Summary
Здесь мы представляем протокол к изображению клубники растений, замораживание в 3 измерениях. Два инфракрасных камер, дислоцированные в слегка различных углов используются для производства красно голубой анаглиф видео наблюдать за замораживание завода в 3 измерениях.
Abstract
Замораживание в растениях может контролироваться с помощью инфракрасной термографии (IR), потому что когда вода замерзает, она выделяет тепло. Однако проблемы с цветовой контраст делают 2-Размеры инфракрасных изображений (2D) довольно трудно интерпретировать. Просмотр ИК-изображение или видео растений, замораживание в трех измерениях (3D) позволит более точной идентификации участков нуклеации льда, а также прогрессирование замораживания. В этой статье мы демонстрируем относительно простых средств производить 3D инфракрасной видео завода клубники замораживания. Клубника является экономически важных культур, которая подвергается неожиданные весенние заморозить события во многих районах мира. Точное понимание замораживания в Клубника обеспечит селекционеров и фермеров с более экономичных способов предотвратить любые повреждения растений во время замораживания условий.
Этот метод предполагает, позиционирование два ИК камеры на немного разными углами, чтобы фильм клубника замораживания. Два видео потоки будут точно синхронизированы с помощью захвата экрана программное обеспечение, которое записывает обе камеры одновременно. Записи затем будут импортированы в программу обработки изображений и обработаны с помощью метода анаглиф. С помощью красно синие очки, 3D видео будет сделать его легче определить точное сайт нуклеации льда на поверхности листьев.
Introduction
Несмотря на живущих в мире три физических размеров, исследователи часто ограничиваются отчетности визуальных наблюдений в 2D. Хотя 2D изображения, как правило, достаточно передать важную информацию, это отсутствие информации о глубине ограничивает нашу способность воспринимать и понимать сложность реальных объектов. 1
Этот недостаток в информации о глубине стимулом для создания 3D видео, главным образом в индустрии коммерческого кино с начала 1900-х1. Однако сложностей в производстве этих изображений препятствует генерации ясно 3D информации в неподвижных изображений и видео. Простейший подход к генерации 3D фильм основан на принципах, используемых в стереоскопические фотографии. Стереоскопические фотографии использует два изображения того же объекта со слегка различными углами, который передает изображение 3D в головном мозге. Чтобы сделать это возможным, каждого глаза должны смотреть только на своих соответствующих изображения (т.е., левый глаз на изображение слева и правого глаза на правом изображении). Поскольку глаза не будет естественно сделать это, стереоскопический головной убор был призван сделать это возможно1. Несколько стереоскопического просмотра методы, а также как переплетенный поляризации, время мультиплексированных и голова гора отображения методов, были использованы в ходе разработки 3D-фильмов, но метод переплетении цветов или анаглиф красный и зеленый (или голубой) очки — один из простых и наименее дорогостоящих методов. Для проведения всеобъемлющего обзора 3D визуализации и различных методах, используемых посмотрите обзор Geng1.
Мониторинг, замораживание в растений с использованием ИК термография основывается на принципе что когда вода замерзает, она должна отказаться от внутренней энергии2. Эта энергия в форме тепла, который обнаружен в ИК области электромагнитного спектра. Возможность записи энергии ИК камеры были в эксплуатации с 19293. Первый опубликованный отчет, с помощью ИК-технологии для фильма, замораживание в растениях — от Cecardi и др. 2, но разрешение камеры используется делает его трудно точно определить, где инициируется замораживание ткани. Вишневский и др. 4 определить более точные участков нуклеации льда в нескольких видов растений, используя камеру выше резолюции. Как технология, используемая в ИК термография улучшилась изображения более высокого разрешения привели к открытий таких барьеров для замораживания5 и точные клеточной локализации льда формирования6.
Одна из трудностей в съемок предметов в ИК вызвана небольшие различия в температуре. Это приведет к большинства объектов в поле зрения быть аналогичного цвета, что делает его трудно определить точно какие объекты является/ются замораживания. Это может быть важно при определении порядка замораживания в определенных тканях, таких как листья или корни в пшеницы6. Если ИК-видео растений замораживания может отражаться в 3D, точность определения, какая часть завода замораживания в определенный момент времени может быть улучшено.
Клубника является урожай в некоторых районах Соединенных Штатов, в котором заморозки представляют значительный интерес для производителей. При некоторых условиях выращивания он является общим для клубники цветы появляются 2-3 недели до среднего прошлой весной заморозить. Замораживание событие может произойти как в конце июня в некоторых районах Аппалачских гор7 и, как правило, результаты в смерти цветка. Защита от замерзания важно, таким образом, для производителей клубники в районах, подверженных эти заморозить события. Клубника производителей в Северной Каролине, например, защищайте Фрост, в среднем, между 4-6 Фрост события до цветения и 1-2 жесткий замерзает в начале цветения периода8. Чтобы помочь развивать клубники генотипов, которые являются более замораживания терпимая(ый), важно понять различные аспекты замораживания, таких как сайты льда зарождения и распространения в другие части растения. ИК термография является эффективным средством для решения этих вопросов.
Здесь мы используем клубника проиллюстрировать метод для записи событий замораживания в 3D, с помощью метода анаглиф. Клубника хорошо подходит для этого примера, потому что листья и цветы широко распространены в трехмерном пространстве и может быть трудно дифференцировать при просмотре в 2D инфракрасной видео.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка
- Соберите, оборудование, материалы и программное обеспечение для записи и обработки видео завода замораживания.
- Начало программируемый морозильник, установив выключатель питания наи установите температуру до 0 ° C. Программа морозильник, чтобы добраться до −8 ° C на 1 ° C/ч.
- Поместите один 6-недель старый клубники растение с цветами 2-5, который был выращен в 1 Л контейнер в морозильную камеру.
- Настройка 2 ИК камеры (например, камеры FLIR T620) с помощью крепления ремней и небольшой блок древесины производить правильный конвергенции угол линзы.
Примечание: Оптимальное расстояние космический центр линзы 2 камеры обычно считается так же, как расстояние между глаз1 или около 7 см. - Смонтируйте обе камеры Джек лаборатория 10 x 10 см и позиции, Джек в морозильнике достаточно близко, чтобы завод разрешить на изображение, чтобы быть направлены. Настроить камеры вертикально и горизонтально так, что такой же частью завода видна с обеих камер. Используйте гнездо для размещения обе камеры вертикально таким образом, что 2 изображения содержат весь завод и часть почвы.
- Подключите 2 камеры, используя разъем USB к USB розетки на компьютере.
- Подключите 2 выхода кондиционера в обе камеры позволяют непрерывный мониторинг растений.
2. компьютер и установка программного обеспечения для записи
- Открыто 2 окна (1 для каждой камеры) программного обеспечения, дважды щелкнув значок для ИК камеры программное обеспечение 2 x. Следуйте инструкциям в меню «Справка» для подключения левой камеры в окне слева и право камеры в правом окне.
Примечание: Детали для использования программного обеспечения доступны через меню "Справка". Монохромные палитры лучше всего подходит для данного примера из-за необходимости использования красно синий тонирование 3D визуализации. - Откройте программное обеспечение захвата экрана, дважды щелкните значок программы. Отрегулируйте захвата кадра, щелкнув и перетащив кадр так, что она включает в себя обе камеры, чтобы разрешить захват экрана обеих камер одновременно.
Примечание: Экран захвата видео поток с обеих камер одновременно важно, потому что она позволяет безупречная синхронизация левой и правой просмотров. - Запись видео с шагом 3-h для простоты обработки в программном обеспечении обработки видео.
Примечание: Это невозможно знать точно, когда растение замерзнет, поэтому очень важно для записи на некоторое время до замораживания события. Возможность записи в сегменты — это функция этого программного обеспечения, поэтому рекомендуется, что это имеет значение для записи в течение 3 ч. Программное обеспечение будет автоматически сохранять записи 3-х и затем начать новую запись. Файл для каждой записи 3-h будет автоматически предоставлена числовой последовательности после имени. Каждый видео файл будет от 10 до 20 ГБ, поэтому убедитесь, что достаточно места на жестком диске для нескольких файлов такого размера. - Запустите программу морозильник, выбрав запустить в меню контроллера и начать захват экрана. Затем нажмите на кнопку Rec в окне. Убедитесь, что наброски показаны области экрана отражаются становится красным.
- Запись клубники завода заморозки до-8 ° C и удерживайте температуры морозильной камеры за 1 час.
- Повышение температуры морозильной камеры на 2 ° C/ч до морозильной камере при температуре + 2 ° C. Остановите запись.
Примечание: Общее замораживание время-14 h. - Преобразуйте файл(ы) интерес от .mp4 формате .mov, используя файл преобразования программного обеспечения.
Примечание: В этом случае, один 3 h-файл, содержащий 1 или более событий, замораживание будет использоваться.
3. Обработка видео с помощью видео, изображений
Примечание: Видео, изображений программное обеспечение будет использоваться в этом примере. Учебники по использованию программного обеспечения доступны онлайн. В этом примере будет выполнять базовые знания в области программного обеспечения. Понимание таких терминов, как «композиция», «слой» и «render очереди», а также различные панели и как манипулировать ими, предполагается.
- Дважды щелкните внутри панели project, чтобы импортировать файл MOV интерес в изображений программное обеспечение и перетащите файл на значок композиции в нижней части панели «проект». Затем сохраните проект в ту же папку, содержащую оригинального видео.
Примечание: Видео будет отображаться в области предварительного просмотра. - Нажмите на значок Региона интерес в нижней части окна предварительного просмотра и, используя курсор, изложить только записи из левой камеры.
- Перетащите один и то же видео .mov значок композиции для создания второй состав же видео. Повторите шаг 3.3, но на этот раз, используйте курсор, чтобы выбрать только право камеры.
- Выберите композиции > Культур Comp региона интерес для представления слева. Повторите это действие для правильного представления. Переименование каждой композиции, чтобы указать, что левый и правый.
- Выделите левую композиции, нажав на него и в главном меню в верхней, выбрав композиции > Добавить в очередь загрузки.
- В render очереди нажмите на Модуль вывода и убедитесь, что видео будет отображена как видео (например, видео QuickTime). Нажмите на Параметры визуализации , чтобы уменьшить разрешение разрешить быстрее рендеринга. Нажмите на выход, имя видео Клубника слеваи сохраните его в той же папке проект и оригинальной записи. Нажмите кнопку сохранить, а затем нажмите кнопку отображения в правой верхней части панели render.
- Повторите шаг 3.6 для Клубники право композиции.
- Дважды щелкните панель проект и импортировать видео Клубника левый и Правый клубники , которые только что были оказаны.
- Выделите оба видео и перетащите их на значок композиции в нижней части панели «проект». В всплывающем экране просят Еще продолжительностьвведите 3 с 5 нулей продолжительностью 3-h.
Примечание: Оба видео, точно синхронизированы, будет на панели project, но только верхний видео в состав группы будут видны. - Для просмотра другого изображения, нажмите на маленький глазного яблока чтобы отключить слой. Нажмите кнопку Управления/W , чтобы разрешить элемент вращения изображения в панели предварительного просмотра, используя курсор. С помощью курсора и нажатия верхнего слоя и выключается, отрегулировать вращения аспект верхней или вид снизу, чтобы убедиться, что оба изображения находятся в одной плоскости вращения. Затем отрегулируйте X - и Y-плоскости непосредственно в рамках подпрограммы 3D очки.
- Выделите верхний слой панели состав и выберите действие > перспективы > 3D очки в меню в верхней части.
Примечание: Параметры для 3D очки эффект хлопнет вверх внутри панели управления. - В панели управления, щелкните поле справа от «вид слева» — если панель управления не отделены от панели project, выберите вкладку панели управления в верхней части панели project. Список 2 видео в составе группы в раскрывающемся меню, голы видео в списке представления «левой». Повторите этот шаг для «правый взгляд».
- В поле справа от 3D-просмотравыберите Красный синий LR.
- С помощью красно синие очки, проверьте представление на панели project. Если 3D вид, как представляется, неправильно, попробуйте нажать Swap слева направо. Настройки сцены конвергенции и вертикальное выравнивание для устранения любых ореолов и напряжение глаз.
- Когда 3D аспект видео является приемлемым, выделите композиции, нажав на нее и выберите состав > Добавить для отображения очереди , как это было сделано в шаге 3.7. Сделать видео в той же папке, что и другие файлы в проекте.
Примечание: Этот файл будет довольно большим. После того, как файл был вынесен, он может быть повторно вынесено на меньший размер файла, используя программное обеспечение обработки видео.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Удивительно ИК-видео клубники завода морозильные (дополнительное видео 1) указал, что не все листья и цветы застыл в то же время. Листья и цветы заморозили индивидуально при разных температурах, но листья заморозил ранее чем цветы и при более высокой температуре. Кроме того блокирование началось в листьях, но не обязательно на той же позиции на каждом листе. Хотя эти результаты не были описаны ранее в клубника, аналогичные результаты были найдены в других видов растений6. После того, как листья были заморожены, лед прогрессировала вниз черешок к короне завода. Когда температуры морозильной камеры стал 1 или 2 градусов холоднее, цветы застыл в чашечки и быстро распространяется в лепестки и сосуд (рис. 1). Сосуд оставался дольше, чем большинство других частей растений, предполагая большее количество воды замораживания более светлый цвет (с подогревом).
При сравнении 2D инфракрасное изображение с 3D (в очках), 3D-изображения делает его легче точно определить порядок, в котором листья и цветы замерз (рис. 1). При просмотре видео в формате 3D, это также легче определить точное положение на листьях где замораживание начал (дополнительное видео 1).
Результаты выживания (не показан) указал, что несмотря на замораживание, листья не были убиты (не показан) путем замораживания. Цветы, которые заморозили, с другой стороны, умер в течение 3 или 4 дней.
Второе видео, на этот раз пшеницы корней (дополнительное видео 2), показал интересные последовательности замораживания. База этих корней был погружен в растущих средних состоящий преимущественно из торфа. Стружки ледовый были добавлены до замораживания, чтобы убедиться, что корни будут заморожены. Заморозить нуклеации произошло примерно - 0.5 ° C на полпути вдоль корня на правой стороне. Замораживание затем продвинулись вверх к короне завода, вызывая основанию внешних листьев заморозить. Замораживание затем продвинулись вниз в корни задней части растения. Обратите внимание, что без 3D перспективы, это почти невозможно определить порядок, в котором конкретные корни замерз (рис. 2).
При рассмотрении замораживания в корни (рис. 2 и Дополнительные видео 2), если только 2D перспектива рассматривалось, было бы почти невозможно определить, какие корневых замораживания из-за отсутствия информации о глубине. 3D перспективы этого заморозить события представляет событие как это имело место в реальном мире и значительно улучшает зрителя способность различать последовательность замораживания в отдельных корни.
Рисунок 1: сравнение изображения клубники в 2D же изображения в 3D. Эти образы являются freeze-frames от дополнительного видео 1 показаны 2 листья и Цветок клубники завода замораживания. (A) Эта панель показывает слева посмотреть только в 2D. (B) этой панели отображаются 3D анаглиф. Чтобы увидеть это изображение в истинной 3D необходимо носить красно синие очки. Сравнение между двумя панелями иллюстрирует улучшения визуального восприятия, когда вопрос был захвачен в 3D. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Сравнение изображений массы корня пшеницы в 2D же изображения в 3D. Эти образы являются freeze-frames от дополнительного видео 2. Панели, A и B показать корневой массы в 2D. (A) это изображение корней до замораживания, а (B) это примерно на полпути через событие замораживания. Панели, C и D показывают те же изображения, как панели A и B , но в анаглиф формате. (C) Эта группа показывает корневой массы до замораживания (соответствующие группы A). (B) это изображение корней в той же точке в случае замораживания как панели D. Панели, C и D должны рассматриваться с красно синие очки, чтобы увидеть изображения в 3D. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительные видео 1: красно голубой анаглиф видеозапись замораживания в растение земляники в 3D. Это видео было создано с помощью протокола продемонстрировали здесь. Обратите внимание, что красно синие очки необходимы наблюдать видео в 3D. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительные видео 2: красно голубой анаглиф видеозапись замораживания в корни пшеницы в 3D. Это видео было создано с помощью протокола продемонстрировали здесь. Обратите внимание, что красно синие очки необходимы наблюдать видео в 3D. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Две камеры IR необходимы для этого протокола, и они должны быть направлены на предмет со слегка различными углами1. Это потребует линзы от 5-8 см друг от друга, но оба должны быть направлены на то же место на тему, чтобы быть снятым. 2 объективы считать своего рода суррогат для глаз зрителя. Левый глаз и правую камеру для правого глаза аналогично левой камеры. После обработки программного обеспечения будет оттенок левое изображение в красный цвет и правого изображения в синий цвет, поэтому носить красно синие очки, левый глаз может видеть только изображение слева и право глаз только правильное изображение. Это означает, что важно использовать палитра серого программного обеспечения камеры ИК при записи события замораживания. Мозг будет сочетать 2 изображения, которые зритель будет наблюдать в 3D1.
Еще один важный шаг к этот протокол является использование программного обеспечения захвата экрана для вывода данных из обоих камер одновременно. Захватив вывода обеих камер одновременно, гарантируется идеальной синхронизации вывода из обеих камер. Синхронизация изображения справа и слева является важнейшим аспектом производства 3D-фильмов и подробно обсуждаются в других местах. 1
Чтобы предотвратить любое напряжение глаз, важно, что вертикальных и горизонтальных конвергенции левого и правого изображения правильно. В то время как камеры должны быть расположены для обеспечения правильного сходимости до записи, они не нужно быть совершенным. Пост-производства программного обеспечения, описанные здесь позволит корректировок в вправо влево, вверх вниз и вращения конвергенции. Программное обеспечение также позволит видео производится, если не доступны красно синие очки анаглиф красный зеленый.
Одно ограничение этого метода является требованием красно синие очки для просмотра 3D видео. Вполне вероятно, что многие люди не будут иметь красно синие очки легко доступны. Кроме того в то время как производство красно голубой анаглиф видео-это самый простой и наименее дорогостоящий способ производить 3D видео, красно голубой анаглиф видео только может передать ограниченное хроматической представление их предмета. Однако это возможно незначительное ограничение, так как ИК-излучения, в действительности, можно только наблюдать в оттенках серого. Только цвета воспринимаются людьми в видимой части электромагнитного спектра.
Ограниченное разрешение в начале ИК-технологии сделали трудно определить точное расположение льда нуклеации а как какие ткани льдом передаются в. Дифференциальный термический анализ9 улучшилась способность обнаруживать участков нуклеации льда; Однако он остается 2-мерной точки зрения, что не хватает информации о глубине. Отсутствие информации предоставляет ограниченные перспективы и не представляют собой полностью замораживания, как это происходит в реальном мире.
Коммерческих фильмов используются различные методы для визуализации изображений в 3D, наиболее распространенных Чересстрочная развёртка поляризации1. Самые популярные методы требуют головного убора, который относится к процессу переплетения, но авто стереоскопический методы, не требующие головных уборов находятся в стадии1. Ни один из методов, 3D-рендеринга, однако, доступны для просмотра видео ИК в 3 измерениях. Кроме того, хотя эти методы обеспечивают ясное 3D видео доступны, они требуют синхронизации и специальные проекционные устройства, а также отражающих поверхностей, на которых для проецирования изображений1.
Общение результаты научных исследований ясным образом необходима для создания сообщества, которые будут содействовать обеспечению эффективного и своевременного прогресса в научных открытий. Наблюдения за мир, в котором мы живем, всегда в 3 измерениях, но это трудно точно представлять эти замечания, используя только 2D-изображений. Например было бы трудно, если не невозможно, определить точно который root (s) был заморожен в ИК изображения замораживания в корни пшеницы (Рисунок 2Б). Однако с помощью 3D анаглиф процесса делает его относительно легко определить точно какие корень застыл в какое время (Рисунок 2D). Правда он еще предстоит определить, какие новые информацию (не быть получены от 2D видеосъемка) может почерпнуть из 3D перспективы замораживания в растениях. Однако это не является необычным для уникальной информации, которые могут быть получены при анализе растительный материал в 3D10. С помощью экран захвата программного обеспечения точно синхронизировать изображения справа налево и коммерчески доступное программное обеспечение для создания анаглиф видео, лаборатория, которая использует визуальные данные, чтобы понять, что биологические процессы может генерировать изображения и видео в 3D.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана USDA внутреннего финансирования.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| T620 Infrared Camera and software | FLIR | 55903-5122 | 2 cameras are needed. Software works only on a Windows-based computer |
| After Effects | Adobe | 15.0.1.73 | Post-Production Video Editing Software |
| Bandicam | Bandisoft | 4.1.2.1385 | Screen Capture Software |
| Laboratory Scissor Jack | Eisco | CH0642A | Steel Platform 13X15 cm |
| Fastening Strap | Velcro | 90441 | To hold camera on jack. Should be at least 60cm long by 2cm wide |
| Media Converter | iSkysoft | 10.0.6 | Software to convert mp4 files to .mov |
References
- Geng, J.
- Ceccardi, T. L., Heath, R. L., Ting, I. P. Low-temperature exotherm measurement using infrared thermography. HortScience. 30, 140-142 (1995).
- Wimmer, B. History of thermal imaging, Security Sales and Integration. , Framingham, MA, USA. (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boyles, R. P., Raman, S. Analysis of climate patterns and trends in North Carolina (1949-1998). Environment International. 29 (2-3), 263-275 (2003).
- 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).
- 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).
- He, J. Q., Harrison, R. J., Li, B. A novel 3D imaging system for strawberry phenotyping. Plant Methods. 13, 93-101 (2017).
