożenie rośliny truskawek do -8 °C i utrzymuj temperaturę zamrażarki przez 1 godzinę.
  6. Podnieś temperaturę zamrażarki do 2 °C/h, aż zamrażarka osiągnie +2 °C. Zatrzymaj nagrywanie.
    Uwaga: Całkowity czas zamrażania wynosi 14 godzin.
  7. Przekonwertuj interesujący Cię plik(i) z .mp4 formatu na .mov za pomocą oprogramowania do konwersji plików.
    Uwaga: W takim przypadku zostanie użyty pojedynczy plik 3-godzinny zawierający 1 lub więcej zdarzeń zawieszania.

3. Przetwarzanie wideo za pomocą oprogramowania do obrazowania wideo

Uwaga: W tym przykładzie zostanie użyte oprogramowanie do obrazowania wideo. Samouczki dotyczące korzystania z oprogramowania są dostępne online. W tym przykładzie założymy podstawową wiedzę na temat oprogramowania. Zakłada się zrozumienie pojęć takich jak "kompozycja", "warstwa" i "kolejka renderowania", a także różnych paneli i sposobu manipulowania nimi.

  1. Kliknij dwukrotnie w dowolnym miejscu panelu projektu, aby zaimportować interesujący .mov plik do oprogramowania do przetwarzania obrazu, a następnie przeciągnij plik na ikonę Kompozycja u dołu panelu projektu. Następnie zapisz projekt w tym samym folderze, w którym znajdują się oryginalne filmy.
    Uwaga: Nagrane wideo będzie widoczne w okienku podglądu.
  2. Kliknij ikonę Obszar zainteresowania u dołu okna podglądu i za pomocą kursora obrysuj tylko nagranie z lewej kamery.
  3. Przeciągnij ten sam film .mov na ikonę Kompozycja, aby utworzyć drugą kompozycję tego samego filmu. Powtórz krok 3.3, ale tym razem użyj kursora, aby wybrać tylko odpowiednią kamerę.
  4. Wybierz opcję Kompozycja > Przytnij kompozycję do obszaru zainteresowania dla widoku po lewej stronie. Powtórz tę czynność dla właściwego widoku. Zmień nazwę każdej kompozycji, aby wskazać, która jest lewa, a która prawa.
  5. Zaznacz lewą kompozycję, klikając na nią i w menu głównym u góry wybierz opcję Kompozycja > Dodaj do kolejki renderowania.
  6. W kolejce renderowania kliknij Moduł wyjściowy i upewnij się, że wideo zostanie wyrenderowane jako wideo (np. wideo QuickTime). Kliknij Ustawienia renderowania, aby zmniejszyć rozdzielczość, aby umożliwić szybsze renderowanie. Kliknij Wyjście do, nazwij wideo Strawberry Left i zapisz je w tym samym folderze, co oryginalne nagranie i projekt. Kliknij przycisk Zapisz, a następnie kliknij przycisk Renderuj w prawym górnym rogu panelu renderowania.
  7. Powtórz krok 3.6 dla kompozycji Strawberry Right.
  8. Kliknij dwukrotnie panel projektu i zaimportuj filmy Strawberry Left i Strawberry Right, które zostały właśnie wyrenderowane.
  9. Zaznacz oba filmy i przeciągnij je na ikonę kompozycji u dołu panelu projektu. Na wyskakującym ekranie z pytaniem o czas trwania ruchu wprowadź 3 z 5 zerami dla czasu trwania 3 godzin.
    Uwaga: Oba filmy, dokładnie zsynchronizowane, znajdą się w panelu projektu, ale widoczne będzie tylko wideo znajdujące się na samej górze w panelu kompozycji.
  10. Aby wyświetlić drugi obraz, kliknij małą gałkę oczną, aby wyłączyć warstwę. Naciśnij Control/W, aby umożliwić obracanie obrazów w panelu podglądu za pomocą kursora. Używając kursora i włączając i wyłączając górną warstwę, dostosuj aspekt obrotu widoku z góry lub z dołu, aby upewnić się, że oba obrazy znajdują się w tej samej płaszczyźnie obrotu. Następnie dostosuj płaszczyznę X i Y bezpośrednio w podprogramie okularów 3D.
  11. Podświetl górną warstwę panelu kompozycji i wybierz Efekt perspektywy > > okulary 3D z menu u góry.
    > Uwaga: Parametry efektu okularów 3D pojawią się w panelu sterowania.
  12. W panelu sterowania kliknij pole po prawej stronie opcji "widok z lewej strony" — jeśli panel sterowania nie jest oddzielony od panelu projektu, kliknij kartę panelu sterowania w górnej części panelu projektu. Wymień 2 filmy w panelu kompozycji w menu rozwijanym, zaznacz wideo na liście dla "widoku z lewej strony". Powtórz ten krok dla "widoku z prawej".
  13. W polu po prawej stronie opcji Widok 3D wybierz opcję Czerwony Niebieski LR.
  14. Używając czerwono-niebieskich okularów, sprawdź widok w panelu projektu. Jeśli widok 3D wydaje się być nieprawidłowy, spróbuj kliknąć przycisk Zamień lewo i prawo. Dostosuj zbieżność sceny i wyrównanie w pionie, aby wyeliminować zjawy i zmęczenie oczu.
  15. Gdy aspekt 3D filmu jest akceptowalny, zaznacz kompozycję, klikając ją i wybierz opcję Kompozycja > Dodaj do kolejki renderowania, tak jak to zostało zrobione w kroku 3.7. Renderuj wideo w tym samym folderze, co inne pliki w projekcie.
    Uwaga: Ten plik będzie dość duży. Po wyrenderowaniu pliku można go ponownie wyrenderować do mniejszego rozmiaru pliku za pomocą oprogramowania do przetwarzania wideo.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Zaskakująco, nagranie wideo w podczerwieni przedstawiające zamrożenie rośliny truskawek (Dodatkowe wideo 1) pokazało, że nie wszystkie liście/kwiaty zamarzły w tym samym czasie. Zarówno liście, jak i kwiaty zamarzały pojedynczo w różnych temperaturach, ale liście zamarzały wcześniej niż kwiaty i w wyższej temperaturze. Ponadto zamrażanie rozpoczęło się w liściach, ale niekoniecznie w tej samej pozycji na każdym liściu. Chociaż wyniki te nie zostały wcześniej opisane w prz...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Do tego protokołu niezbędne są dwie kamery na podczerwień, które muszą być skierowane na obiekt pod nieco różnymi kątami1. Będzie to wymagało, aby obiektywy były oddalone od siebie o 5-8 cm, ale oba muszą być skierowane w to samo miejsce na filmowanym obiekcie. Pomyśl o 2 obiektywach aparatu jako o swego rodzaju surogatie oczu widza. Lewa kamera jest analogiczna do lewego oka, a prawa kamera do prawego oka. Oprogramowanie do przetwarzania końcowego zabarwi lewy obraz na kolor czerwony, a prawy obr...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez wewnętrzne fundusze USDA.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Kamera termowizyjna T620 i oprogramowanieFLIR55903-5122Potrzebne są 2 kamery. Oprogramowanie działa tylko na komputerze z systemem Windows
After EffectsAdobe15.0.1.73Oprogramowanie do postprodukcji wideo
BandicamBandisoft4.1.2.1385Oprogramowanie do przechwytywania ekranu
Laboratoryjny podnośnik nożycowy   EiscoCH0642APlatforma stalowa 13X15 cm
Pasek mocującyna rzep90441Do trzymania kamery na podnośniku. Powinien mieć co najmniej 60 cm długości i 2 cm szerokości
Konwerter mediówiSkysoft10.0.6Oprogramowanie do konwersji plików mp4 na .mov 

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Infrared Thermography3D Video ProductionIce Nucleation DetectionStrawberry Plant FreezingDual Camera SetupScreen Capture SynchronizationAnaglyph TechniqueRed Blue GlassesFreezing Progression AnalysisDepth Perception Imaging

Powiązane artykuły