Summary
在这里, 我们提出一个协议, 以图像的草莓植物冻结在3维度。两个红外摄像机定位在略微不同的角度被用来产生一个红蓝浮雕视频, 以观察冷冻的植物在3维度。
Abstract
植物中的冰冻可以用红外线 (IR) 热成像来监测, 因为当水结冰时, 它会发出热量。然而, 色彩对比的问题使得2维 (2D) 红外图像难以解释。在3维度 (3D) 中查看红外图像或植物的视频可以更准确地识别冰核的位置, 以及冻结的进展。在本文中, 我们展示了一个相对简单的方法来生产一个3D 红外视频的草莓植物冷冻。草莓是一种经济上重要的作物, 在世界许多地区遭受意想不到的春季冰冻事件。准确了解草莓冷冻将为育种者和种植者提供更经济的方法, 以防止在冰冻条件下对植物造成任何损害。
该技术涉及两个红外摄像机的定位, 在略微不同的角度, 以拍摄草莓冷冻。两个视频流将精确地同步使用屏幕捕获软件, 同时记录两个摄像头。录音将被导入到成像软件中, 并使用浮雕技术进行处理。使用红蓝色的眼镜, 3D 视频将使其更容易确定的精确地点的冰核在叶片表面。
Introduction
尽管生活在一个三物理维度的世界, 研究人员通常只限于在2D 中报告视觉观察。虽然2D 图像通常足以传达重要信息, 但这种缺乏深度的信息限制了我们感知和理解真实世界物体的复杂性的能力。1
这一缺乏的深度信息提供了一个动机, 以产生3D 视频主要是在商业电影行业, 因为早期的 1900s1。然而, 在静止图像和视频中生成清晰的3D 信息, 由于生成这些图像所涉及的复杂性而受到阻碍。最简单的生成3D 胶片的方法是基于立体摄影的原理。立体摄影利用两个相同物体的图像, 从略微不同的角度, 在大脑中传递3D 图像。为了使这成为可能, 每只眼睛必须只看它各自的图像 (即左眼在左图和右眼在正确的图像)。因为眼睛不会自然地做这, 立体头饰设计使这成为可能1。在3D 胶片的开发过程中, 采用了几种立体视觉技术, 以及偏振交错、时间复用和头贴显示技术, 但采用红绿 (或青色) 的颜色交错或浮雕方法。眼镜是最简单和最便宜的技术之一。有关3D 成像和所涉及的各种技术的全面审查, 请参阅耿1的评论。
利用红外热像仪对植物中的冰冻进行监测是基于水结冰时, 必须放弃内部能量2的原理。这种能量是以热的形式存在的, 在电磁波谱的 IR 区域是可探测的。自 1929年3以来, 能够记录红外线能量的摄像机已经在使用。首次发表的报告使用红外技术的电影冷冻在植物是从 Cecardi等。2, 但使用的相机的分辨率使得很难准确地确定冻结的组织。维希涅夫斯基等。4用更高分辨率的相机确定了几种植物中冰核的更精确的位置。随着红外热成像技术的改进, 高分辨率图像导致了诸如冻结5的障碍和冰层形成6的精确细胞定位等发现。
红外摄影中的一个难点是由于温差小。这将导致视图字段中的大多数对象都是相似的颜色, 这使得很难精确确定哪些对象是/正在冻结。这在确定特定组织中冷冻的顺序时很重要, 例如小麦的叶子或根部6。如果植物的红外视频可以在3D 中成像, 那么在某一时间点确定该植物的哪一部分是结冰的准确度就能得到改善。
在美国的某些地区, 草莓是一种作物, 在这种情况下, 冷冻温度对种植者相当关注。在某些生长条件下, 草莓花在平均去年春季冷冻前 2-3 周出现。在阿巴拉契亚山脉的某些地区, 冰冻事件可能会发生在7 , 通常会导致花朵死亡。因此, 霜冻保护对草莓种植者在受这些冰冻事件的地区至关重要。例如, 在北卡罗来纳州, 草莓种植者必须在 4-6 霜冻事件发生前和 1-2 在早期绽放期8期间冻结, 以防止霜冻。为了帮助开发更耐冻的草莓基因型, 重要的是要了解冰冻的各个方面, 如冰核的部位和传播到植物的其他部分。红外热成像为解决这些问题提供了有效的手段。
在这里, 我们使用草莓来说明在3D 使用浮雕方法记录冰冻事件的技术。草莓很适合这个例子, 因为树叶和花朵分布在3D 空间, 在2D 红外视频中观看时很难区分。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 准备
- 收集设备、材料和软件, 记录和处理工厂冷冻的视频。
- 通过将电源开关设置为On来启动可编程冰箱, 并将温度设置为0摄氏度。程序冰箱达到-8 °c 在1摄氏度/小时。
- 将一个6周大的草莓植物和 2-5 花种植在一个1升的容器中, 放入冰箱中。
- 使用紧固带和一小块木头设置2台红外摄像机 (例如FLIR T620 相机), 以产生正确的透镜会聚角。
注: 最佳距离空间的镜头中心的2相机通常被认为是相同的距离之间的眼睛1或约7厘米。 - 安装两个摄像头到一个 10 x 10 cm 实验室杰克和位置的杰克在冰箱足够接近的植物, 让图像集中。垂直和水平调整相机, 使同一部分的植物是可见的两个摄像头。使用插孔垂直定位两个摄像头, 这样的方式, 2 图像包含整个植物和土壤的一部分。
- 使用 usb 连接器将2摄像头连接到计算机上的 usb 插座。
- 将2个/C 插座插入两个摄像头, 以允许对植物进行连续的监测。
2. 记录的计算机和软件设置
- 双击红外摄像机软件2x 的图标, 打开2个窗口 (每个照相机的1个窗口)。按照 "帮助" 菜单中的说明, 将左侧的照相机与右窗口中的右摄像头连接。
注意: 使用该软件的详细信息可以通过 "帮助" 菜单进行访问。单色调色板最适合此示例, 因为需要使用红色蓝色着色来进行3D 渲染。 - 双击该程序的图标, 打开屏幕捕获软件。通过单击并拖动帧来调整捕获帧, 以便同时包括两个摄像头, 同时允许同时对两个照相机进行屏幕捕获。
注意: 从两个摄像头同时捕获视频流是非常关键的, 因为它允许左右视图的完美同步。 - 以3小时为增量录制视频, 以便在视频处理软件中进行更简单的处理。
注意: 不可能确切地知道植物何时结冰, 所以在冰冻事件之前记录一段时间是很重要的。在段中记录的选项是该软件的一个功能, 因此建议将其设置为3小时记录。该软件将自动保存3小时的录音, 然后开始一个新的录音。每个3小时记录的文件将自动给出一个数字序列后的名称。每个视频文件将从10到 20 GB, 因此请确保硬盘驱动器上有足够的空间用于此大小的多个文件。 - 通过在 "控制器" 菜单中选择 "运行" 并开始屏幕捕获, 启动冰柜程序。然后按窗口上的 "录制" 按钮。确保显示被捕获屏幕区域的轮廓变为红色。
- 将草莓植株冷冻至-8 摄氏度, 并将冷冻机的温度保持在1小时。
- 将冰箱的温度提高2摄氏度/小时, 直到冷冻机在 +2 摄氏度。停止录音。
注: 总冻结时间为14小时。 - 使用文件转换软件将感兴趣的文件从. mp4 格式转换为. mov。
注意: 在这种情况下, 将使用包含1个或更多冻结事件的单个 3 h 文件。
3. 使用视频影像软件处理视频
注: 视频成像软件将在本例中使用。有关如何使用该软件的教程可在网上获得。本示例将假定软件的基本知识。假设对 "组合"、"层" 和 "渲染队列" 等术语的理解, 以及各种面板以及如何操作它们。
- 双击 "项目" 面板中的任意位置, 将感兴趣的. mov 文件导入到图像软件中, 并将该文件拖到 "项目" 面板底部的 "组合" 图标中。然后将项目保存到包含原始视频的同一文件夹中。
注意: 录制的视频将在预览窗格中显示。 - 单击 "预览" 窗口底部的 "感兴趣区域" 图标, 并使用游标仅勾勒出左侧照相机的录制。
- 拖动相同的. mov 视频到组合图标, 创建同一视频的第二个组合。重复步骤 3.3, 但是这次, 使用游标只选择正确的相机。
- 选择 "组合" > "裁剪复合" 到左侧视图感兴趣的区域。对正确的视图重复此操作。重命名每个组合, 以指示哪些是左和右。
- 通过单击它并在顶部的主菜单中选择 "组合" > "添加到呈现队列" 来突出显示左组合。
- 在渲染队列中, 单击输出模块, 并确保视频将呈现为视频 (例如, QuickTime 视频)。单击渲染设置以减少分辨率以允许更快的渲染。单击 "输出", 将视频的名称命名为左侧, 并将其保存到与原始录制和项目相同的文件夹中。单击 "保存", 然后单击呈现面板右上侧的 "呈现" 按钮。
- 重复步骤3.6 的草莓正确的成分。
- 双击 "项目" 面板, 然后导入刚刚呈现的草莓左侧和草莓的正确视频。
- 突出显示两个视频并将其拖动到 "项目" 面板底部的 "组合" 图标中。在要求静止持续时间的弹出式屏幕中, 以5个零为3小时的持续时间输入3。
注意: 两个视频 (精确同步) 将在 "项目" 面板中, 但只有 "组合" 面板中最顶层的视频才可见。 - 要查看其他图像, 请单击小眼球关闭图层。按下控制/W以允许在预览面板中使用光标旋转控制图像。使用光标并单击顶层上移和关闭, 调整顶部或底部视图的旋转方面, 以确保两个图像位于同一旋转平面中。然后在3D 眼镜子程序中直接调整 X 和 Y 平面。
- 突出显示 "组合" 面板的顶层, 然后从顶部的菜单中选择 "效果" > "透视" > 3D 眼镜。
注: 3D 眼镜效果的参数将在控制面板中弹出。 - 在 "控制面板" 中, 单击 "左视图" 右侧的框-如果控制面板未与 "项目" 面板分离, 请单击 "项目" 面板顶部的 "控制面板" 选项卡。在下拉菜单中列出 "组合" 面板中的2视频, 突出显示 "左视图" 列表中的视频。对 "右视图" 重复此步骤。
- 在3D 视图右侧的框中, 选择红色蓝色 LR。
- 使用红蓝眼镜, 检查项目面板中的视图。如果3D 视图看起来不正确, 请尝试单击 "换行左对"。调整场景收敛和垂直对准, 以消除任何重影和眼张力。
- 当视频的3D 方面是可接受的, 通过单击它并选择 "组合" > "添加到呈现队列" (如步骤3.7 中所做的) 来突出显示组合。将视频呈现到项目中其他文件所在的文件夹中。
注意: 此文件将相当大。文件呈现后, 可以使用视频处理软件将其重新呈现为较小的文件大小。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
令人惊讶的是, 草莓植物冷冻的红外视频 (补充视频 1) 表明, 并非所有的叶子/花朵冻结在同一时间。叶子和花朵都在不同的温度下单独冻结, 但树叶比花更早结冰, 温度更高。此外, 冷冻开始于叶子, 但不一定在同一位置上的每一叶。虽然这些结果没有被描述以前在草莓, 相似的结果被发现了在其他植物种类6。一旦树叶结冰, 冰就会沿着叶柄向植物的树冠推进。当冷冻温度变得1或2度更冷时, 花从花萼开始冻结, 迅速地扩散到花瓣和贮器中 (图 1)。容器保持较轻的颜色 (温暖) 比多数其他植物零件, 暗示更多水结冰。
将2D 红外图像与 3D (戴眼镜) 进行比较时, 3D 图像使精确确定叶子和花朵冻结的顺序变得更加容易 (图 1)。在3D 中观看视频时, 确定冻结开始的叶子的确切位置也比较容易 (补充视频 1)。
生存结果 (未显示) 表明, 尽管结冰, 叶子没有被杀害 (没有显示) 由结冰。另一方面, 冻结的花朵在3或4天内死亡。
第二个视频, 这一次的小麦根 (补充视频 2), 显示了一个有趣的序列冻结。这些根的基部被淹没在生长培养基中, 主要由泥炭组成。在冷冻前加入了冰屑, 以确保根部结冰。冻结成核发生在大约-0.5 °c 的中间沿根在右侧。结冰然后向上上升到植物的冠导致外部叶子的基地结冰。冷冻然后在植物后面的根部向下推进。请注意, 没有3D 透视, 几乎不可能确定特定根冻结的顺序 (图 2)。
在考虑根中的冻结 (图 2和补充视频 2) 时, 如果只查看了2D 透视, 则几乎不可能确定哪个根是冻结的, 原因是缺少有关深度的信息。此冻结事件的3D 透视图表示事件发生在现实世界中, 极大地提高了查看器区分单个根中的冻结序列的能力。
图 1: 将2D 草莓的图像与3D 中的同一图像进行比较.这些图像是冻结帧从补充视频 1显示2叶和一个单一的花朵的草莓植物冷冻。(A) 此面板仅在2D 显示左视图。(B) 此面板显示3D 浮雕视图。必须佩戴红蓝眼镜才能看到真实3D 的图像。两个面板之间的比较表明, 当该主题已在3D 捕获的视觉知觉的改善。请单击此处查看此图的较大版本.
图2。2D 小麦根质量图像与3D 图像的比较.这些图像是冻结帧从补充视频 2。面板A和B显示的根质量在2D。(a) 这是在冻结之前的根的图像, 而 (B) 这是约中途通过冻结事件。面板C和D显示与面板A和B相同的图像, 但浮雕格式。(C) 本小组在冻结前显示根质量 (对应于A组)。(B) 这是冻结事件中同一点的根图象在小组D中。C和D面板必须用红蓝眼镜观看, 才能看到3D 的图像。请单击此处查看此图的较大版本.
补充视频 1: 红蓝浮雕视频显示, 在3D 草莓植物冷冻。此视频是使用此处演示的协议生成的。请注意, 红蓝眼镜是必要的, 以观察视频在3D。请单击此处下载此文件.
补充视频 2: 红蓝浮雕视频显示在3D 的小麦根部结冰.此视频是使用此处演示的协议生成的。请注意, 红蓝眼镜是必要的, 以观察视频在3D。请单击此处下载此文件.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
这项协议需要两台红外摄像机, 它们必须针对这个主题, 从稍微不同的角度1。这将要求透镜从 5-8 cm 分开, 但两个必须瞄准在将被摄制的主题的同一个地方。把2相机镜头看成是观众眼中的一种替代品。左摄像头类似左眼和右眼相机。后处理软件将色调的左图像的红色和正确的图像, 以蓝色的颜色, 所以通过穿红蓝眼镜, 左眼只能看到左图像和右眼只有正确的图像。这意味着在记录冻结事件时使用红外摄像机软件的灰度调色板是很重要的。大脑将结合观看者将在 3D1中观察到的2张图像。
该协议的另一个关键步骤是使用屏幕捕获软件同时捕获两个照相机的输出。通过同时捕获两个摄像头的输出, 保证了两台摄像机输出的完美同步。同步右、左图像是产生3D 胶片的一个关键方面, 并在其他地方详细讨论。1
为了防止眼睛的紧张, 左、右图像的垂直和水平收敛是正确的。虽然相机应该定位, 以确保正确的衔接之前的录音, 他们不必须是完美的。此处描述的后期制作软件将允许在右向左、上下和旋转收敛上进行调整。如果没有红蓝眼镜, 该软件还将允许制作红绿色浮雕视频。
这项技术的一个限制是红蓝眼镜的要求, 以查看3D 视频。很多人可能不会有红蓝眼镜随时可用。此外, 虽然制作一个红蓝浮雕视频是最简单和最便宜的方式来制作3D 视频, 红蓝浮雕视频只能传达一个有限的色彩的观点, 他们的主题。然而, 这可以说是一个微不足道的限制, 因为红外线辐射实际上只能用灰度来观察。颜色在电磁波光谱的可看见的部分仅被看见人。
早期红外技术的有限分辨率使得很难确定冰核的精确位置以及冰传播到的组织。差分热分析9提高了探测冰核部位的能力;然而, 它仍然是一个2维的角度, 缺乏关于深度的信息。缺乏信息提供了一个有限的视角, 并没有完全代表冻结, 因为它发生在现实世界。
商业电影使用各种技术来形象化3D 的图像, 最常见的是偏振交错1。最流行的技术要求的头饰, 是特定的交错过程, 但自动立体技术, 不需要头饰是在发展阶段1。但是, 没有3D 渲染技术可用于在3维度中查看红外视频。此外, 虽然这些技术提供了最清晰的3D 视频可用, 他们需要同步和特殊的投影设备, 以及反射面上的投影图像1。
以最明确的方式交流科学成果对于创建一个能够促进科学发现的有效和及时进展的社区至关重要。对我们生活的世界的观察总是在3维度, 但仅仅使用2D 图像就很难准确地表示这些观测。例如, 很难, 如果不是不可能, 准确地确定哪些根 (s) 已冻结在红外成像的冷冻在小麦根 (图 2B)。但是, 使用3D 浮雕过程, 可以相对简单地确定哪个根在什么时间冻结 (图 2D)。诚然, 还有待确定哪些新的信息 (不能从2D 录像) 可以从3D 的植物冻结角度来收集。然而, 在 3D10中分析植物材料时, 获得独特的信息并不少见。通过使用屏幕捕获软件精确地同步右左图像和商用软件来创建浮雕视频, 任何使用可视化数据了解生物过程的实验室都可以在3D 生成图像和视频。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了美国农业部内部资金的支持。
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. Three-dimensional display technologies. Advances in Optics and Photonics. 5, 456-535 (2013).
- 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).
