Summary
Nous présentons ici un protocole pour un fraisier de congélation en 3 dimensions de l’image. Deux caméras infrarouges placés à des angles légèrement différents sont utilisés pour produire une vidéo anaglyphe rouge bleu pour observer le gel de la plante en 3 dimensions.
Abstract
Dans les usines de congélation peut être surveillé à l’aide de la thermographie infrarouge (IR), parce que lorsque l’eau gèle, elle dégage de chaleur. Cependant, problèmes avec le contraste de couleur font 2-dimensions (2D) infrarouges images un peu difficiles à interpréter. Afficher une image IR ou la vidéo des usines de congélation en 3 dimensions (3D) permettrait une identification plus précise des sites de nucléation de la glace, ainsi que la progression de la congélation. Dans cet article, nous démontrons un moyen relativement simple pour produire une vidéo 3D infrarouge d’un fraisier de congélation. La fraise est une culture économiquement importante qui est soumise à un printemps inattendu gel des manifestations dans de nombreuses régions du monde. Une compréhension exacte de la congélation en fraise fournira les éleveurs et les cultivateurs avec des moyens plus économiques pour éviter tout dommage aux plantes lors des conditions de gel.
La technique implique un positionnement des deux caméras infrarouges à des angles légèrement différents pour filmer la fraise congélation. Les deux flux vidéo seront synchronisées avec précision à l’aide d’un logiciel de capture d’écran qui enregistre les deux caméras simultanément. Les enregistrements seront ensuite importés dans le logiciel d’imagerie et traitement à l’aide d’une technique de l’anaglyphe. À l’aide de lunettes rouge-bleu, la vidéo 3D rendra plus facile de déterminer l’emplacement précis de nucléation de la glace sur la surface des feuilles.
Introduction
Bien qu’ils vivent dans un monde de trois dimensions physiques, les chercheurs sont souvent limités au compte rendu des observations visuelles en 2D. Bien que des images 2D sont en général suffisants transmettre des informations importantes, ce manque d’information sur la profondeur limite notre capacité à percevoir et comprendre la complexité des objets réels. 1
Cette lacune dans l’information sur la profondeur a fourni une incitation à produire des vidéos 3D principalement dans l’industrie du cinéma commercial depuis le début des années 19001. Cependant, générant des informations claires 3D en images fixes et vidéo est entravée par les complexités impliquées dans la production de ces images. L’approche la plus simple à la production de film 3D repose sur les principes utilisés en photographie stéréoscopique. Photographie stéréoscopique utilise deux images du même objet sous des angles légèrement différents qui véhicule une image 3D dans le cerveau. Pour ce faire, chaque oeil doit examiner seulement son image respective (c.-à-d., le œil gauche à l’image de gauche et l’oeil droit à l’image de droite). Puisque les yeux naturellement ne fera cela, casque stéréoscopique est conçu pour que cette possible1. Plusieurs stéréoscopique techniques, aussi bien en polarisation entrelacé, temps multiplexés, réaliste et techniques de l’affichage tête-Mont, ont été utilisés lors de l’élaboration des films en 3D, mais la méthode couleur-entrelacement ou anaglyphe rouge et vert (ou cyan) lunettes est une des techniques plus simples et moins coûteux. Pour une étude d’imagerie 3D et les différentes techniques concernées, voir le commentaire de Geng1.
Gel chez les plantes à l’aide de la thermographie IR de la surveillance est basée sur le principe que lorsque l’eau gèle, elle doit renoncer à énergie interne2. Cette énergie est sous forme de chaleur, ce qui est détectable dans la région infrarouge du spectre électromagnétique. Appareils capables d’enregistrer l’énergie IR ont été en usage depuis 19293. Le premier rapport publié en utilisant la technologie IR au cinéma dans les usines de congélation est de Cecardi et al. 2, mais la résolution de la caméra utilisée, il est difficile de déterminer exactement le tissu où le gel est initié. Wisniewski et al. 4 déterminé plus précis sites de nucléation de la glace dans plusieurs espèces de plantes à l’aide d’une caméra de résolution plus élevée. Comme la technologie utilisée en thermographie IR améliorée, des images de résolution supérieure déclenché découvertes comme les obstacles au gel5 et la localisation cellulaire précise de la formation de glace6.
Une difficulté en tournage des sujets en IR est causée par des petites différences de températures. Cela provoquera la plupart des objets dans le champ de vision d’être une couleur semblable, rendant difficile de déterminer précisément quel objet (s) est/est gel. Cela peut être important quand détermine l’ordre de gel dans des tissus spécifiques, tels que des feuilles ou des racines dans le blé,6. Si la vidéo IR des usines de congélation peut être photographiée en 3D, la précision de déterminer quelle partie de la plante gèle à un certain moment dans le temps pourrait être améliorée.
La fraise est une récolte dans certaines régions des États-Unis où des températures glaciales sont extrêmement préoccupant pour les cultivateurs. Sous certaines conditions de culture, il est courant pour les fraises fleurs à apparaître 2 ou 3 semaines avant la moyenne au printemps dernier de geler. Un événement de gel peut survenir aussi tard qu’en juin dans certaines régions des Appalaches7 et habituellement des résultats dans la mort de la fleur. Protection contre le gel est donc critique pour geler les producteurs de fraises dans des domaines soumis à ces événements. Producteurs de fraises en Caroline du Nord, par exemple, doivent protéger en gel, en moyenne, entre 4 à 6 événements de givre avant floraison et gèle dur 1-2 au cours de la première fleur période8. Afin de développer des génotypes fraises qui sont plus tolérants de congélation, il est important de comprendre les différents aspects du gel, comme les sites de nucléation de la glace et la propagation dans d’autres parties de la plante. Thermographie IR fournit un moyen efficace de traiter ces questions.
Ici, nous utilisons fraise pour illustrer une technique d’enregistrement des événements congélation en 3D à l’aide de la méthode de l’anaglyphe. Fraise est bien adapté pour cet exemple, parce que les feuilles et les fleurs sont très répandues dans l’espace 3D et peuvent être difficiles à différencier vu en 2D vidéos infrarouges.
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Protocol
1. préparation
- Rassembler des équipements, matériaux et logiciel pour enregistrer et traiter la vidéo d’usine de congélation.
- Démarrez un congélateur programmable en mettant l’interrupteur sur Onet régler la température à 0 ° C. Programme du congélateur à-8 ° C à 1 ° C/h.
- Placez un âgés de 6 semaines fraisier avec 2 à 5 fleurs qui a été cultivé dans un récipient de 1 L dans le congélateur.
- Mis en place 2 caméras infrarouges (par exemple, les caméras FLIR T620) à l’aide de sangles de fixation et un petit bloc de bois pour produire de l’angle de convergence correcte des lentilles.
Remarque : La distance optimale à l’espace du Centre des lentilles des 2 caméras est généralement considérée d’être la même que la distance entre les yeux1 ou 7 cm environ. - Montez les deux caméras à un poste la prise dans le congélateur assez près de l’usine pour permettre l’image à se concentrer et jack de laboratoire de 10 x 10 cm. Ajuster les caméras verticalement et horizontalement afin que la même partie de la plante est visible depuis les deux caméras. Utilisez le cric pour positionner les deux caméras verticalement de telle façon que les 2 images contiennent la plante entière et une partie du sol.
- Connecter les 2 caméras utilisant un connecteur USB sur les prises USB sur l’ordinateur.
- Brancher les 2 sorties a/c sur les deux caméras pour permettre un suivi continu des plantes.
2. l’ordinateur et configuration du logiciel pour l’enregistrement
- Ouvrir 2 fenêtres (1 fenêtre pour chaque caméra) du logiciel en double-cliquant sur l’icône pour le logiciel de la caméra IR 2 x. Suivez les instructions dans le menu aide pour connecter la caméra de gauche dans la fenêtre de gauche et la caméra droite dans la fenêtre de droite.
Remarque : Les détails pour l’utilisation du logiciel sont accessibles via le menu aide. Une palette monochromatique est plus adaptée pour cet exemple en raison de la nécessité d’utiliser teintées de rouge et bleu pour le rendu 3D. - Ouvrez le logiciel de capture d’écran en double-cliquant sur l’icône du programme. Ajustez le cadre de capture en cliquant et glissant le cadre donc il comprend deux caméras pour permettre une capture d’écran de deux caméras simultanément.
Remarque : Écran capturer le flux vidéo depuis les deux caméras en même temps est essentiel car il permet une synchronisation sans faille de vues gauche et droite. - Enregistrer la vidéo en incréments de 3 h pour un traitement plus facile dans le logiciel de traitement vidéo.
Remarque : Il est impossible de savoir exactement quand l’usine va geler, il est donc important d’enregistrer pendant un certain temps avant l’événement gel. L’option d’enregistrer dans les segments est une fonctionnalité de ce logiciel, il est donc recommandé que celui-ci est défini sur enregistrer pendant 3 h. Le logiciel enregistre automatiquement l’enregistrement de 3 h et puis commencer un nouvel enregistrement. Le fichier pour chaque enregistrement 3 h recevront automatiquement une séquence numérique après le nom. Chaque fichier vidéo sera de 10 à 20 Go, donc vous assurer que suffisamment d’espace est disponible sur un disque dur pour plusieurs fichiers de cette taille. - Démarrez le programme de congélateur en sélectionnant exécuter dans le menu du contrôleur et commencer la capture d’écran. Sur la fenêtre, puis appuyez sur la touche Rec . S’assurer que le plan montrant la zone de l’écran étant capturé vire au rouge.
- Enregistrer le fraisier gel jusqu'à-8 ° C et maintenir la température du congélateur pendant 1 h.
- Augmenter la température du congélateur à 2 ° C/h jusqu'à ce que le congélateur est à + 2 ° C. Arrêter l’enregistrement.
Note : Le total temps de congélation est de 14 h. - Convertir le fichier (s) d’intérêt du format .mp4 .mov en utilisant un logiciel de conversion de fichier.
Remarque : dans ce cas, un seul h 3 fichier contenant 1 ou plusieurs événements de gel sera utilisé.
3. traitement vidéo à l’aide d’une vidéo, logiciels d’imagerie
Remarque : Vidéo logiciel d’imagerie servira dans cet exemple. Tutoriels sur la façon d’utiliser le logiciel sont disponibles en ligne. Cet exemple suppose une connaissance de base du logiciel. La compréhension des termes tels que « composition », « couche » et « rendre la file d’attente », ainsi que les divers panneaux et comment les manipuler, est supposée.
- Double-cliquez n’importe où dans le panneau projet pour importer le fichier .mov d’intérêt dans le logiciel d’imagerie et de déplacer le fichier vers l’icône de la Composition en bas du panneau projet. Puis enregistrez-le dans le même dossier contenant les vidéos originales.
Remarque : La vidéo enregistrée sera visible dans le volet de visualisation. - Cliquez sur l’icône de la Région d’intérêt le long du bas de la fenêtre de prévisualisation et, à l’aide du curseur, exposer seulement l’enregistrement de la caméra de gauche.
- Faites glisser la même vidéo .mov vers l’icône de la Composition pour créer une deuxième composition de la même vidéo. Répétez l’étape 3.3, mais cette fois, utilisez le curseur pour sélectionner uniquement la bonne caméra.
- Choisissez Composition > Crop Comp à la région d’intérêt pour la vue de gauche. Répétez cette opération pour la vue de droite. Renommez chaque composition pour indiquer qui est gauche et droite.
- Mettre en évidence la composition de gauche en cliquant sur elle et, dans le menu principal en haut, sélectionnez Composition > Ajouter à la file d’attente de rendu.
- Dans la file d’attente de rendu, cliquez sur Module de sortie et assurez-vous que la vidéo sera restituée sous une vidéo (par exemple, un vidéo QuickTime). Cliquez sur les Paramètres de rendu pour réduire la résolution pour permettre un rendu plus rapide. Cliquez sur sortie, nom vidéo Strawberry gaucheet enregistrez-le dans le même dossier que le projet et de l’enregistrement original. Cliquez sur Enregistreret puis cliquez sur le bouton Afficher dans le coin supérieur droit du panneau rendu.
- Répétez l’étape 3.6 pour la composition de la Fraise droite .
- Double-cliquez sur le panneau projet et importez les vidéos À gauche fraise et Fraise droite juste rendues.
- Sélectionnez les deux vidéos, puis faites-les glisser vers l’icône de la composition en bas du panneau projet. Dans la fenêtre contextuelle demandant la Durée encore, entrez 3 avec 5 zéros pour une durée de 3 h.
Remarque : Les deux vidéos, précisément synchronisés, sera dans le panneau projet, mais seulement la vidéo plus haut dans le panneau composition sera visible. - Pour voir l’autre image, cliquez sur petit globe oculaire pour désactiver le calque. Appuyez sur CTRL/W pour permettre un contrôle de rotation des images dans le panneau d’aperçu à l’aide du curseur. En utilisant le curseur et cliquer sur la couche supérieure sur et en dehors, ajuster l’aspect de rotation de haut ou de la vue de dessous pour s’assurer que les deux images se trouvent dans le même champ de rotation. Puis ajustez la X - et Y-avion directement au sein de la sous-routine de lunettes 3D.
- Sélectionnez la couche supérieure du panneau composition, puis sélectionnez effet > optique > lunettes 3D dans le menu en haut.
Remarque : Les paramètres pour la 3D lunettes effet sautera vers le haut à l’intérieur du panneau de commande. - Dans le panneau de configuration, cliquez sur la case à droite de la « vue de gauche » — si le panneau n’est pas séparé du panneau projet, cliquez sur l’onglet panneau de contrôle en haut du panneau projet. Les 2 vidéos dans le panneau composition dans un menu déroulant la liste, sélectionnez la vidéo dans la liste pour la « vue de gauche ». Répétez cette étape pour « vue droite ».
- Dans la boîte à droite de la vue 3D, sélectionnez Rouge bleu LR.
- À l’aide de lunettes rouge-bleu, inspecter l’affichage dans le panneau projet. Si la vue 3D semble être incorrect, essayez de cliquer sur Swap gauche-droite. Ajuster la convergence de scène et d’Alignement Vertical pour éliminer toute contrainte images fantômes et les yeux.
- Lorsque l’aspect 3D de la vidéo est acceptable, sélectionnez la composition en cliquant dessus puis choisissez Composition > Ajouter à la file d’attente de rendu , comme l’a fait à l’étape de 3,7. Rendre la vidéo dans le même dossier que les autres fichiers dans le projet.
Remarque : Ce fichier va être assez grand. Une fois que le fichier a été rendu, il peut être re-rendu à une taille de fichier réduite en utilisant le logiciel de traitement vidéo.
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Representative Results
Étonnamment, la vidéo IR de l’usine de fraise congélation (1 vidéo supplémentaire) a indiqué que pas toutes les feuilles/fleurs a gelé en même temps. Les feuilles et les fleurs se figea individuellement à des températures différentes, mais les feuilles ont gelé plus tôt que les fleurs et à une température plus élevée. En outre, le gel a commencé dans les feuilles, mais pas nécessairement à la même position sur chaque feuille. Alors que ces résultats n’ont pas été décrits précédemment dans la fraise, résultats semblables ont été trouvés dans les autres espèces de plantes6. Une fois que les feuilles ont été gelés, la glace a progressé vers le bas le pétiole à la Couronne de la plante. Quand la température du congélateur est devenu 1 ou 2 degrés plus froides, que les fleurs ont gelé dès le calice et se répand rapidement dans les pétales et la prise de courant (Figure 1). Le réceptacle est resté une couleur plus claire (plus chaude) plus longtemps que la plupart d’autres parties de plantes, ce qui suggère une plus grande quantité de gel de l’eau.
Si l'on compare l’image infrarouge 2D avec la 3D (lunettes), l’image 3D rend plus facile de déterminer précisément l’ordre dans lequel les feuilles et les fleurs ont gelé (Figure 1). Lorsque vous affichez la vidéo en 3D, il est également plus facile de déterminer la position exacte sur les feuilles où le gel a commencé (1 vidéo supplémentaire).
Les résultats de survie (non illustrés) ont indiqué que malgré le gel, les feuilles ne furent pas tués (non illustré) par le gel. Les fleurs qui s’est figé, en revanche, est mort dans les 3 ou 4 jours.
Une deuxième vidéo, cette fois de racines de blé (2 vidéo supplémentaire), a montré une séquence intéressante du point de congélation. La base de ces racines était submergée en croissance moyenne composée principalement de tourbe. Copeaux de glace ont été ajoutés avant le gel afin d’assurer que les racines gèlerait. Geler nucléation s’est produite à propos - milieu de 0,5 ° C une racine sur le côté droit. Le gel puis progresse vers le haut à la Couronne de la plante provoquant la base des feuilles extérieures de geler. Le gel ensuite progressé vers le bas dans les racines à l’arrière de l’usine. Notez que, sans la perspective 3D, il est presque impossible de déterminer l’ordre dans lequel les racines spécifiques a gelé (Figure 2).
Si l'on considère la congélation dans les racines (Figure 2 et la vidéo 2), si seulement une perspective 2D a été vu, il serait presque impossible de déterminer quelle racine gelait en raison du manque d’informations sur la profondeur. La perspective 3D de ce gel représente événement l’événement comme il s’est produit dans le monde réel et grandement améliore la capacité du spectateur à distinguer la séquence de la congélation dans les racines individuelles.
Figure 1 : comparaison d’une image de fraises en 2D à l’image même en 3D. Ces images sont freeze-frames au supplémentaire 1 vidéo montrant 2 feuilles et une fleur unique d’un fraisier de congélation. (A), ce panneau montre de la gauche vue seulement, en 2D. (B), ce panneau affiche la vue 3D anaglyphe. Lunettes rouge-bleu doivent être portés pour voir cette image en vrai 3D. Une comparaison entre les deux panneaux illustre l’amélioration de la perception visuelle lorsque le sujet a été capturé en 3D. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2. Une comparaison des images d’une masse de racines de blé en 2D à l’image même en 3D. Ces images sont freeze-frames de 2 vidéo supplémentaire. Panneaux A et B montrent la masse racinaire en 2D. (A) il s’agit d’une image des racines avant la congélation, tout en (B) c’est environ à mi-chemin à travers l’événement gel. Séries C et D montrent les mêmes images que les panneaux A et B , mais en format anaglyphe. (C) ce panneau montre la masse racinaire avant le gel (correspondant au groupe d’experts A). (B) il s’agit d’une image des racines au même point dans le cas de gel que dans le groupe D. Séries C et D doivent être considérés avec lunettes rouge-bleu pour voir les images en 3D. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Supplémentaire 1 vidéo : une vidéo d’anaglyphe rouge bleu gel dans un fraisier en 3D. Cette vidéo a été générée en utilisant le protocole démontré ici. Notez que les lunettes rouge-bleu sont nécessaires pour observer la vidéo en 3D. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.
Supplémentaire 2 vidéo : une vidéo d’anaglyphe rouge bleu glace dans les racines du blé en 3D. Cette vidéo a été générée en utilisant le protocole démontré ici. Notez que les lunettes rouge-bleu sont nécessaires pour observer la vidéo en 3D. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
Deux caméras infrarouges sont nécessaires pour que ce protocole, et qu’ils doivent viser à l’objet des angles légèrement différents1. Cela nécessitera des lentilles à partir de 5-8 cm de distance, mais les deux doivent viser au même endroit sur le sujet à être filmé. Pense que les lentilles de 2 caméra en guise de substitut pour les yeux du spectateur. La caméra de gauche est analogue à le œil gauche et la caméra droite dans le œil droit. Le logiciel de post-traitement sera teinte d’une couleur rouge, l’image de gauche et l’image de droite pour une couleur bleue, donc en portant des lunettes rouge-bleu, l’oeil gauche ne peut voir que l’image de gauche et de droite des yeux uniquement l’image de droite. Cela signifie qu’il est important d’utiliser la palette de gris du logiciel de la caméra IR lors de l’enregistrement de l’événement de gel. Le cerveau combinera les 2 images qui le spectateur observera en 3D1.
Une autre étape critique au présent protocole est l’utilisation de logiciel de capture d’écran pour capturer la sortie de deux caméras simultanément. En capturant la sortie de deux caméras en même temps, une synchronisation parfaite de la sortie de deux caméras est garantie. Synchroniser les images gauche et droite est un aspect crucial de produire des films 3D et sont décrits en détail. 1
Pour éviter toute fatigue oculaire, il est important que la verticale et la convergence horizontale des images gauche et droite sont corrects. Alors que les caméras doivent être positionnées afin d’assurer une convergence correcte avant l’enregistrement, ils n’ont pas à être parfait. Le logiciel de postproduction décrit ici permettra aux ajustements en convergence droite-gauche, haut-bas et rotation. Le logiciel permettra également un anaglyphe rouge-vert vidéo production si lunettes rouge-bleu ne sont pas disponibles.
Une des limites de la technique sont l’exigence de lunettes rouge-bleu pour visionner la vidéo 3D. Il est probable que beaucoup de personnes n’auront pas de lunettes rouge-bleu facilement disponibles. Aussi, tandis que la production d’une vidéo anaglyphe rouge bleu est la façon plus facile et moins coûteuse de produire une vidéo 3D, vidéos anaglyphe rouge bleu peuvent transmettre seulement une vision chromatique limitée de leur sujet. Toutefois, il s’agit sans doute une limitation négligeable puisque le rayonnement IR, en réalité, ne peut être observée qu’en niveaux de gris. Couleurs sont perçus uniquement par les humains dans la partie visible du spectre électromagnétique.
La résolution limitée dans la technologie des premiers IR rendait difficile déterminer les emplacements précis de nucléation de la glace ainsi comme les tissus, la glace propagées dans. Analyse thermique différentielle9 a amélioré la capacité de détecter les sites de nucléation de la glace ; Cependant, il reste une perspective 2D qui ne dispose pas d’informations sur la profondeur. Le manque d’information fournit un point de vue limité et ne représente pas complètement geler tel qu’il apparaît dans le monde réel.
Films commerciaux utilisent différentes techniques de visualisation des images en 3D, le plus commun étant polarisation-entrelacement1. Techniques les plus populaires exigent des coiffures qui est spécifique au processus d’entrelacement, mais auto-stéréoscopiques techniques ne nécessitant pas de coiffures sont dans les stades1. Aucune des techniques de rendu 3D, cependant, sont disponibles pour visualiser la vidéo IR en 3 dimensions. En outre, bien que ces techniques donnent les cas les plus manifestes 3D vidéo disponibles, ils ont besoin de synchronisation et de dispositifs de projection spéciale, mais aussi des surfaces réfléchissantes sur lequel projeter les images1.
Communiquer les résultats scientifiques de la manière la plus claire possible est essentiel pour la création d’une communauté qui favoriser une progression efficace et opportune dans les découvertes scientifiques. Observations du monde que nous vivons sont toujours en 3 dimensions, mais il est difficile de représenter avec exactitude les observations en utilisant uniquement les images 2D. Par exemple, il serait difficile, sinon impossible, de déterminer avec précision qui canalaires a gelé dans l’imagerie IR du gel dans les racines du blé (Figure 2 b). Cependant, en utilisant un procédé anaglyphe 3D rend relativement simple à déterminer exactement quelle racine a gelé à quelle heure (Figure 2D). Certes, il reste à déterminer quelles nouvelles informations (pas disponible auprès de vidéographie 2D) pourraient être glanées dans une perspective 3D de gel dans les plantes. Cependant, il n’est pas inhabituel pour les informations uniques à obtenir lors de l’analyse des matières végétales en 3D10. En utilisant l’écran capture logiciel pour synchroniser avec précision les images de droite-gauche et des logiciels disponibles dans le commerce pour créer un anaglyphe vidéo, tout laboratoire qui utilise des données visuelles pour comprendre les processus biologiques peuvent générer des images et des vidéos en 3D.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par l’USDA financement interne.
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
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