Summary
Her presenterer vi en protokoll for bilde en jordbær plante frysing i 3 dimensjoner. To infrarøde kameraer plassert i litt forskjellige vinkler brukes til å produsere en rød-blå anaglyph video å observere frysing av anlegget i 3 dimensjoner.
Abstract
Frysing i planter kan overvåkes ved hjelp av infrarød (IR) termografi, fordi når vannet fryser, det avgir varme. Men gjøre problemer med fargekontrast 2-dimensjoner (2D) infrarøde bilder litt vanskelig å tolke. Viser et IR bilde eller video av planter frysing i 3 dimensjoner (3D) gir en mer nøyaktig identifikasjon av nettsteder for is nucleation og progresjon av frysing. I dette papiret viser vi en relativt enkel måte å lage en 3D infrarød video av en jordbær plante frysing. Jordbær er en økonomisk viktigste avlingen som utsettes for uventede våren fryse hendelser i mange områder av verden. En nøyaktig forståelse av frysing i jordbær vil gi både oppdrettere og dyrkere med mer økonomisk måter å forhindre skade planter under frysepunktet forhold.
Teknikken innebærer en plassering av to IR-kameraer i litt forskjellige vinkler å filme den jordbær frysing. De to videostrømmer synkroniseres nettopp på nytt ved hjelp av en skjermen fange programvare som registrerer begge kameraene samtidig. Opptakene vil deretter importeres til bildebehandlingsprogramvare og behandles ved hjelp av en anaglyph teknikk. Bruker rød-blå briller, vil 3D video gjøre det lettere å bestemme nøyaktig stedet av isen nucleation blad flater.
Introduction
Til tross for lever i en verden av tre fysiske dimensjoner, er forskere ofte begrenset til rapportering visuelle observasjoner i 2D. Selv om 2D-bilder er vanligvis nok til å formidle viktig informasjon, begrenser denne mangel på informasjon om dybden vår evne til å oppfatte og forstå kompleksiteten av objekter. 1
Denne mangel på informasjon om dybden gitt et insentiv til å produsere 3D videoer hovedsakelig i kommersiell filmbransjen siden tidlig på 1900-tallet1. Imidlertid hindret generere klare 3D-informasjon i fortsatt bilder og video av kompleksiteten involvert i produksjon av bildene. Den enkleste måten å generere 3D-film er basert på prinsippene i stereoskopisk fotografering. Stereoskopisk fotografering benytter to bilder av samme objekt fra litt forskjellige vinkler som formidler et 3D-bilde i hjernen. For å gjøre dette mulig, må hvert øye se bare på sine respektive bilde (dvs., venstre øye på venstre bildet og høyre øye på høyre bilde). Siden øyne vil selvsagt ikke dette, ble stereoskopisk hodeplagg utformet for å gjøre dette mulig1. Flere stereoskopisk har teknikker, samt polarisering-sammenflettet, tid-multiplekset, og hode-montere skjermen teknikker, vært brukt under utviklingen av 3D-filmer, men farge-interlacing eller anaglyph metoden bruker rød og grønn (eller cyan) glass er en av de enkleste og minst kostbare teknikkene. For en omfattende gjennomgang av 3D-bildebehandling og ulike teknikker involvert, se gjennomgang av Geng1.
Overvåking frysing i planter med IR termografi er basert på prinsippet om at når vannet fryser, det må gi opp indre energi2. Denne energien er i form av varme, som er synlig i IR-regionen i det elektromagnetiske spekteret. Kameraer kunne registrere IR energi har vært i bruk siden 19293. Den første publiserte rapporten ved hjelp av IR-teknologi film frysing i planter er fra Cecardi et al. 2, men oppløsningen på kameraet brukes gjør det vanskelig å nøyaktig fastslå vevet der frysing startes. Wisniewski et al. 4 bestemt mer presise områder av isen nucleation i flere plantearter bruke høyere oppløsning kamera. Som teknologien som brukes i IR termografi forbedret, høyere oppløsning førte til funn som barrierer for frysing5 og den nøyaktige mobilnettet lokaliseringen av isen formasjon6.
En vanskelighet filming fag i IR skyldes små forskjeller i temperatur. Dette fører til de fleste objekter i synsfeltet lignende farge, gjør det vanskelig å avgjøre nøyaktig hvilken objekt(er) er frysing. Dette kan være viktige når avgjøre rekkefølgen på frysing i bestemte vev, som blader eller røtter i hvete6. Hvis IR video av planter frysing kan avbildes i 3D, kan nøyaktigheten til å bestemme hvilken del av anlegget fryser på et visst punkt i tid forbedres.
Jordbær er en avling i visse områder av USA som minusgrader er stor bekymring for bøndene. Under noen vekstforhold er det vanlig for jordbær blomster vises 2-3 uker før gjennomsnittlige fjor vår fryse. En freeze-hendelse kan oppstå så sent som i juni i enkelte områder av Appalachene7 og vanligvis resultater i blomsten død. Frostbeskyttelse er derfor kritisk for jordbær bøndene i områder med disse fryse hendelser. Strawberry bønder i North Carolina, for eksempel må frost-beskytte, i gjennomsnitt mellom 4-6 frost hendelser før bloom og 1-2 hard fryser under tidlig blomst perioden8. For å utvikle jordbær genotyper som er mer frysing tolerant, er det viktig å forstå ulike sider av frysing, for eksempel områder av isen nucleation og forplantning i andre deler av anlegget. IR termografi gir en effektiv måte å løse disse problemene.
Her bruker vi jordbær for å illustrere en teknikk for å registrere frysing hendelser i 3D med metoden anaglyph. Jordbær er godt egnet for eksempel fordi blader og blomster er svært utbredt i 3D-rom og kan være vanskelig å skille i 2D infrarød videoer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. forberedelse
- Samle utstyr, materialer og programvare for å registrere og behandle videoen av frysing.
- Start en programmerbar fryser ved å angi strømbryteren på, og angi temperaturen 0 ° C. Programmet fryseren for å nå-8 ° C på 1 ° C/t.
- Plass en 6 uker gamle jordbær plante med 2-5 blomster som ble dyrket i en 1 L beholder i fryseren.
- Satt opp 2 IR-kameraer (f.eks, FLIR T620 kameraer) bruke festing stropper og en liten blokk av tre for å produsere riktig konvergens vinkelen av linser.
Merk: Optimal avstanden til verdensrommet midten av linser av 2 kameraer er generelt anses å være den samme som avstanden mellom øynene1 eller ca 7 cm. - Montere begge kameraene til et 10 x 10 cm laboratorium jack og posisjon jack i fryseren nær nok til anlegget for å tillate at bildet skal være fokusert. Justere kameraene vertikalt og horisontalt slik at den samme delen av anlegget er synlig fra begge kameraene. Bruk jack for å plassere begge kameraene loddrett i slik at de 2 bildene inneholder hele og en del av jord.
- Koble 2 kameraer ved hjelp av en USB-pluggen til USB-uttak på datamaskinen.
- Koble 2 A/C utsalgssteder i begge kameraene til å tillate en kontinuerlig overvåking av planter.
2. computer og programvare Setup for innspilling
- Åpne 2 Vinduer (1 vindu for hvert kamera) av programvaren ved å dobbeltklikke ikonet for IR kamera programvare 2 x. Følg instruksjonene i Hjelp-menyen for å koble venstre kameraet i vinduet venstre og høyre kamera i det høyre vinduet.
Merk: Detaljer for at programvaren kan nås via Hjelp-menyen. En monokromatisk palett er best egnet for eksempel på grunn av bruk av rød-blå missfarging for 3D-gjengivelse. - Åpne skjermen fange programvare ved å dobbeltklikke ikonet for programmet. Justere fange rammen ved å klikke og dra rammen slik at den inkluderer både kameraer for å tillate et skjermbilde av begge kameraene samtidig.
Merk: Skjermen fanger videostrømmen fra begge kameraene samtidig er viktig fordi det gir en feilfri synkronisering av både venstre og høyre. - Ta opp video i 3-h trinn for en enklere behandling i videobehandling programvare.
Merk: Det er umulig å vite nøyaktig når anlegget vil fryse, så det er viktig å spille inn en stund før hendelsen fryse. Alternativet i segmenter er en funksjon i denne programvaren, så det anbefales at dette er satt til å spille for 3 h. Programvaren vil automatisk lagre 3-h opptaket og deretter begynne et nytt opptak. Filen for hver 3t innspilling vil automatisk bli gitt en numerisk sekvens etter navnet. Hver videofil vil være fra 10 til 20 GB, så pass på at det finnes tilstrekkelig plass på harddisken for flere filer på denne størrelsen. - Start programmet fryser ved å velge Kjør i Kontroller-menyen og starte skjermen fange. Trykk på Rec -knappen i vinduet. Kontroller at disposisjonen viser regionen skjermen blir fanget rødt.
- Registrer den jordbær anlegget fryse ned-8 ° C og holder temperaturen i fryseren for 1t.
- Heve temperaturen i fryseren på 2 ° C/t til fryseren er på + 2 ° C. Stoppe innspillingen.
Merk: Totalen fryse tiden er 14 h. - Konvertere filen(e) rundt fra MP4 format til MOV bruker en konvertering programvare.
Merk: I dette tilfellet en enkelt 3t fil som inneholder 1 eller flere fryse hendelser brukes.
3. behandling Video i en Video tenkelig programvare
Merk: Video tenkelig programvare brukes i dette eksemplet. Tutorials om hvordan man bruker programvaren er tilgjengelig online. Dette eksemplet antar en grunnleggende kunnskap om programvaren. Forståelse av begreper som "komposisjon", "laget", og "render kø", samt ulike paneler og hvordan å manipulere dem, antas.
- Dobbeltklikk hvor som helst innenfor prosjektpanelet for å importere filen MOV rundt til bildebehandlingsprogramvare og dra filen til sammensetning -ikonet nederst i prosjektpanelet til. Deretter lagre prosjektet til den samme mappen som inneholder den opprinnelige videoene.
Merk: Videoen registrert vises i forhåndsvisningsruten. - Klikk på ikonet Område av interesse langs bunnen av forhåndsvisningsvinduet, og bruke markøren, skissere bare innspillingen fra venstre kameraet.
- Dra den samme MOV videoen sammensetning -ikonet for å opprette en andre sammensetningen av den samme videoen. Gjenta trinn 3.3, men denne gangen, Bruk markøren for å velge bare rett kameraet.
- Velg sammensetning > Beskjær Comp område av interesse for venstre visningen. Gjenta dette for riktig visning. Gi hver komposisjon angir som er venstre og høyre.
- Markere venstre sammensetningen ved å klikke på det og i menyen øverst, velge komposisjon > Legg til gjengivelse køen.
- I render køen, klikk på Output Module og kontroller at videoen skal vises som en video (e.g.en QuickTime video). Klikk på Innstillinger for gjengivelse å redusere oppløsningen å tillate en raskere gjengivelse. Klikk på utgang tilnavnet video Jordbær venstre, og lagre den til samme mappe som den opprinnelige innspillingen og prosjektet. Klikk Lagre, og klikk på Render -knappen øverst til høyre i render-panelet.
- Gjenta trinn 3.6 for Jordbær høyre sammensetningen.
- Dobbeltklikk prosjektpanelet og importere Jordbær venstre og Høyre for jordbær videoene som var bare gjort.
- Markere både videoer og dra dem til sammensetning-ikonet nederst i prosjektpanelet til. Popup skjermen be om Fortsatt varighet, skriver du 3 med 5 nuller for en 3-h varighet.
Merk: Begge videoer, nettopp synkronisert, vil bli i prosjektpanelet, men bare den øverste videoen i sammensetningen-panelet vises. - Det andre bildet, klikk på liten øyeeplet slå av laget. Trykk CTRL/W å tillate en roterende kontroll av bilder i Forhåndsvisning-panelet bruke markøren. Bruke markøren og klikke det øverste laget på og av, justere roterende aspektet av toppen eller den nederste visningen at både bilder er i samme roterende planet. Juster X - og Y-flyet direkte i 3D-briller-delrutine.
- Merk det øverste laget av sammensetningen panelet og velg Effect > perspektiv > 3D-briller på menyen øverst.
Merk: Parametrene for 3D briller effekt ville popmusikk opp inne i kontrollpanelet. - I Kontrollpanel, velger du boksen til høyre av"venstre"-Hvis Kontrollpanel ikke er atskilt fra prosjektpanelet, klikker du kategorien Kontrollpanel på toppen av prosjektpanelet. Liste 2 videoer i komposisjon panelet i en drop-down menyen, Merk videoklippet i listen "venstre view". Gjenta dette trinnet for "rett view".
- Velg Rød blå LRi boksen til høyre for 3D-visning.
- Bruker rød-blå briller, kontrollere visningen i prosjektpanelet. Hvis 3D-visning synes å være feil, kan du prøve å klikke Bytte venstre-høyre. Justere Scene konvergens og vertikalt for å eliminere eventuelle skygger og belastningen på øynene.
- Når 3D-aspektet av video, Merk sammensetningen ved å klikke på den og velg sammensetning > Legg til gjengivelse køen som ble gjort i trinn 3.7. Gjengi videoen til samme mappe som de andre filene i prosjektet.
Merk: Denne filen blir ganske stor. Når filen er gjengitt, kan det være re gjengitte til en mindre filstørrelse ved hjelp av videobehandling programvare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Overraskende, indikerte IR video av jordbær plante frysing (supplerende Video 1) at ikke alle blader/blomster frøs samtidig. Både bladene og blomstene frøs individuelt ved forskjellige temperaturer, men bladene frøs tidligere enn blomster og ved høyere temperatur. I tillegg begynte frysing i bladene, men ikke nødvendigvis på samme posisjon på hvert blad. Mens disse resultatene ikke har blitt beskrevet tidligere i jordbær, er lignende resultater funnet i andre plante arter6. Når bladene var frosset, kommet isen ned petiole til kronen av anlegget. Når fryser temperaturen ble 1 eller 2 grader kaldere, blomster frøs begynner på calyx og raskt spre i kronblader og beholder (figur 1). Mottaket forble en lysere farge (varmere) lenger enn de fleste andre plantedeler, antyder en større mengde vannet fryser.
Når du sammenligner 2D infrarød bildet med 3D (iført briller), gjør det 3D image det enklere å nøyaktig bestemme rekkefølgen som bladene og blomstene frøs (figur 1). Når du viser video i 3D, er det også enklere å bestemme den nøyaktige plasseringen på bladene der frysing begynte (supplerende Video 1).
Overlevelse resultatene (vises ikke) indikerte at til tross for frysing, bladene ble drept (vises ikke) av fryse. Blomstene som frøs, derimot, døde i 3 eller 4 dager.
Andre video, viste denne gangen av hvete røtter (supplerende Video 2), en interessant rekke frysing. Bunnen av disse røttene var neddykket i voksende medium består hovedsakelig av torv. Is spon ble lagt før frysing å sikre røttene ville fryse. Fryse nucleation skjedde på omtrent - 0,5 ° C halvveis langs en rot til høyre. Frysing så videre oppover til kronen anlegget forårsaker bunnen av ytre bladene fryse. Frysing så videre nedover i røttene på baksiden av anlegget. Merk at uten 3D-perspektiv, er det nesten umulig å avgjøre hvor spesifikke røttene frøs (figur 2).
Når du vurderer frysing i røtter (figur 2 og supplerende Video 2), hvis bare en 2D-perspektiv ble vist, ville det være nesten umulig å avgjøre hvilke rot ble fryser på grunn av mangel på informasjon om dybde. 3D-perspektiv dette fryse hendelsen representerer hendelsen som skjedde i den virkelige verden og sterkt forbedrer muligheten for betrakteren til å skille en rekke iskaldt i individuelle røtter.
Figur 1: en sammenligning av et bilde av jordbær i 2D i det samme bildet i 3D. Disse bildene er freeze-frames ekstra Video 1 viser 2 blader og en enkelt blomst av en jordbær plante frysing. (A) dette panelet viser venstre Vis bare, i 2D. (B) dette panelet viser visningen 3D anaglyph. Rød-blå briller må brukes for å se dette bildet i ekte 3D. En sammenligning mellom de to panelene illustrerer forbedring i visuell persepsjon når emnet er spilt i 3D. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. En sammenligning av bilder av en rot masse hvete i 2D i det samme bildet i 3D. Disse bildene er freeze-frames ekstra Video2. Paneler A og B viser rot massen i 2D. (A) Dette er et bilde av røttene før frysing, mens (B) Dette er omtrent midtveis hendelsen frysing. Paneler C og D viser de samme bildene som paneler A og B , men i anaglyph format. (C) dette panelet viser rot massen før frysing (tilsvarende panelet A). (B) Dette er et bilde av røttene på samme punkt i freeze-hendelse i panelet D. Paneler C og D må vises med rød-blå briller å se bilder i 3D. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Ekstra Video 1: en rød-blå anaglyph video som viser frysing i en jordbær plante i 3D. Denne videoen ble generert ved hjelp av protokollen som vist her. Merk at rød-blå briller nødvendig å observere video i 3D. Klikk her for å laste ned denne filen.
Ekstra Video 2: en rød-blå anaglyph video som viser frysing i hvete røtter i 3D. Denne videoen ble generert ved hjelp av protokollen som vist her. Merk at rød-blå briller nødvendig å observere video i 3D. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
To IR-kameraer er nødvendig for denne protokollen, og de må være rettet mot emnet litt forskjellige vinkler1. Dette vil kreve linsene fra 5-8 cm fra hverandre, men begge må være rettet mot samme sted på emnet filmes. Tenk på de 2 kameralinser som en slags surrogat for betrakterens øyne. Venstre kameraet tilsvarer venstre øye og høyre kameraet til høyre øye. Etterbehandling programvaren vil tint venstre bildet til en rød farge og blått, høyre bildet så med rød-blå briller, venstre øye kan bare se venstre bildet og høyre øye bare det rette bildet. Dette betyr at det er viktig å bruke gråtone paletten av IR kameraprogramvaren registrere freeze-hendelse. Hjernen vil kombinere 2 bildene som betrakteren vil observere i 3D1.
Et kritisk steg til denne protokollen er bruken av skjermen fange programvare å fange resultatet av begge kameraene samtidig. Ved å fange resultatet av begge kameraene samtidig, er en perfekt synkronisering av utdataene fra begge kameraene garantert. Synkronisere høyre og venstre bildene er et viktig aspekt å produsere 3D-filmer og er nevnt i detalj. 1
For å unngå øye belastning, er det viktig at vertikalt og horisontale konvergens av venstre og høyre bilder er riktig. Mens kameraene skal plasseres for å sikre riktig konvergens før innspillingen, trenger de ikke å være perfekt. Etterproduksjon programvaren beskrevet her gjør justeringer i høyre venstre, opp og ned og roterende konvergens. Programvaren vil også tillate en rød-grønn anaglyph video produseres hvis rød-blå briller ikke er tilgjengelig.
En begrensning av teknikken er kravet til rød-blå briller vise 3D video. Det er sannsynlig at mange mennesker ikke vil ha rød-blå briller tilgjengelig. Også, mens produserer en rød-blå anaglyph video er den enkleste og minst kostbare måten å lage en 3D video, rød-blå anaglyph videoer kan bare formidle en begrenset kromatisk visning av faget deres. Men er dette uten tvil en ubetydelig begrensning siden IR stråling, i virkeligheten, kan bare være observert i gråtoner. Fargene oppfattes bare av mennesker i den synlige delen av det elektromagnetiske spekteret.
Begrenset oppløsningen i tidlig IR-teknologi gjorde det vanskelig å fastslå nøyaktig plassering av isen nucleation også som som vev isen overført til. Termisk differensialanalyse9 har forbedret evne til å oppdage områder av isen nucleation; Det er imidlertid en 2-dimensjonale perspektiv som mangler informasjon om dybde. Mangel på informasjon gir et begrenset perspektiv og representerer ikke fullt frysing så det skjer i den virkelige verden.
Kommersielle filmer bruke ulike teknikker for å visualisere bilder i 3D, de vanligste blir polarisering interlacing1. De mest populære teknikkene krever hodeplagg som er spesifikk for interlacing prosessen, men auto-stereoskopisk teknikker som ikke krever hodeplagg i utviklingsstadier1. Ingen av 3D rendering teknikker, men er tilgjengelig for visning IR videoen i 3 dimensjoner. I tillegg, mens disse teknikkene klareste 3D video tilgjengelig, de krever synkronisering og spesielle projeksjon enheter samt reflekterende overflater som prosjektet bilder1.
Kommunisere vitenskap på klareste mulig måte er viktig for å skape et fellesskap fremme en effektiv og hensiktsmessig fremgang i vitenskapelige oppdagelser. Observasjoner av verdenen vi lever i er alltid i 3 dimensjoner, men det er vanskelig å nøyaktig representere disse observasjonene bruker bare 2D-bilder. For eksempel ville det være vanskelig, om ikke umulig, å finne ut nøyaktig som root(s) hadde blitt IR imaging av frysing i hvete røtter (figur 2B). Imidlertid gjør bruker en 3D anaglyph det relativt enkelt å finne ut nøyaktig hvilke rot frøs på tidspunktet (figur 2D). Riktignok gjenstår det for å fastsettes hvilke nye informasjoner (ikke 2D videography) kan være gleaned fra et 3D-perspektiv for frost i planter. Men er det ikke uvanlig for den unike informasjonen kan hentes når du analyserer plantemateriale i 3D10. Ved hjelp av skjermen fange programvare for å synkronisere nettopp høyre venstre bildene og kommersielt tilgjengelig programvare for å lage en anaglyph video, alle laboratorium som bruker visuelle data for å forstå biologiske prosesser kan generere bilder og video i 3D.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av USDA in-house finansiering.
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).
