Protokol for at producere tredimensionale infrarød Video af frysning i planter

Summary

Vi præsenterer her, en protokol for at billedet en jordbær plante frysning i 3 dimensioner. To infrarøde kameraer placeret på lidt forskellige vinkler er brugt til at producere en rød-blå anaglyph video for at observere indefrysning af fabrikken i 3 dimensioner.

Abstract

Frysning i planter kan overvåges ved hjælp af infrarød (IR) termografi, fordi når vandet fryser, den afgiver varme. Dog gøre problemer med farvekontrast 2-dimensioner (2D) infrarøde billeder lidt svært at fortolke. Visning af en IR billede eller video af planter frysning i 3 dimensioner (3D) ville give en mere præcis identifikation af websteder for isen Nukleering samt progression af frysning. I dette papir viser vi et relativt enkle midler til at producere en 3D infrarød video af en jordbær plante frysning. Jordbær er en økonomisk vigtige afgrøder, der er udsat for uventede foråret fryse begivenheder i mange områder af verden. En præcis forståelse af nedfrysning i jordbær vil give både opdrættere og avlere med billigere måder at forebygge skader planter under frysning betingelser.

Teknikken indebærer en positionering af to IR kameraer på lidt forskellige vinkler at filme jordbær frysning. De to videostreams synkroniseres netop ved hjælp af en raster fange programmel, der registrerer begge kameraer samtidig. Optagelserne bliver derefter importeret ind i billedbehandling software og behandlet ved hjælp af en anaglyph teknik. Bruger rød-blå briller, vil 3D-video gøre det lettere at bestemme det præcise sted, ice Nukleering på blade overflader.

Introduction

Trods bor i en verden af tre fysiske dimensioner, er forskere ofte begrænset til rapportering visuelle observationer i 2D. Selvom 2D-billeder er generelt tilstrækkeligt at formidle vigtige oplysninger, begrænser denne mangel på oplysninger om dybde vores evne til at opfatte og forstå kompleksiteten af virkelige verden objekter. ¹

Denne mangel på oplysninger om dybden forudsat et incitament til at producere 3D videoer primært i den kommercielle filmindustri siden begyndelsen af 1900-tallet¹. Imidlertid hindres generere klar 3D-oplysninger i stillbilleder og video af de komplicerede involveret i produktionen af disse billeder. Det enkleste at generere 3D film er baseret på principper, der anvendes i stereoskopisk fotografering. Stereoskopisk fotografering udnytter to billeder af det samme objekt fra lidt forskellige vinkler, der formidler et 3D billede i hjernen. For at gøre dette muligt, skal hvert øje ser kun på dens respektive billede (dvs., det venstre øje på billedet til venstre og den højre øje på billedet til højre). Da øjne ikke vil naturligvis gøre dette, var stereoskopisk hovedbeklædning designet til at gøre dette muligt¹. Flere stereoskopisk er visning teknikker, samt polarisering-interlaced, tid-multipleksede, og hoved-mount display teknikker, blevet anvendt under udviklingen af 3D-film, men farve-interlacing eller anaglyph metoden ved hjælp af rød og grøn (eller cyan) briller er en af de enkleste og billigste teknikker. En omfattende revision af 3D imaging og de forskellige teknikker, der er involveret, se anmeldelsen af Geng¹.

Overvågning, frysning i planter ved hjælp af IR termografi er baseret på princippet om, at når vandet fryser, skal det give op indre energi². Denne energi er i form af varme, som kan påvises i IR-regionen i det elektromagnetiske spektrum. Kameraer kan optage IR energi har været i brug siden 1929³. Den første offentliggjorte rapport ved hjælp af IR teknologi til filmen frysning i planter er fra Cecardi et al. ², men opløsningen på kameraet bruges gør det vanskeligt at præcist bestemme væv hvor indefrysning initieres. Wisniewski et al. ⁴ fastlægges mere præcise steder i is Nukleering i flere plantearter ved hjælp af en højere opløsning kamera. Som den teknologi, der anvendes i IR termografi forbedret, billeder i højere opløsning førte til opdagelser som hindringer for frysning⁵ og den præcise cellulære lokalisering af ice dannelse⁶.

En vanskelighed i filme emner i IR er forårsaget af små forskelle i temperaturer. Dette vil medføre de fleste objekter i synsfeltet skal være en lignende farve, hvilket gør det vanskeligt at bestemme præcist hvilke objekt(er) er frysning. Dette kan være vigtige ved fastlæggelse af rækkefølgen af frysning i specifikke væv, såsom blade eller rødder i hvede⁶. Hvis IR video af planter frysning kan være afbildet i 3D, kunne nøjagtighed til bestemmelse af, hvilken del af planten er iskold på et bestemt punkt i tid forbedres.

Jordbær er en afgrøde i visse områder af USA hvor frost er af stor bekymring for avlerne. Under nogle vækstbetingelser er det almindeligt for jordbær blomster skal vises 2-3 uger før gennemsnitlige sidste forår fryse. En fryse hændelse kan forekomme så sent som i juni i nogle områder af Appalacherne⁷ og normalt resultater i døden af blomsten. Frostsikring er derfor afgørende for jordbær avlerne i områder med disse fryse begivenheder. Jordbær avlere i North Carolina, for eksempel skal frost-beskytte, i gennemsnit mellem 4-6 frost begivenheder før bloom og 1-2 hårde fryser under de tidlige blomstre periode⁸. For at hjælpe med at udvikle jordbær genotyper, der er mere frost tolerante, er det vigtigt at forstå forskellige aspekter af indefrysning, såsom websteder af ice Nukleering og formering i andre dele af planten. IR termografi giver et effektivt middel til at løse disse problemer.

Her bruger vi jordbær til at illustrere en teknik til at optage indefrysning begivenheder i 3D ved hjælp af metoden anaglyph. Jordbær er velegnet til dette eksempel, fordi de blade og blomster er vidt udbredt i 3D-rum og kan være vanskeligt at adskille hvor set i 2D infrarød videoer.

Protocol

1. forberedelse

1. Saml udstyr, materialer og software til at registrere og behandle video af plante frysning.
   1. Start en programmerbar fryser ved at indstille power-kontakten til On, og Indstil temperaturen til 0 ° C. Programmet fryseren til nå-8 ° C i 1 ° C/h.
2. Placer en 6 uger gamle jordbær plante, med 2-5 blomster der blev dyrket i et 1 L beholder i fryseren.
3. Oprettet 2 IR kameraer (fx, FLIR T620 kameraer) ved hjælp af fastgørelse stropper og en lille blok af træ til at producere den korrekte konvergens vinkel af linser.
   Bemærk: Den optimale afstand til space center linser af de 2 kameraer er generelt anses for at være den samme som afstanden mellem øjnene¹ eller ca 7 cm.
4. Montere begge kameraer til en 10 x 10 cm laboratorium jack og holdning jack i fryseren tæt nok til anlægget for at give billedet til at være fokuseret. Justere kameraerne lodret og vandret så at den samme del af planten er synlige fra begge kameraer. Brug stikket til at placere begge kameraer lodret på en sådan måde, at de 2 billeder indeholder hele planten og en del af jorden.
5. Tilslut de 2 kameraer ved hjælp af et USB-stik til USB-stik på computeren.
6. Sæt de 2 AC udtag i begge kameraer til at tillade en løbende overvågning af planterne.

2. computer og Software opsætning for optagelse

1. Åbner 2 vinduer (1 vindue for hvert kamera) af softwaren ved at dobbeltklikke på ikonet for IR kamera software 2 x. Følg vejledningen i Hjælpemenuen for at forbinde venstre kameraet i venstre vindue og rette kameraet i vinduet til højre.
   Bemærk: Detaljer for brug af softwaren kan tilgås via Hjælpemenuen. En monokromatisk palet er bedst egnet til dette eksempel på grund af nødvendigheden af at bruge rød-blå toning for 3D-gengivelse.
2. Åbn raster fange programmel ved at dobbeltklikke på ikonet for programmet. Justere capture ramme ved at klikke og trække rammen, så det omfatter begge kameraer til at tillade et skærmbillede af begge kameraer samtidig.
   Bemærk: Raster fanger videostream fra begge kameraer samtidig er afgørende, fordi det giver mulighed for en fejlfri synkronisering af både venstre og højre synspunkter.
3. Optage video i 3-h forhøjelser for en lettere behandling i video behandling software.
   Bemærk: Det er umuligt at vide præcis, hvornår anlægget vil fryse, så det er vigtigt at registrere i nogen tid før hændelsen fryse. Mulighed for at optage i segmenter er en funktion af denne software, så det anbefales, at dette er indstillet til at registrere til 3 h. Softwaren vil automatisk gemme 3-h optagelsen og derefter starte en ny optagelse. Fil for hver 3-h optagelse vil automatisk blive givet en numerisk rækkefølge efter navn. Hver video fil vil være fra 10 til 20 GB, så sikre, at er tilstrækkelig plads på en harddisk for flere filer af denne størrelse.
4. Starte programmet fryser ved at vælge Kør i menuen controller og begynde raster fangst. Tryk på Rec -knappen på vinduet. Sikre, at dispositionen viser region af skærmen er fanget bliver rødt.
5. Optage jordbær anlægget fryser ned til-8 ° C og holde temperaturen i fryseren i 1 h.
6. Hæve temperaturen i fryseren på 2 ° C/h indtil fryseren er ved + 2 ° C. Stop optagelsen.
   Bemærk: Den samlede nedfrysning tid er 14 h.
7. Konverter filer af interesse fra .mp4 format til .mov ved hjælp af en fil konvertering software.
   Bemærk: I dette tilfælde en enkelt 3 h fil indeholdende 1 eller flere fryse begivenheder vil bruges.

3. behandling af Video ved hjælp af en Video Imaging Software

Bemærk: Video imaging software skal bruges i dette eksempel. Tutorials om hvordan man bruger softwaren er tilgængelige online. I dette eksempel antager et grundlæggende kendskab til softwaren. Forståelse af begreber som "sammensætning", "lag", og "render kø", såvel som de forskellige paneler og hvordan man kan manipulere dem, antages.

1. Dobbeltklik på et vilkårligt sted inde i panelet projekt at importere .mov-filen af interesse i den billedbehandling software og trække filen til sammensætning ikon nederst i panelet projekt. Derefter gemme projektet til den samme mappe, der indeholder de originale videoer.
   Bemærk: Videoen optaget bliver synlige i indholdsruden.
2. Klik på ikonet Region af interesse langs bunden af preview-vinduet, og ved hjælp af markøren, skitsere kun optagelse fra den venstre kamera.
3. Træk den samme .mov video til ikonet sammensætning til at oprette en anden sammensætning af den samme video. Gentag trin 3.3, men på dette tidspunkt cursoren til at vælge kun de rigtige kamera.
4. Vælg sammensætning > Beskær Comp til Region af interesse for den venstre. Gentag dette for den rigtige opfattelse. Omdøbe hver sammensætning for at angive som er venstre og højre.
5. Fremhæve den venstre sammensætning ved at klikke på det og i hovedmenuen øverst, vælge sammensætning > Tilføj til Render kø.
6. I render køen, klik på Outputmodul og sørg for, at videoen bliver gengivet som en video (f.eks.en QuickTime video). Klik på Gengivelsesindstillinger at reducere opløsningen til at tillade en hurtigere render. Klik på Output til, navnet video Jordbær venstreog Gem det til samme mappe som den oprindelige optagelse og projektet. Klik på Gem, og klik derefter på knappen Render på den øverste højre side af panelet render.
7. Gentag trin 3.6 for Jordbær ret sammensætning.
8. Dobbeltklik på panelet projekt og importere de Strawberry venstre og Jordbær højre videoer, der blev bare gjort.
9. Fremhæve begge videoer og træk dem til ikonet sammensætning i bunden af panelet projekt. I pop-up-skærmen beder om Stadig varighed, Indtast 3 med 5 nuller for en 3-h varighed.
   Bemærk: Begge videoer, netop synkroniseret, bliver i panelet projekt, men kun den øverste video i panelet sammensætning vil være synlige.
10. For at se andet billedet, skal du klikke på lille øjeæblet at deaktivere laget. Tryk på CTRL/W tillade en roterende kontrol af billeder i panelet Vis ved hjælp af markøren. Ved hjælp af markøren og klikke på det øverste lag og slukke, justere den roterende aspekt af enten toppen eller bunden visning for at sikre både billeder er i den samme roterende fly. Derefter indstille X - og Y-fly direkte inden for 3D-briller subrutine.
11. Fremhæv det øverste lag af panelet sammensætning og vælge effekt > perspektiv > 3D briller fra menuen øverst.
    Bemærk: Parametre til 3D briller effekt vil poppe op inde i kontrolpanelet.
12. I Kontrolpanel, skal du klikke på feltet til højre for "venstre view" — Hvis kontrolpanelet ikke er adskilt fra panelet projekt, skal du klikke på fanen control panel øverst i panelet projekt. Liste over de 2 videoer i panelet sammensætning i en drop-down menuen, Fremhæv video i listen for visningen"venstre". Gentag dette trin for "rigtige view".
13. I boksen til højre for 3D-visning, skal du vælge Rød blå LR.
14. Bruger rød-blå briller, inspicere visningen i panelet projekt. Hvis 3D-visning synes at være forkert, prøv at klikke på Byt venstre-højre. Justere Scene konvergens og lodret justering for at eliminere enhver ghosting og øjet stamme.
15. Når det er den 3D aspekt af videoen, fremhæve sammensætning ved at klikke på det og vælg sammensætning > Tilføj til at gengive kø som blev gjort i trin 3.7. Gøre videoen til den samme mappe som de andre filer i projektet.
    Bemærk: Denne fil vil være temmelig stor. Når filen er gjort, kan det være re-renderet til en mindre filstørrelse ved hjælp af video behandling software.

Representative Results

Overraskende, anførte IR video af jordbær plante frysning (supplerende Video 1), at ikke alle blade/blomster frøs på samme tid. Både blade og blomster frøs individuelt ved forskellige temperaturer, men bladene frøs tidligere end blomsterne og ved en højere temperatur. Desuden begyndte indefrysning i bladene, men ikke nødvendigvis på samme position på hvert blad. Mens disse resultater ikke er blevet beskrevet tidligere i jordbær, er lignende resultater blevet fundet i andre plante arter⁶. Når bladene var frosset, skred isen ned stilk til kronen af anlægget. Da fryseren temperatur blev 1 eller 2 grader koldere, blomsterne frøs begynder ved blomsterbægeret og hurtigt spredes til kronblade og beholder (figur 1). Beholderen forblev en lysere farve (varmere) længere end de fleste andre plantedele, tyder på en større mængde af vand nedfrysning.

Når man sammenligner de 2D infrarøde billede med 3D (briller), gør 3D-billedet det nemmere at netop afgøre den rækkefølge, hvori bladene og blomsterne frøs (figur 1). Når du ser video i 3D, er det også nemmere at bestemme den nøjagtige position på bladene hvor indefrysning begyndte (supplerende Video 1).

Overlevelse resultater (ikke vist) viste, at trods indefrysning, bladene ikke blev dræbt (ikke vist) ved at fryse. De blomster, der frøs, døde på den anden side inden for 3 eller 4 dage.

En anden video, viste denne gang af hvede rødder (supplerende Video 2), en interessant sekvens af frysning. Bunden af disse rødder var nedsænket i vokser medium bestående primært af tørv. Is spåner blev tilføjet inden frysning for rødderne ville fryse. Fryse Nukleering opstod på om - 0,5 ° C midway langs en rod i højre side. Indefrysning skred derefter opad til kronen af anlægget forårsager bunden af de ydre blade til at fryse. Indefrysning skred derefter nedad i rødder på bagsiden af anlægget. Bemærk, at uden 3D-perspektiv, er det næsten umuligt at bestemme den rækkefølge, hvori de specifikke rødder frøs (figur 2).

Når de overvejer indefrysning i rødder (figur 2 og supplerende Video 2), hvis det kun er en 2D perspektiv blev set, ville det være næsten umuligt at finde ud af, hvilke rod indefrysning på grund af manglende oplysninger om dybde. 3D-perspektiv af dette fryser hændelse repræsenterer begivenheden som det er sket i den virkelige verden og høj grad forbedrer seeren evne til at skelne sekvensen af frysning i individuelle rødder.

Figur 1: en sammenligning af et billede af jordbær i 2D til det samme billede i 3D. Disse billeder er freeze-frames fra supplerende Video 1 viser 2 blade og en enkelt blomst i et jordbær plante frysning. (A) dette panel viser til venstre Se kun, i 2D. (B) dette panel viser visningen 3D anaglyph. Rød-blå briller skal bæres for at se dette billede i ægte 3D. En sammenligning mellem de to paneler viser forbedring i visuel perception, når emnet er blevet fanget i 3D. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2. En sammenligning af billeder af en root masse hvede i 2D til det samme billede i 3D. Disse billeder er freeze-frames fra supplerende Video 2. Paneler A og B viser root masse i 2D. (A) Dette er et billede af rødderne før frysning, mens (B) Dette er omtrent midtvejs gennem indefrysning begivenheden. Paneler C og D viser de samme billeder som paneler A og B , men i anaglyph format. (C) dette panel viser root massen inden frysning (svarende til panelet A). (B) Dette er et billede af rødderne på det samme punkt i hændelsen fryse som i panelet D. Paneler C og D skal ses med rød-blå briller for at se billeder i 3D. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende Video 1: en rød-blå anaglyph video viser frysning i en jordbær plante i 3D. Denne video blev genereret ved hjælp af protokollen, der er vist her. Bemærk at rød-blå briller er nødvendige for at overholde videoen i 3D. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Supplerende Video 2: en rød-blå anaglyph video viser frysning i hvede rødder i 3D. Denne video blev genereret ved hjælp af protokollen, der er vist her. Bemærk at rød-blå briller er nødvendige for at overholde videoen i 3D. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Discussion

To IR kameraer er nødvendige for denne protokol, og de skal tage sigte på emnet fra lidt forskellige vinkler¹. Dette vil kræve linser til at være fra 5-8 cm fra hinanden, men begge skal tage sigte på det samme sted om emnet at blive filmet. Tænk på 2 kamera objektiver som en slags surrogat for beskuerens øjne. Venstre kameraet er analog med den venstre øje og højre kameraet til det højre øje. Den efterbehandling software vil tint den venstre billede til en rød farve og det rigtige billede til en blå farve, så af iført rød-blå briller, venstre øje kun kan se billedet til venstre og højre øje kun det højre billede. Det betyder, at det er vigtigt at bruge de grå-skala palet af IR kamera software når du optager fryse hændelse. Hjernen vil kombinere de 2 billeder, som seeren vil observere i 3D,¹.

En anden afgørende skridt i denne protokol er brugen af raster fange programmel at fange output af begge kameraer samtidig. Ved at erobre output af begge kameraer samtidig, er en perfekt synkronisering af output fra begge kameraer garanteret. Synkronisering af de højre og venstre billeder er et afgørende aspekt af fremstilling af 3D-film og er diskuteret andetsteds i detaljer. ¹

For at undgå enhver belastning af øjnene, er det vigtigt, at lodret og vandrette konvergensen mellem venstre og højre billeder er korrekte. Mens kameraer bør placeres for at sikre en korrekt konvergens forud for optagelsen, behøver de ikke at være perfekt. Den post-produktion software beskrevet her vil tillade justeringer i højre-venstre, op-ned og roterende konvergens. Softwaren vil også tillade en rød-grøn anaglyph video skal produceres hvis rød-blå briller ikke er tilgængelige.

En begrænsning af teknikken er kravet i rød-blå briller at se 3D-video. Det er sandsynligt, at mange personer ikke vil have rød-blå briller let tilgængelige. Også, mens producerer en rød-blå anaglyph video er den nemmeste og billigste måde at producere en 3D video, kan rød-blå anaglyph videoer kun formidle en begrænset kromatisk opfattelse af emnet. Dette er dog nok en ubetydelig begrænsning da kan kun overholdes IR stråling, i virkeligheden, i gråtoner. Farver er kun opfattes af mennesker i den synlige del af det elektromagnetiske spektrum.

Den begrænsede opløsning i begyndelsen IR teknologi gjort det vanskeligt at bestemme de nøjagtige placeringer af isen Nukleering samt som hvilke væv isen opformeret i. Differential termisk analyse⁹ har forbedret evnen til at opdage steder, hvor isen Nukleering; Det er imidlertid fortsat en 2-dimensional perspektiv, der mangler oplysninger om dybde. Manglen på oplysninger giver et begrænset perspektiv og fuldt ud repræsenterer ikke frysning som det sker i den virkelige verden.

Kommercielle film bruge forskellige teknikker til at visualisere billeder i 3D, de mest almindelige er polarisering-interlacing¹. De mest populære teknikker kræver hovedbeklædning, der er specifikke for sammenfletning processen, men auto-stereoskopisk teknikker, der ikke kræver hovedbeklædning er i udviklingsstadier¹. Ingen af 3D rendering teknikkerne, men er tilgængelige til visning af IR video i 3 dimensioner. I tilføjelse, mens disse teknikker giver den klareste 3D video tilgængelig, de kræver synkronisering og særlige projektion enheder samt reflekterende overflader til at projicere billeder¹.

Kommunikere forskningsresultater på den klareste mulige måde er afgørende for at skabe et samfund, der vil fremme en effektiv og rettidig fremskridt i videnskabelige opdagelser. Observationer af den verden vi lever i er altid i 3 dimensioner, men det er svært at nøjagtigt repræsenterer disse bemærkninger ved hjælp af kun 2D-billeder. For eksempel, det ville være vanskeligt, hvis ikke umuligt, at bestemme præcist hvilket root(s) havde frosset i IR-billeddannelse af nedfrysning i hvede rødder (figur 2B). Men, ved hjælp af en 3D anaglyph proces gør det relativt nemt at finde ud af, præcis hvilke rod frøs på hvilket tidspunkt (figur 2D). Ganske vist er det stadig skal fastlægges, hvilke nye oplysninger (ikke kan indhentes fra 2D videography) kan udledes fra en 3D-perspektiv af frysning i planter. Det er imidlertid ikke usædvanligt for entydige oplysninger skal indhentes, når du analyserer plantemateriale i 3D¹⁰. Ved hjælp af raster fange programmel hen til netop synkronisere højre-venstre billeder og kommercielt tilgængelige software til at skabe en anaglyph video, et laboratorium, der bruger visuelle data for at forstå biologiske processer kan generere billeder og video i 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