Protokół tworzenia trójwymiarowego obrazu wideo w podczerwieni przedstawiającego zamarzanie w roślinach
12 września 2018
Tutaj prezentujemy protokół obrazowania rośliny truskawki zamrażającej się w 3 wymiarach. Dwie kamery na podczerwień ustawione pod nieco różnymi kątami są wykorzystywane do wytworzenia czerwono-niebieskiego filmu anaglifowego, aby obserwować zamarzanie rośliny w 3 wymiarach.
Ta metoda pozwoli Ci zidentyfikować dokładną lokalizację zarodkowania i propagacji lodu w trzech wymiarach, co może być trudne w przypadku niektórych kamer na podczerwień. Zaletą tej techniki jest to, że dostarcza informacji o głębi, co nie jest możliwe w przypadku zwykłego dwuwymiarowego wideo. Ponieważ ludzie nie mogą wizualizować promieniowania podczerwonego, kamera, która wykrywa podczerwień i przekształca ją w widmo widzialne, jest jedynym sposobem wizualizacji zdarzeń generujących ciepło, takich jak zamarznięcie.
Mimo że używamy tego systemu do zilustrowania zamrażania w roślinie truskawki, można go użyć w każdym projekcie, w którym głębia jest ważna w obrazie wizualnym. Protokół może być trudny dla niektórych, ponieważ wymaga użycia oprogramowania o nieco trudnej krzywej uczenia się. Na początek, za pomocą pasków mocujących i małego klocka drewna, ustaw dwie kamery na podczerwień lub podczerwień, aby uzyskać prawidłowy kąt zbieżności soczewek.
Obie kamery muszą być skierowane na ten sam obiekt, ale pod nieco innymi kątami, odpowiadającymi odległości między oczami. Zamontuj obie kamery na gnieździe laboratoryjnym o wymiarach 10 na 10 centymetrów. Po zaprogramowaniu zamrażarki zgodnie z protokołem tekstowym, umieść w środku jedną sześciotygodniową roślinę truskawki z dwoma do pięciu kwiatami w jednolitrowym pojemniku.
Użyj podnośnika, aby ustawić obie kamery pionowo, tak aby oba obrazy zawierały całą roślinę i część gleby. Następnie, za pomocą złącza USB, podłącz obie kamery do komputera i podłącz dwa gniazdka prądu przemiennego do obu kamer, aby umożliwić ciągłe monitorowanie roślin. Aby skonfigurować komputer i oprogramowanie do nagrywania, otwórz dwa okna oprogramowania, klikając dwukrotnie ikonę oprogramowania kamery na podczerwień
.Następnie postępuj zgodnie z instrukcjami w menu pomocy, aby połączyć lewą kamerę z lewym oknem, a prawą kamerę z prawym oknem. Otwórz oprogramowanie do przechwytywania ekranu i dostosuj ramkę przechwytywania, klikając i przeciągając ramkę tak, aby obejmowała obie kamery, aby umożliwić jednoczesne przechwytywanie ekranu obu kamer. Strumienie wideo z obu kamer muszą być rejestrowane jednocześnie, aby prawy i lewy obraz były precyzyjnie zsynchronizowane.
Oprogramowanie do przechwytywania ekranu pozwoli Ci to zrobić bardzo łatwo. Następnie w menu kontrolera uruchom program zamrażania, wybierając opcję Uruchom i rozpocznij przechwytywanie ekranu. Następnie kliknij przycisk Nagrywanie w oknie i upewnij się, że kontur przedstawiający przechwytywany obszar ekranu zmieni kolor na czerwony.
Rejestruj, jak roślina truskawek zamarza do minus ośmiu stopni Celsjusza i utrzymuj temperaturę zamrażarki przez godzinę. Aby przetworzyć filmy, najpierw przekonwertuj plik MP4 z oprogramowania do przechwytywania ekranu na plik mov, korzystając z dostępnego na rynku oprogramowania do konwersji plików. Następnie kliknij dwukrotnie w dowolnym miejscu w panelu projektu, aby zaimportować interesujący Cię plik mov do oprogramowania do przetwarzania obrazu, a następnie przeciągnij plik na ikonę Kompozycja u dołu panelu projektu.
Następnie zapisz projekt w tym samym folderze, w którym znajdują się oryginalne filmy. U dołu okna podglądu kliknij ikonę Region zainteresowania i nakreśl tylko nagranie z lewej kamery. Przeciągnij ten sam film mov na ikonę Kompozycja, aby utworzyć drugą kompozycję tego samego filmu.
Następnie powtórz ten krok z prawym aparatem. Teraz wybierz Kompozycja, Przytnij kompozycję do obszaru zainteresowania dla widoku po lewej stronie. Następnie powtórz ten krok, aby uzyskać prawy widok.
Zmień nazwę każdej kompozycji, aby wskazać, która jest lewa, a która prawa. Zaznacz lewą kompozycję, klikając na nią, a następnie w menu głównym u góry wybierz Kompozycja, Dodaj do kolejki renderowania. W kolejce renderowania kliknij Moduł wyjściowy i upewnij się, że wideo zostanie wyrenderowane jako wideo.
Kliknij Output To, nazwij wideo Strawberry Left i zapisz je w tym samym folderze, co oryginalne nagranie i projekt. Kliknij przycisk Zapisz, a następnie kliknij przycisk Renderuj w prawym górnym rogu panelu renderowania. Powtórz renderowanie dla kompozycji Strawberry Right.
Następnie kliknij dwukrotnie panel projektu i zaimportuj renderowane filmy Strawberry Left i Strawberry Right. Zaznacz oba filmy i przeciągnij je na ikonę Kompozycja u dołu panelu projektu. Na wyskakującym ekranie z pytaniem o czas trwania ruchu wprowadź trzy z pięcioma zerami na czas trwania trzech godzin.
Podświetl górną warstwę panelu kompozycji i z menu u góry wybierz Efekt, Perspektywa, Okulary 3D. W panelu sterowania kliknij pole po prawej stronie widoku po lewej stronie. Wymień dwa filmy w panelu kompozycji w menu rozwijanym i zaznacz wideo na liście, aby wyświetlić je w widoku po lewej stronie.
Następnie powtórz ten krok, aby uzyskać prawy widok. W polu po prawej stronie opcji Widok 3D wybierz opcję Czerwony Niebieski LR. Używając czerwono-niebieskich okularów, sprawdź widok w panelu projektu. Jeśli widok 3D wydaje się być niepoprawny, kliknij przycisk Zamień lewo i prawo.
Dostosuj zbieżność sceny i wyrównanie w pionie, aby wyeliminować zjawy i zmęczenie oczu. Gdy aspekt 3D filmu jest akceptowalny, podświetl kompozycję, klikając ją, a następnie wybierz opcję Kompozycja, Dodaj do kolejki renderowania, jak pokazano wcześniej w tym filmie. Na koniec wyrenderuj wideo.
Ten film w podczerwieni pokazuje, że liście zamarzały w wyższej temperaturze niż kwiaty, chociaż zamrażanie niekoniecznie zaczynało się w tym samym miejscu na każdym liściu. Gdy liście zamarły, zamarzanie postępowało w dół ogonka liściowego do korony rośliny. Kiedy temperatura spadła o jeden do dwóch stopni, kwiaty zamarzały, zaczynając od kielicha, zanim rozprzestrzeniły się na płatki i pojemnik
.Porównując obraz 2D w podczerwieni z obrazem 3D w okularach, obraz 3D ułatwił precyzyjne określenie kolejności, w jakiej liście i kwiaty zamarzały. Te korzenie pszenicy zanurzono w podłożu uprawowym składającym się z torfu, a przed zamrożeniem dodano wióry lodowe, aby upewnić się, że korzenie zamarzną. Zarodkowanie zamrożenia nastąpiło około minus 0,5 stopnia Celsjusza, w połowie drogi wzdłuż korzenia po prawej stronie.
Zamarzanie następnie postępowało w górę do korony rośliny, powodując zamarzanie podstawy zewnętrznych liści, a następnie w dół do korzeni, z tyłu rośliny. Zauważ, że bez perspektywy 3D prawie niemożliwe jest określenie kolejności, w jakiej określone korzenie zamarły. Ważne jest, aby ustawić kamerę tak, aby każda z nich była skierowana w to samo miejsce na filmowanym obiekcie.
Użycie kamer, których użyliśmy w tej demonstracji, zapewni, że kąt jest odpowiedni do tworzenia anaglifowego filmu 3D. Ta procedura może być używana do generowania wideo, a także nieruchomych obrazów 3D dowolnego obiektu, wykonując tylko dwa zdjęcia pod różnymi kątami.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół obrazowania procesu zamrażania rośliny truskawki w trzech wymiarach przy użyciu kamer podczerwieni. Technika ta umożliwia wizualizację nukleacji i propagacji lodu, dostarczając informacji o głębokości, co nie jest możliwe w przypadku standardowego dwuwymiarowego wideo.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Fizjologia roślin
- Obrazowanie termiczne
- Technologia podczerwieni
Wprowadzenie
- Nukleacja lodu jest kluczowym procesem podczas zamarzania roślin.
- Kamery podczerwieni pozwalają wizualizować zdarzenia cieplne niewidoczne dla ludzkiego oka.
- Percepcja głębi jest niezbędna do zrozumienia dynamiki zamarzania.
- Metodę tę można dostosować do różnych zastosowań wymagających wizualizacji głębi.
Cel badania
- Opracowanie metody obrazowania 3D zamarzania w roślinach.
- Identyfikacja dokładnej lokalizacji tworzenia się lodu.
- Pogłębienie zrozumienia procesów zamarzania w systemach biologicznych.
Zastosowane metody
- Ustawienie dwóch kamer podczerwonych pod określonymi kątami.
- Wykorzystanie oprogramowania do przetwarzania obrazu.
- Koncepcja i stworzenie anaglyphowego filmu w kolorach czerwonym i niebieskim.
- Zastosowanie pasów mocujących oraz drewnianego bloku w celu stabilizacji kamer.
Główne wyniki
- Skuteczna wizualizacja procesu zamarzania w 3D.
- Identyfikacja miejsc nukleacji lodu.
- Demonstracja percepcji głębi w obrazowaniu termicznym.
- Potencjał zastosowania w innych projektach wymagających wizualizacji głębi.
Wnioski
- Protokół ten przedstawia nowatorskie podejście do badania zamarzania roślin.
- Informacje o głębokości pozwalają na lepsze zrozumienie dynamiki lodu.
- Dalsze badanie tej metody może przynieść korzyści w wielu dziedzinach nauki.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Trójwymiarowe obrazowanie podczerwone procesów zamarzania roślin umożliwia precyzyjne mapowanie przestrzenne nukleacji i propagacji lodu, co pozwala rozwiązać kluczowy problem ilościowego określania dynamicznych procesów termicznych w systemach biologicznych. Możliwość ta zwiększa pewność prognostyczną w screeningu fenotypowym i wspiera badania translacyjne nad odpornością upraw. Wyniki protokołu z rozdzielczością głębokości są bezpośrednio przydatne dla zespołów badawczo-rozwojowych dążących do zminimalizowania ryzyka związanego ze zmiennością biologiczną we wczesnych fazach odkrywania oraz w rozwoju modeli przedklinicznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia przestrzennie rozdzielczą identyfikację miejsc nukleacji lodu w celu mechanistycznej oceny ryzyka.
- Wspiera walidację funkcjonalną szlaków odpowiedzi na stres w modelach roślinnych.
- Zwiększa pewność prognostyczną przy wyborze systemów istotnych dla danej choroby do dalszych badań.
Przesiew i opracowanie testu
- Ułatwia opracowanie ilościowych i powtarzalnych analiz odpowiedzi na stres termiczny.
- Zapewnia standaryzowane wyniki obrazowania do porównań między różnymi warunkami.
- Umożliwia wiarygodną ocenę wpływu interwencji genetycznych lub chemicznych na dynamikę zamrażania.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie wyników fenotypowych do procesu odkrywania biomarkerów translacyjnych w potokach ulepszania roślin uprawnych.
- Zapewnia ciągłość od obrazowania na etapie odkrywania po przedkliniczną walidację cech odporności roślin.
- Zmniejsza niejednoznaczność w interpretacji złożonych zdarzeń termicznych w systemach modelowych.
Integracja rurociągów i przepływów pracy
Niniejszy protokół trójwymiarowego obrazowania w podczerwieni integruje się z kontinuum od etapu odkryć do badań przedklinicznych, dostarczając krytycznych danych przestrzennych i czasowych do testowania hipotez oraz walidacji modeli.
- Biologia odkrywcza: Umożliwia precyzyjne mapowanie zdarzeń termicznych w celu wyjaśnienia szlaków sygnałowych i ograniczania ryzyka biologicznego.
- Przesiewanie: Zapewnia powtarzalne, ilościowe wyniki obrazowania odpowiednie do standaryzacji testów.
- Analityka: Wspiera statystyczne porównanie postępu zamarzania i miejsc nukleacji w różnych warunkach eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Łączy obrazowanie na wczesnym etapie odkryć z przedkliniczną oceną cech tolerancji na stres.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje skalowalną i adaptacyjną funkcję obrazowania dla różnorodnych roślin i systemów biologicznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad odpowiedzią na stres.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje procesy obrazowania i zwiększa powtarzalność w zespołach badawczo-rozwojowych.
- Wartość strategiczna: Dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac nad rozwojem cech oraz alokacją zasobów.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację cech kandydackich i interwencji w oparciu o analizę ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obrazowaniu w podczerwieni oraz w obsłudze oprogramowania do przetwarzania wideo 3D.
- Wymaga precyzyjnego ustawienia i synchronizacji kamer w celu dokładnego rejestrowania głębi.
- Wymaga solidnej infrastruktury analitycznej do ilościowej analizy obrazu.
- Standaryzacja pomiędzy zespołami jest niezbędna dla zapewnienia powtarzalności i porównywalności danych.
- Adaptacja do innych roślin lub układów biologicznych może wymagać optymalizacji protokołu.
