Protocolo para la producción de Video infrarroja tridimensional de congelación en las plantas

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para una planta de fresa en 3 dimensiones de congelación de la imagen. Dos cámaras de infrarrojos colocadas en ángulos ligeramente distintos, se utilizan para producir un vídeo anaglifo rojo y azul para observar la congelación de la planta en 3 dimensiones.

Abstract

En plantas de congelación puede controlarse mediante termografía infrarroja de (IR), porque cuando el agua se congela, da calor. Sin embargo, problemas con contraste de color hacen 2 dimensiones (2D) infrarrojo imágenes algo difícil de interpretar. Visualización de una imagen IR o el video de las plantas de congelación en 3 dimensiones (3D) permitiría una identificación más precisa de los sitios de nucleación de hielo, así como la progresión de la congelación. En este trabajo, demostramos un medio relativamente simple para producir un video infrarrojo 3D de una planta de fresa de congelación. Fresa es un cultivo económicamente importante que se somete a primavera inesperada helada en muchas áreas del mundo. Una comprensión exacta de la congelación de fresa proporcionará a los criadores y cultivadores con maneras más económicas para evitar daños a las plantas durante condiciones de congelamiento.

La técnica implica un posicionamiento de dos cámaras de infrarrojos en ángulos ligeramente distintos a la congelación de fresa de la película. Las dos secuencias de vídeo se sincronizarán precisamente usando un software de captura de pantalla que registra ambas cámaras simultáneamente. Las grabaciones serán importadas en el software de imágenes y procesaron utilizando una técnica anaglifo. Usa gafas rojo y azul, el video 3D hará más fácil determinar el sitio exacto de nucleación de hielo en la superficie de las hojas.

Introduction

A pesar de vivir en un mundo de tres dimensiones, los investigadores a menudo se limitan a informar observaciones visuales en 2D. Aunque imágenes 2D son generalmente suficientes para transmitir información importante, esta falta de información sobre profundidad restringe nuestra capacidad de percibir y comprender la complejidad de los objetos del mundo real. ¹

Esta deficiencia en la información sobre la profundidad proporciona un incentivo para producir videos en 3D principalmente en la industria del cine comercial desde el principios de los años 1900¹. Sin embargo, generar información clara 3D en congelamientos de imagen y video se ve dificultada por las complejidades involucradas en la producción de esas imágenes. El enfoque más simple para generar película 3D se basa en principios usados en la fotografía estereoscópica. Fotografía estereoscópica utiliza dos imágenes del mismo objeto desde ángulos ligeramente distintos, que transmite una imagen 3D en el cerebro. Para hacer esto posible, cada ojo debe mirar solamente su imagen correspondiente (es decir, el ojo izquierdo en la imagen de la izquierda y el ojo derecho en la imagen derecha). Puesto que los ojos no hará naturalmente esto, estereoscópica arnés fue diseñado para hacer este posible¹. Varios estereoscópicos viendo técnicas de exhibición de montaje en cabeza y técnicas, así como entrelazado polarización, multiplexadas en el tiempo, se han utilizado durante el desarrollo de películas en 3D, pero el método color-entrelazamiento o anaglifo con rojo y verde (o cian) gafas es una de las técnicas más simples y menos costosas. Para una revisión comprensiva de la proyección de imagen 3D y las diferentes técnicas, consulte la revisión por Geng¹.

Control de congelación en plantas mediante termografía IR se basa en el principio de que cuando el agua se congela, deben dar para arriba energía interna². Esta energía es en forma de calor, que es perceptible en la región del IR del espectro electromagnético. Cámaras capaces de grabar la energía IR han estado en uso desde 1929³. El primer informe publicado utilizando la tecnología de IR al cine en plantas de congelación es de Cecardi et al. ², pero la resolución de la cámara dificulta determinar con precisión el tejido donde se inicia la congelación. Wisniewski et al. ⁴ determinar mayor precisión sitios de nucleación de hielo en varias especies de plantas con una mayor resolución de la cámara. Como la tecnología utilizada en termografía IR mejorada, más imágenes de resolución llevaron a descubrimientos como barreras a la congelación⁵ y la precisa Localización celular de hielo formación⁶.

Una dificultad en película temas en IR es causada por las pequeñas diferencias de temperaturas. Esto hará la mayoría de los objetos en el campo de visión para ser de un color similar, lo que es difícil determinar exactamente qué objetos son de congelación. Esto puede ser importante al determinar el orden de congelación de tejidos específicos, tales como hojas o raíces de trigo⁶. Si el video del IR de las plantas de congelación podría ser reflejado en 3D, podría mejorar la exactitud de la determinación de que parte de la planta es congelar en un punto determinado en el tiempo.

Fresa es un cultivo en determinadas zonas de los Estados Unidos en el que las bajas temperaturas son de gran preocupación para los cultivadores. Bajo algunas condiciones de cultivo, es común flores fresales parece congelar 2-3 semanas antes de la media la primavera pasada. Un evento de helada puede ocurrir tan tarde como junio en algunas zonas de la Montañas Apalaches⁷ y generalmente resulta en la muerte de la flor. Protección contra las heladas es, por tanto, crítico para congelación de fresales productores en áreas sometidas a estos eventos. Productores de fresa en Carolina del norte, por ejemplo, heladas-deben proteger, en promedio, entre 4-6 eventos de heladas antes de floración y se congela dura 1-2 durante el temprano período⁸de la floración. Para ayudar a desarrollar genotipos de fresa que son más tolerantes de congelación, es importante entender los diversos aspectos de la congelación, tales como los sitios de nucleación de hielo y propagación a otras partes de la planta. Termografía IR proporciona un medio eficaz para abordar estas cuestiones.

Aquí, utilizamos fresa para ilustrar una técnica para registrar eventos de congelamiento en 3D utilizando el método anaglifo. Fresa es ideal para este ejemplo porque las hojas y flores están ampliamente distribuidos en el espacio 3D y pueden ser difíciles de distinguir cuando se ve en 2D videos infrarrojos.

Protocol

1. preparación

1. Reunir los equipos, materiales y software para grabar y procesar el vídeo de la planta de congelación.
   1. Iniciar un congelador programable ajuste el interruptor de encendido en Ony la temperatura a 0 ° C. Programa el congelador a-8 ° C 1 ° C por hora.
2. Coloque una 6 semanas de edad planta de fresa con 2-5 flores que cultivaba en el congelador en un recipiente de 1 L.
3. Configurar 2 cámaras IR (por ejemplo, las cámaras FLIR T620) usando cintas de sujeción y un bloque pequeño de madera para producir el ángulo de convergencia correcta de las lentes.
   Nota: La distancia óptima al espacio el centro de las lentes de las 2 cámaras se considera generalmente para ser igual a la distancia entre los ojos¹ o aproximadamente 7 cm.
4. Montar ambas cámaras a un gato de laboratorio de 10 x 10 cm y la posición del gato en el congelador lo suficientemente cerca a la planta para permitir que la imagen se enfoque. Ajustar las cámaras vertical y horizontalmente para que la misma parte de la planta es visible desde ambas cámaras. Utilice al gato para colocar ambas cámaras verticalmente de tal manera que las 2 imágenes contienen la planta entera y una parte del suelo.
5. Conecte las 2 cámaras utilizando un conector USB a las tomas de USB en el equipo.
6. Conecte las 2 salidas de aire acondicionado en ambas cámaras para permitir un monitoreo continuo de las plantas.

2. Computadoras y configuración de Software para la grabación

1. Abrir 2 ventanas (1 ventana para cada cámara) del software haciendo doble clic en el icono del software de la cámara de IR 2 x. Siga las instrucciones en el menú Ayuda para conectar la cámara izquierda de la ventana izquierda y la cámara en la ventana derecha.
   Nota: Encontrará los detalles para utilizar el software a través del menú ayuda. Una paleta monocromática es ideal para este ejemplo debido a la necesidad del uso de teñido de rojo y azul para el renderizado 3D.
2. Abra el software de captura de la pantalla haciendo doble clic en el icono del programa. Ajustar la estructura de captura haciendo clic y arrastrando el marco por lo que incluye dos cámaras para permitir una captura de pantalla de ambas cámaras simultáneamente.
   Nota: Pantalla de captura de la secuencia de vídeo de ambas cámaras al mismo tiempo es crucial ya que permite una perfecta sincronización de vistas izquierdas y derecha.
3. Grabar el vídeo en incrementos de 3-h para un procesamiento más fácil en el software de procesamiento de vídeo.
   Nota: Es imposible saber exactamente cuando la planta se congele, así que es importante para grabar por una cierta hora antes del evento de congelamiento. La opción de grabar en segmentos es una característica de este software, lo que se recomienda que esto se establece en registro de 3 h. El software guarda automáticamente el registro de 3 h y luego comenzar una nueva grabación. El archivo para cada grabación 3-h automáticamente se dará una secuencia numérica después del nombre. Cada archivo de vídeo será de 10 a 20 GB, así que asegúrese de que haya suficiente espacio en el disco duro varios archivos de este tamaño.
4. Inicie el programa congelador seleccionando Ejecutar en el menú controlador y comenzar la captura de pantalla. Pulse el botón de Rec en la ventana. Asegúrese de que el esquema que muestra la región de la pantalla ser capturada se ilumina en rojo.
5. Grabar la fresa congelación hasta-8 ° C y mantener la temperatura del congelador durante 1 hora.
6. Elevar la temperatura del congelador en 2 ° C por hora hasta que el congelador está a + 2 ° C. Detener la grabación.
   Nota: El total de tiempo de congelación es 14 h.
7. Convertir los archivos de interés de. mp4 formato .mov utilizando un software de conversión de archivos.
   Nota: en este caso, un archivo de solo 3 h que contiene 1 o más eventos de helada se utilizará.

3. procesamiento de Video mediante un Software de imágenes de vídeo

Nota: Video imaging software se utilizará en este ejemplo. Tutoriales sobre cómo utilizar el software están disponibles en línea. En este ejemplo se asume un conocimiento básico del software. La comprensión de términos como "composición", "capa" y "hacer cola", así como varios paneles y cómo manipularlos, se supone.

1. Haga doble clic en cualquier lugar dentro del panel Proyecto para importar el archivo .mov de interés en el software de imágenes y arrastre el archivo hasta el icono de composición en la parte inferior del panel Proyecto. A continuación, guarde el proyecto en la misma carpeta que contiene los videos originales.
   Nota: El vídeo grabado será visible en el panel de vista previa.
2. Haga clic en el icono de la Región de interés a lo largo de la parte inferior de la ventana de previsualización y, usando el cursor, solo la grabación de la cámara izquierda del esquema.
3. Arrastre el mismo vídeo .mov hasta el icono de la composición para crear una composición segundo del video mismo. Repita el paso 3.3, pero esta vez, usa los cursores para seleccionar sólo la cámara.
4. Seleccione composición > Cultivo Comp a la región de interés para la vista a la izquierda. Repita esto para la vista derecha. Cambiar el nombre de cada composición para indicar que es izquierda y derecha.
5. Destacar la composición izquierda haciendo clic en él y, en el menú principal en la parte superior, seleccione composición > añadir a cola de procesamiento.
6. En la cola de procesamiento, haga clic en Módulo de salida y asegúrese de que el video se mostrará como un vídeo (p. ej., un video de QuickTime). Haga click en la Ajustes de procesamiento para reducir la resolución para permitir un renderizado más rápido. Haga clic en salida, nombre del video Izquierda fresay guardarlo en la misma carpeta que la grabación original y el proyecto. Haga clic en Guardary haga clic en el botón Render en la parte superior derecha del panel de render.
7. Repita el paso 3.6 para la composición de la Derecha de la fresa .
8. Haga doble clic en el panel Proyecto e importar los vídeos Fresa izquierda y Derecha de la fresa que solo eran prestados.
9. Resalte tanto vídeos y arrástrelos hasta el icono de composición en la parte inferior del panel Proyecto. En la ventana emergente pidiendo Todavía duración, introduzca 3 con 5 ceros para una duración de 3 h.
   Nota: Ambos videos, sincronizadas precisamente, será en el panel Proyecto, pero será visible sólo el vídeo superior en el panel Composición.
10. Para ver la otra imagen, haga clic en el globo ocular pequeño para desactivar la capa. Pulse Control/W para permitir un control de rotación de las imágenes en el panel de vista previa usando el cursor. Utilizando el cursor y haga clic en el capa superior encendido y apagado, ajustar la rotación de la parte superior o en la vista inferior para asegurarse de que ambas imágenes están en el mismo plano de rotación. Luego ajuste el plano X y Y directamente dentro de la subrutina de gafas 3D.
11. Seleccione la capa superior del panel Composición y seleccione efecto > perspectiva > gafas 3D en el menú en la parte superior.
    Nota: Los parámetros para el 3D gafas efecto aparecerá en el panel de control.
12. En el panel de control, haga clic en el cuadro a la derecha de "vista a la izquierda", si no se separa el panel de control desde el panel Proyecto, haga clic en la pestaña de panel de control en la parte superior del panel Proyecto. Los 2 videos en el panel Composición en el menú desplegable de la lista, resalte el vídeo en la lista de la "vista a la izquierda". Repita este paso para "Vista derecha".
13. En el cuadro a la derecha de la vista 3D, seleccione LR azul rojo.
14. Usa gafas rojo y azul, inspeccione la vista en el panel Proyecto. Si la vista 3D parece ser incorrecta, intente haga clic en Cambiar izquierda-derecha. Ajuste de convergencia de la escena y la alineación Vertical para eliminar cualquier tensión fantasma y ojo.
15. Cuando el aspecto 3D del video es aceptable, resalte la composición haciendo clic en él y seleccione composición > añadir a cola de render como se hizo en el paso 3.7. Renderizar el video en la misma carpeta que los otros archivos en el proyecto.
    Nota: Este archivo es bastante grande. Una vez que ha quedado el archivo, puede volver a representado a un tamaño menor de archivo utilizando el software de procesamiento de vídeo.

Representative Results

Sorprendentemente, el video de IR de la planta de fresa congelación (1 Video suplementario) indica que no todas las hojas/flores congeló al mismo tiempo. Las hojas y flores se congelaron individualmente a diferentes temperaturas, pero las hojas se congelaron antes que las flores y a una temperatura superior. Además, la congelación comienza en las hojas, pero no necesariamente en la misma posición en cada hoja. Mientras que estos resultados no se han descrito previamente en fresa, resultados similares han sido encontrados en otras especies de planta⁶. Una vez que las hojas se congelaron, el hielo progresó por el pecíolo a la corona de la planta. Cuando la temperatura del congelador se convirtió en 1 o 2 grados más fríos, que las flores congelaron comenzando en el cáliz y separarse rápidamente en los pétalos y el receptáculo (figura 1). El recipiente seguía siendo un color más claro (más caliente) ya que muchas otras partes de la planta, lo que sugiere una mayor cantidad de agua de congelación.

Al comparar la imagen infrarroja 2D con el 3D (con gafas), la imagen 3D facilita precisamente determinar el orden en que las hojas y las flores se congelaron (figura 1). Al ver el video en 3D, también es más fácil determinar la posición exacta en las hojas donde la congelación comenzó (1 Video suplementario).

Los resultados de supervivencia (no mostrados) indicaron que a pesar de la congelación, las hojas no murieron (no se muestra) por la congelación. Las flores que se congelaron, por el contrario, murieron dentro de 3 o 4 días.

Un segundo video, esta vez de raíces de trigo (2 Video suplemental), mostraron una interesante secuencia de congelación. La base de estas raíces estaba sumergida en crecimiento medio que consiste principalmente de turba. Virutas del hielo se agregaron antes de la congelación para que las raíces se congelaría. Congelación de nucleación se produjo a cerca de - 0.5 ° C mitad del camino centraa a lo largo de una raíz en el lado derecho. La congelación luego progresó hacia arriba a la corona de la planta causando la base de las hojas exteriores para congelar. La congelación luego progresó hacia abajo en las raíces en la parte posterior de la planta. Tenga en cuenta que, sin la perspectiva 3D, es casi imposible determinar el orden en que las raíces específicas congelaron (figura 2).

Al considerar la congelación en las raíces (figura 2 y 2 de Video suplementaria), si sólo se veía una perspectiva 2D, sería casi imposible determinar raíz que fue congelamiento debido a la falta de información sobre la profundidad. La perspectiva 3D de esta congelación representa evento el evento como ocurrió en el mundo real y en gran manera mejora la capacidad de distinguir la secuencia de la congelación en las raíces individuales del espectador.

Figura 1: comparación de una imagen de fresas en 2D para la misma imagen en 3D. Estas imágenes son freeze-frames de suplemental 1 Video mostrando 2 hojas y una sola flor de una planta de fresa de congelación. (A) este panel muestra la izquierda sólo ve en 2D. (B) este panel muestra la vista 3D anaglifo. Deben usarse gafas rojo y azul para ver esta imagen en 3D verdadero. Una comparación entre los dos paneles muestra la mejora en la percepción visual cuando el tema ha quedado plasmado en 3D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Una comparación de imágenes de una masa de raíces de trigo en 2D a la misma imagen en 3D. Estas imágenes son freeze-frames de 2 Video suplementario. Paneles A y B muestran la masa de raíces en 2D. (A) esta es una imagen de las raíces antes de la congelación, mientras que (B) trata sobre el evento de congelamiento en medio. Los paneles C y D muestran las mismas imágenes como paneles A y B pero en formato anaglifo. (C) este panel muestra la masa de raíces antes de la congelación (correspondiente al panel A). (B) esta es una imagen de las raíces en el mismo punto en el caso de congelación como en panel D. Los paneles C y D deben ser vistos con gafas rojo y azul para ver las imágenes en 3D. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

1 Video suplementario: un video anaglifo rojo y azul que congela en una planta de fresa en 3D. Este vídeo se generó mediante el protocolo mostrado aquí. Cuenta que rojo y azul gafas necesarios para observar el video en 3D. Haga clic aquí para descargar este archivo.

2 Video suplementario: un video anaglifo rojo y azul que muestra congelación en raíces de trigo en 3D. Este vídeo se generó mediante el protocolo mostrado aquí. Cuenta que rojo y azul gafas necesarios para observar el video en 3D. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Discussion

Dos cámaras de infrarrojos son necesarias para este protocolo, y deben estar orientadas hacia el tema desde ángulos ligeramente distintos,¹. Esto requerirá lentes de 5-8 cm de separación, pero ambos deben estar orientadas hacia el mismo lugar en el sujeto a ser filmado. Piense en las lentes de 2 cámara como una especie de sustituto para los ojos del espectador. La cámara izquierda es análoga a la del ojo izquierdo y la cámara derecha en el ojo derecho. El software de post-procesamiento tiñe la imagen izquierda a un color rojo y la imagen de la derecha a un color azul, por uso de lentes rojo y azul, el ojo izquierdo sólo puede ver la imagen de la izquierda y la derecha ojo únicamente la imagen de la derecha. Esto significa que es importante utilizar la paleta de escala de grises de software de la cámara de IR cuando se graba el evento de congelamiento. El cerebro combina las 2 imágenes que el espectador observará en 3D¹.

Otro paso fundamental de este protocolo es el uso de software de captura de pantalla para capturar la salida de ambas cámaras simultáneamente. Capturando la salida de las dos cámaras simultáneamente, se garantiza una perfecta sincronización de la salida de ambas cámaras. Sincronizar las imágenes izquierdas y derecha es un aspecto fundamental de producir películas en 3D y en otros lugares se discuten en detalle. ¹

Para evitar cualquier fatiga ocular, es importante que la vertical y la convergencia horizontal de las imágenes izquierdas y derecha son correctas. Mientras que las cámaras deben colocarse para asegurar una correcta convergencia antes de la grabación, no tienen que ser perfectos. El software de postproducción aquí descrito permitirán ajustes en convergencia derecha-izquierda, arriba-abajo y rotatoria. El software permitirá también un anaglifo rojo y verde, video que se producirán si no se dispone de gafas rojo y azul.

Una limitación de la técnica es el requisito de gafas rojo-azul para ver el video 3D. Es probable que muchos individuos no tengan gafas rojo y azul disponibles. También, mientras que producir un video anaglifo rojo y azul, es la manera más fácil y menos costosa de producir un vídeo 3D, vídeos anaglifos rojo y azul sólo pueden transmitir una visión cromática limitada de su tema. Sin embargo, esto podría decirse que es una limitación insignificante ya radiación del IR, en realidad, sólo se observan en escala de grises. Colores sólo son percibidos por los seres humanos en la porción visible del espectro electromagnético.

La resolución limitada de tecnología temprana de IR hacía difícil determinar la ubicación precisa de nucleación de hielo, así como que los tejidos se propaga el hielo en. Análisis térmico diferencial⁹ ha mejorado la capacidad de detectar sitios de nucleación de hielo; sin embargo, sigue siendo una perspectiva 2-dimensional que carece de información sobre la profundidad. La falta de información proporciona una perspectiva limitada y no representa completamente de congelación como ocurre en el mundo real.

Películas comerciales utilizan diversas técnicas para la visualización de imágenes en 3D, el más común siendo polarización-entrelazamiento¹. Las técnicas más populares requieren arnés específico para el proceso de entrelazado, pero auto estereoscópico técnicas que no requieren arnés están en etapas de desarrollo¹. Sin embargo, ninguna de las técnicas de renderizado 3D, están disponible para ver el video IR en 3 dimensiones. Además, mientras que estas técnicas proporcionan el 3D más clara video disponible, que requieren sincronización y dispositivos de proyección especial así como superficies reflectantes sobre el que proyectar las imágenes¹.

Comunicación de resultados científicos de la manera más clara posible es esencial para la creación de una comunidad que promuevan un progreso eficiente y oportuno en los descubrimientos científicos. Observaciones del mundo en que vivimos están siempre en 3 dimensiones, pero es difícil de representar con precisión las observaciones utilizando sólo imágenes 2D. Por ejemplo, sería difícil, si no imposible, determinar precisamente que raíces había congelado en la imagen de IR de la congelación en raíces de trigo (figura 2B). Sin embargo, mediante un proceso 3D anaglifo hace relativamente simple determinar exactamente la raíz que congeló a qué hora (Figura 2D). Es cierto que queda para determinar qué información nueva (no disponibles en videografía 2D) puede deducirse desde una perspectiva 3D de la congelación de las plantas. Sin embargo, no es inusual para la única información que se obtiene al analizar el material de planta en 3D¹⁰. Mediante el uso de pantalla captura software para sincronizar precisamente las imágenes de derecha a izquierda y software disponible en el mercado para crear un anaglifo vídeo, cualquier laboratorio que utiliza datos visuales para entender los procesos biológicos pueden generar imágenes y video en 3D.

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