Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att bild en jordgubbe växt frysning i 3 dimensioner. Två värmekameror placerad vid något olika vinklar används för att producera en röd-blå anaglyf video för att observera frysning av anläggningen i 3 dimensioner.
Abstract
Frysning i växter kan övervakas med infraröd (IR) Termografi, eftersom när vatten fryser, det avger värme. Dock gör problem med kontrasten 2-mått (2D) infraröda bilder något svåra att tolka. Visning av en IR-bild eller video av växter frysning i 3 dimensioner (3D) skulle ge en mer exakt identifiering av platser för is kärnbildning samt utvecklingen av frysning. I detta papper visar vi ett relativt enkelt sätt att producera en 3D IR-video av en jordgubbe växt frysning. Jordgubbar är en ekonomiskt viktig gröda som utsätts för oväntade våren frysa händelser i många delar av världen. En korrekt förståelse av frysning i jordgubbe ger både uppfödare och odlare med mer ekonomiskt sätt att förhindra skador på växter under frysning villkor.
Tekniken innebär en positionering av två IR-kameror på något olika vinklar att filma jordgubbar fryser. Två videoströmmarna synkroniseras just använder en skärm ta till fånga programvara som registrerar båda kamerorna samtidigt. Inspelningarna kommer sedan att importeras till avbildningsprogrammet och bearbetas med en anaglyf-teknik. Använda röd-blå Glasögon, blir 3D-videon det enklare att avgöra den exakta platsen för is kärnbildning på leaf ytor.
Introduction
Trots att vi lever i en värld av tre fysiska dimensioner, är forskare ofta begränsade till rapportering visuella observationer i 2D. Även om 2D-bilder är i allmänhet tillräckligt för att förmedla viktig information, begränsar denna brist på information om djup vår förmåga att uppfatta och förstå komplexiteten i verkliga objekt. 1
Denna brist på information om djupet som ett incitament att producera 3D videor främst i kommersiella filmindustrin sedan tidigt 1900-tal1. Dock hindras generera tydliga 3D-information i stillbilder och video av komplexiteten som ingår i framställningen av dessa bilder. Det enklaste sättet att generera 3D-film är baserad på principer som används i stereoskopisk fotografi. Stereoskopisk fotografi använder tredjeparts två bilder av samma objekt från lite olika vinklar som förmedlar en 3D-bild i hjärnan. För att göra detta möjligt, måste varje öga bara titta på dess respektive bild (dvs, vänster öga på den vänstra bilden och höger öga på rätt bild). Eftersom ögonen kommer naturligtvis inte detta, var stereoskopisk huvudbonader avsedd att göra detta möjligt1. Flera stereoskopisk har visning tekniker, samt så sammanflätat polarisering, tid-multiplexed, och huvud-mount display teknik, använts under utvecklingen av 3D filmer, men metoden färg-sammanflätning eller anaglyf med röd och grön (eller cyan) Glasögon är en av de enklaste och billigaste teknikerna. För en omfattande översyn av 3D imaging och de olika teknikerna inblandade, se en översyn av Geng1.
Övervakning fryser i växter med IR Termografi är baserad på principen att när vatten fryser, det måste ge upp inre energi2. Denna energi är i form av värme, vilket är detekterbara i regionen IR i det elektromagnetiska spektrumet. Kameror som kan spela in IR energi har varit i bruk sedan 19293. Den första publicerade rapporten använder IR-teknik för att filma frysning i växter är från Cecardi et al. 2, men upplösningen för den kamera som används gör det svårt att exakt bestämma den vävnad där frysning initieras. Wisniewski o.a. 4 bestäms mer exakta platser av is kärnbildning i flera växtarter som använder en högre upplösning kamera. Eftersom tekniken i IR Termografi förbättrats, högre upplösning bilder ledde till upptäckter som hinder för frysning5 och precisa cellulär lokalisering av isen bildande6.
En svårighet vid filmning försökspersoner i IR orsakas av små skillnader i temperaturer. Detta kommer att orsaka de flesta objekt i synfältet som en liknande färg, vilket gör det svårt att avgöra exakt vilka objekt är frysning. Detta kan vara viktigt när fastställer hur frysning i specifika vävnader, såsom blad eller rötter i vete6. Om IR video av växter frysning kan avbildas i 3D, skulle riktigheten i att avgöra vilken del av växten är frysa vid en viss punkt i tid kunna förbättras.
Strawberry är en gröda i vissa områden i USA där minusgrader är av betydande oro för odlarna. Under vissa odlingsförhållanden är det vanligt för strawberry blommor visas 2-3 veckor innan Genomsnittligt förra våren frysa. En frys kan inträffa så sent som i juni i vissa områden av de Appalachian bergen7 och oftast resultat i döden av blomman. Frostskydd är därför kritisk för jordgubbsodlare i områden som omfattas av dessa frysa händelser. Jordgubbsodlare i North Carolina, till exempel måste frost-skydda, i genomsnitt mellan 4-6 frost händelser innan bloom och 1-2 hårt fryser under den tidiga blomma perioden8. För att utveckla strawberry genotyper som är mer frysning tolerant, är det viktigt att förstå olika aspekter av frysning, såsom platserna is kärnbildning och spridning till andra delar av anläggningen. IR Termografi ger ett effektivt sätt att hantera dessa frågor.
Här, använder vi jordgubbe för att illustrera en teknik för inspelning av frysning händelser i 3D med metoden anaglyf. Strawberry är väl lämpad för detta exempel eftersom bladen och blommorna är spridda i 3D rymden och kan vara svårt att skilja när de visas i 2D IR-videor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. beredning
- Samla utrustning, material och programvara för att spela in och bearbeta video av växten fryser.
- Starta en programmerbar frys genom att ställa in strömbrytaren på Onoch Ställ in temperaturen till 0 ° C. Program i frysen att nå-8 ° C vid 1 ° C/h.
- Placera en 6 veckor gamla strawberry växt med 2-5 blommor som odlades i en 1 L behållare i frysen.
- Ställ in 2 IR kameror (t.ex., FLIR T620 kameror) använda fästa remmar och ett litet block av trä för att producera rätt konvergens vinkel linserna.
Obs: Det optimala avståndet till rymden mitten av linserna av 2 kameror anses allmänt vara detsamma som avståndet mellan ögon1 eller cirka 7 cm. - Montera båda kamerorna till en 10 x 10 cm laboratorium jack och position jack i frysen nära nog till anläggningen för att låta bilden att vara fokuserad. Justera kamerorna vertikalt och horisontellt så att samma del av anläggningen är synlig från båda kamerorna. Använd domkraften för att placera båda kamerorna vertikalt på ett sådant sätt att de 2 bilderna innehåller hela anläggningen och en del av jorden.
- Anslut 2 kameror använder en USB-kontakt till USB-uttag på datorn.
- Koppla in de 2/c-uttag i båda kamerorna så att en kontinuerlig övervakning av växterna.
2. dator och mjukvara Setup för inspelning
- Öppna 2 fönster (1 fönster för varje kamera) av programvaran genom att dubbelklicka på ikonen för programvaran IR kamera 2 x. Följ instruktionerna i hjälpmenyn att ansluta vänstra kameran i det vänstra fönstret och en rätt kamera i det högra fönstret.
Obs: Detaljer för med hjälp av programvaran kan nås via hjälpmenyn. En monokromatisk palett är bäst lämpad för detta exempel på grund av nödvändigheten av att använda röd-blå toning för 3D rendering. - Öppna skärmen capture programvaran genom att dubbelklicka på ikonen för programmet. Justera fånga ramen genom att klicka och dra ramen så det innehåller båda kamerorna för att tillåta en skärmbild av båda kamerorna samtidigt.
Obs: Skärm erövrare videoströmmen från båda kamerorna samtidigt är avgörande eftersom det ger en felfri synkronisering av både vänster och höger utsikt. - Spela in video i 3 h steg för en enklare bearbetning i den video programvaran.
Obs: Det är omöjligt att veta exakt när anläggningen kommer att frysa, så det är viktigt att spela in en tid före händelsen frysa. Möjlighet att spela in i segment är en funktion av denna programvara, så det rekommenderas att detta är inställt på spela in för 3 h. Programvaran kommer automatiskt spara 3 h inspelningen och sedan påbörja en ny inspelning. Filen för varje 3 h inspelning kommer automatiskt att ges en numerisk sekvens efter namnet. Varje videofil blir från 10 till 20 GB, så se till att det finns tillräckligt utrymme på en hårddisk för flera filer av den här storleken. - Starta programmet frys genom att välja Kör i menyn controller och börja skärmen ta till fånga. Tryck sedan på Rec -knappen på fönstret. Se till att skissera visar regionen i skärmen fångas blir röd.
- Spela in strawberry växten frysning ner till-8 ° C och hålla temperaturen i frysen för 1 h.
- Höja temperaturen i frysen vid 2 ° C/h tills frysen är vid + 2 ° C. Stoppa inspelningen.
Obs: Den totala frysning tid är 14 h. - Konvertera filer av intresse från .mp4 format till .mov med hjälp av en fil konvertering programvara.
Obs: I det här fallet en enda 3 h fil innehållande 1 eller flera frysa händelser kommer att användas.
3. bearbetning Video med en Video som tänkbar mjukvaran
Obs: Video tänkbar mjukvaran kommer att användas i det här exemplet. Tutorials på hur du använder programvaran finns tillgängliga online. Detta exempel kommer att anta en grundläggande kunskap om programvaran. Förståelsen av begrepp som ”komposition”, ”lager”, och ”render kö”, samt de olika panelerna och hur man manipulera dem, antas.
- Dubbelklicka någonstans inuti projektpanelen att importera filen .mov sevärdheter i avbildningsprogrammet och dra filen till ikonen sammansättning längst ned på projektpanelen. Sedan spara projektet i samma mapp som innehåller den ursprungliga videor.
Obs: Den video som spelas in kommer att visas i förhandsgranskningsfönstret. - Klicka på ikonen Intresseområdet längst ned i förhandsgranskningsfönstret och använder markören, beskriva bara inspelningen från vänster kameran.
- Dra samma MOV video till ikonen sammansättning för att skapa en andra sammansättning av samma video. Upprepa steg 3.3, men denna gång, använda markören för att markera endast de rätt kameran.
- Välj komposition > Beskär Comp till regionen av intresse för den vänstra vyn. Upprepa detta för den högra vyn. Byt namn på varje sammansättning för att indikera vilket är vänster och höger.
- Markera vänster sammansättning genom att klicka på det och i huvudmenyn längst upp, välja komposition > Lägg till i Render kö.
- I render kön, klicka på Output Module och kontrollera videon återges som en video (t.ex., en QuickTime-video). Klicka på Renderingsinställningar minska upplösningen att möjliggöra en snabbare rendering. Klicka på utdata tillnamn video Strawberry vänster, och spara den i samma mapp som den ursprungliga inspelningen och projektet. Klicka på Sparaoch klicka sedan på knappen återge längst upp till höger på panelen render.
- Upprepa steg 3.6 för Strawberry rätt sammansättning.
- Dubbelklicka på projektpanelen och importera Strawberry vänster och Strawberry höger videor som bara var utförda.
- Markera både video och dra dem till sammansättning-ikonen längst ned i projektpanelen. I popup-skärmen frågar för Fortfarande varaktighet, ange 3 med 5 nollor för en 3 h varaktighet.
Obs: Båda videor, exakt synkroniserad, blir i projektpanelen, men endast den översta videon i panelen sammansättning kommer att visas. - Den andra bilden, klicka på lilla ögongloben att stänga lagret. Tryck på CTRL/W att tillåta en roterande kontroll av bilder på förhandsgranskningspanelen med hjälp av markören. Använda markören och klicka på det översta lagret på och av, justera den roterande aspekten av antingen topp eller botten vyn så att båda bilderna är i samma roterande plan. Sedan justera X - och Y-planet direkt inom 3D-glasögon subrutinen.
- Markera det översta lagret på panelen sammansättning och välj effekt > perspektiv > 3D-glasögon från menyn längst upp.
Obs: Parametrar för 3D glasögon effekt dyker upp inne i Kontrollpanelen. - I Kontrollpanelen, klicka på rutan till höger om ”vänstra vyn” — om Kontrollpanelen inte är åtskild från projektpanelen, klicka på fliken Kontrollpanelen överst på projektpanelen. Lista 2 videor på panelen sammansättning i en drop-down-menyn, markera videon i listan för ”vänster”. Upprepa detta steg för ”rätt läge”.
- Välj Röd blå LRi rutan till höger om 3D-vy.
- Använda röd-blå Glasögon, inspektera vyn på projektpanelen. Om 3D-vyn verkar vara felaktig kan du prova att klicka på Byta vänster-höger. Justera scen konvergens och Lodrät justering för att eliminera någon ghosting och ögat stam.
- När 3D aspekten av videon är acceptabelt, markera sammansättning genom att klicka på den och välj komposition > Lägg till återge kö som var gjort i steg 3,7. Återge video i samma mapp som de andra filerna i projektet.
Obs: Denna fil kommer att vara ganska stor. När filen har utförts, kan det åter renderade till en mindre filstorlek med hjälp av video-bearbetning programvara.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Överraskande, anges den IR-videon av strawberry växten frysa (kompletterande Video 1) att inte alla blad/blommor frös samtidigt. Både blad och blommor frös individuellt vid olika temperaturer, men bladen frös tidigare än blommorna och vid en högre temperatur. Dessutom började frysning i bladen men inte nödvändigtvis på samma plats på varje blad. Medan dessa resultat inte har beskrivits tidigare i jordgubbe, har liknande resultat hittats i andra växt arter6. När bladen frystes, gått isen ner bladskaft till kronan av anläggningen. När frysen temperaturen blev 1 eller 2 grader kallare, blommorna frös början på blomfoder och snabbt sprider sig in i kronblad och kärl (figur 1). Kärlet återstod en ljusare färg (varmare) längre än de flesta andra växtdelar, vilket tyder på en större mängd vatten fryser.
När man jämför den 2D infraröda bilden med 3D (glasögon), gör 3D-bilden det lättare att exakt bestämma den ordning där bladen och blommorna frös (figur 1). När du visar video i 3D, är det också lättare att bestämma den exakta positionen på bladen där frysningen började (kompletterande Video 1).
Överlevnad resultaten (visas inte) anges att trots frysning, bladen inte dödades (visas inte) av frysningen. Blommorna som frös, däremot, dog inom 3 eller 4 dagar.
En andra video, visade denna gång av vete rötter (kompletterande Video 2), en intressant följd av frysning. Basen av dessa rötter var nedsänkt i växande medium som består främst av torv. Ice spån tillkom före frysning att säkerställa rötterna skulle frysa. Frysa kärnbildning inträffade vid om - 0,5 ° C halvvägs längs en rot på höger sida. Frysning utvecklats sedan uppåt till kronan av växten orsakar basen av de yttre bladen att frysa. Frysning fortskred sedan nedåt i rötterna på baksidan av anläggningen. Observera att, utan 3D perspektiv, det är nästan omöjligt att bestämma den ordning i vilken specifik rötterna frös (figur 2).
När man överväger frysa i rötter (figur 2 och kompletterande Video 2), om endast ett 2D perspektiv sågs, vore det nästan omöjligt att avgöra vilken rot frös på grund av bristen på information om djup. 3D perspektiv detta frysa händelse representerar händelsen som det inträffade i den verkliga världen och avsevärt förbättrar möjligheten för betraktaren att skilja ordningsföljden för frysning i enskilda rötter.
Figur 1: en jämförelse av en bild av jordgubbar i 2D till samma bild i 3D. Dessa bilder är freeze-frames från kompletterande Video 1 visar 2 blad och en enda blomma av en jordgubbe växt frysning. (A) denna panel visar vänster Visa endast, i 2D. (B) denna panel visar vyn 3D anaglyf. Röd-blå glasögon måste användas för att se denna bild i sann 3D. En jämförelse mellan de två panelerna visar förbättringen i visuellt hjälpmedelföreställning när motivet har fångats i 3D. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. En jämförelse av bilder av en rot massa vete i 2D till samma bild i 3D. Dessa bilder är freeze-frames från kompletterande Video 2. Paneler A och B visar rot massan i 2D. (A) Detta är en bild av rötterna innan frysning, medan (B) Detta är ungefär halvvägs genom frysning händelsen. Paneler C och D visar samma bilder som paneler A och B men i anaglyf format. (C) i denna panel visas root massan före frysning (motsvarande panel A). (B) Detta är en bild av rötterna på samma punkt i den frysa händelsen som i panelen D. Paneler C och D måste ses med röd-blå glasögon för att se bilderna i 3D. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Kompletterande Video 1: en röd-blå anaglyf-video som visar frysning i en jordgubbe växt i 3D. Denna video skapades med hjälp av protokollet som visat här. Observera att röd-blå glasögon är nödvändigt att följa video i 3D. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Kompletterande Video 2: en röd-blå anaglyf-video som visar frysning i vete rötter i 3D. Denna video skapades med hjälp av protokollet som visat här. Observera att röd-blå glasögon är nödvändigt att följa video i 3D. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Två IR-kameror är nödvändiga för detta protokoll, och de måste inriktas på ämnet från lite olika vinklar1. Detta kommer att kräva linser vara från 5-8 cm mellanrum, men båda måste inriktas på samma ställe på motivet för att filmas. Tänk 2 kameraobjektiv som ett slags surrogat för betraktarens ögon. Vänstra kameran är jämförbar med vänster öga och rätt kameran till höger öga. Efterbearbetning programvara kommer att tona den vänstra bilden till en röd färg och den högra bilden till en blå färg, så genom att bära röd-blå Glasögon, vänster öga ser endast den vänstra bilden och höger öga bara rätt bild. Detta innebär att det är viktigt att använda paletten Gråskala av programvaran IR kamera när inspelning frysa händelsen. Hjärnan kommer att kombinera 2 bilder som betraktaren kommer att iaktta i 3D1.
En annan avgörande steg till detta protokoll är användningen av skärmen ta till fånga mjukvaran att fånga utdata från båda kamerorna samtidigt. Genom att fånga utdata från båda kamerorna samtidigt, garanteras en perfekt synkronisering av utdata från båda kamerorna. Synkronisera de högra och vänstra bilderna är en avgörande aspekt för att producera 3D-filmer och diskuteras på annat håll i detalj. 1
För att förhindra eventuella ögonansträngning, är det viktigt att vertikalt och horisontella konvergensen mellan vänster och höger bilderna är korrekta. Medan kamerorna ska placeras för att säkerställa en korrekt konvergens före inspelningen, behöver de inte vara perfekt. Efterproduktion programvaran som beskrivs här kan justeringar i höger-vänster, upp-ner och roterande konvergens. Programvaran kan även en röd-grön anaglyf video produceras om röd-blå glasögon inte är tillgängliga.
En begränsning av tekniken är kravet av röd-blå glasögon att visa 3D-videon. Det är troligt att många individer inte kommer att ha röd-blå glasögon lätt tillgängliga. Också, medan producerar en röd-blå anaglyf-video är det enklaste och billigaste sättet att producera 3D-video, röd-blå anaglyf videor kan bara förmedla en begränsad kromatisk vy av deras ämne. Detta är dock utan tvekan en obetydlig begränsning, eftersom IR-strålning, i verkligheten, kan endast observeras i gråskala. Färger uppfattas endast av människor i den synliga delen av elektromagnetisk spectrum.
Begränsade upplösningen i tidig IR teknik gjorde det svårt att avgöra de exakta platserna av is kärnbildning också som vilka vävnader isen fortplantas in i. Differentiell termisk analys9 har förbättrat förmågan att upptäcka platser av is kärnbildning; Det är dock fortfarande en 2-dimensionell perspektiv som saknar information om djup. Bristen på information ger ett begränsat perspektiv och representerar inte fullt frysning som det inträffar i den verkliga världen.
Kommersiella filmer använder olika tekniker för att visualisera bilder i 3D, det vanligaste är polarisering-sammanflätning1. De mest populära teknikerna kräver huvudbonader som är specifik för sammanvävda processen, men auto-stereoskopisk tekniker som inte kräver huvudbonader är i utvecklingsstadier1. Ingen av de 3D-rendering teknikerna, är dock tillgängliga för visning den IR-videon i 3 dimensioner. I tillägg, medan dessa tekniker ger de tydligaste 3D video tillgänglig, de kräver synkronisering samt särskild projektion enheter och reflekterande ytor som att projicera bilder1.
Att kommunicera vetenskapliga rön på tydligast möjliga sätt är grundläggande för att skapa en gemenskap som kommer att främja en effektiv och snabb framsteg i vetenskapliga upptäckter. Observationer av den värld vi lever i är alltid i 3 dimensioner, men det är svårt att korrekt representera dessa observationer använder endast 2D-bilder. Till exempel skulle det vara svårt, om inte omöjligt, att avgöra exakt vilket root(s) hade fryst i den IR imaging av frysning i vete rötter (figur 2B). Dock gör med en 3D anaglyf process det relativt enkelt att avgöra exakt vilken rot frös vid vilken tid (figur 2D). Visserligen återstår det bestämmas vilka nya uppgifter (inte kan erhållas från 2D videography) kan härledas från ett 3D-perspektiv av frysning i växter. Det är dock inte ovanligt för unik information inhämtas när analysera växtmaterial i 3D10. Med hjälp av skärmen fånga programvara för att synkronisera just höger vänster bilderna och kommersiellt tillgängliga program för att skapa en anaglyf video, alla laboratorier som använder visuella data för att förstå biologiska processer kan generera bilder och video i 3D.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av USDA intern 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).
