通過運(yùn)動追蹤捕捉的植物生長動力學(xué)的制作方法
【專利摘要】使用運(yùn)動感測和追蹤設(shè)備以成像、監(jiān)測、追蹤、和/或測定植物生長動力學(xué)的參數(shù)(例如植物葉伸長和高度生長率)。一些實(shí)施方案關(guān)注用于對植物篩選一種或多種農(nóng)藝學(xué)性狀的存在，和/或在自動化高通量平臺上研究特定植物和栽培種的生長動力學(xué)的方法。
【專利說明】通過運(yùn)動追蹤捕捉的植物生長動力學(xué)
[0001]本申請要求基于2011年7月27日在美國專利商標(biāo)局提交的臨時申請US61/512, 291的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容在此通過提及并入。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本公開內(nèi)容涉及使用運(yùn)動感測和追蹤設(shè)備以成像、監(jiān)測、追蹤、和/或測定植物生長動力學(xué)的參數(shù)(例如植物葉伸長和高度生長率)。公開內(nèi)容的裝置及其關(guān)聯(lián)方法可以用于對植物篩選一種或多種農(nóng)藝學(xué)性狀的存在，和/或在自動化高通量平臺上研究特定植物和栽培種的生長動力學(xué)。
[0003]發(fā)明背景
[0004]生物學(xué)家長期期望精確測量并預(yù)測植物生長。使用尺的常規(guī)生長研究已經(jīng)提供了關(guān)于較長時間段里累積植物生長的有價值的信息。根據(jù)特定植物，通常以每日時間間隔采取生長參數(shù)的測量以獲得有意義的結(jié)果。由于這種相對較長的時間間隔段，喪失關(guān)于每日生長樣式和可能的生長率晝夜節(jié)律的詳細(xì)信息。此外，在測量過程中與植物的重復(fù)且短暫的物理接觸可能導(dǎo)致接觸膨大現(xiàn)象，其導(dǎo)致改變的生長行為。JafTe (1976)Z.Pflanzenphysiol.78:24-32。在物理測量植物生長時，生長測量越頻繁，植物必須的物理接觸越頻繁，由此使其生長率受到接觸膨大改變。如此，這些問題是相關(guān)的。
[0005]植物能夠快速應(yīng)答(例如，具有通過每日測量不能檢出的應(yīng)答)環(huán)境因子，諸如輻照度、光照質(zhì)量和溫度變化。例如，幾項(xiàng)短期生長研究已經(jīng)揭示了所謂的“生長率瞬變(growth-rate transient)”。此類瞬變雖然不一定對總體植物伸長做出任何顯著貢獻(xiàn)，但是其可以提供關(guān)于生長應(yīng)答動力學(xué)的現(xiàn)有差異的信息。Cosgrove (1981)PlantPhysiol.67:584-90;Gaba and Black(1983)Photochem.Photobiol.38:473-6;Kristie andJolliffe (1986)Can.J.Botany64:2399-405;及 Prat and Paresys(1995)Plant Physiol.Biochem.33:709-16。為了檢測快速的生長應(yīng)答 ，諸如生長率瞬變，合適的測量方法必須具有高得足以捕捉該現(xiàn)象的取樣頻率和高靈敏性兩者，因?yàn)榇祟惿L率變化可能小于每秒幾微米。
[0006]用于連續(xù)測量植物生長的方法從19世紀(jì)晚期使用自記生長計(autographicauxanometer)監(jiān)測莖長度的晝間生長波動起已經(jīng)得到不斷開發(fā)。參見Anderson andKerr(1943)Plant Physiol.18:261-9;及 Wilson(1948)PlantPhysiol.23:156-7。 為了獲得伸長變化的高分辨率測量，開發(fā)出新的方法以實(shí)現(xiàn)完整植物生長的精確連續(xù)記錄。參見例如Meijer (1968)Acta Bot.Neerl.17:9-14(線性可變差動變壓器(linearvariable differential transformer))。其后，位移傳感器已經(jīng)頻繁應(yīng)用于研究對光照和其它環(huán)境條件的快速生長應(yīng)答。Penny等(1974) Can.J.Botany52:959-69; Cosgrove(1981),見上文；VanVolkenburgh 等(1983)Ann.Bot.51:669-72;Lecharny 等(1985)Plant Physiol.79:625-9;Child and Smith (1987)Plantal72:219-29;Shinkleand Jones(1988)Plant Physiol.86:960-6;Prat and Paresys(1989)Plant Physiol.Biochem.27:955-62;Bertram and Karlsen(1994)Sc1.Hort.58:139-50;及 RuizFernandezand Wagner(1994)J.Plant Physiol.144:362-9。
[0007]或者，已經(jīng)使用光學(xué)生長分析方法，諸如例如干涉儀測量技術(shù)(Fox andPuffer(1976)Nature261:488-90;及 Jiang and Staude(1989)J.Exp.Bot.40:1169-73)；延時攝影(time-lapse photography) (Hart 等(I982)Plant Cell Environ.5:361-6;及Baskin 等(1985)Plant Cell Environ.8:595-603);和視像記錄(video registration)(Jaffe 等(1985)Plant Physiol.77:722-30;MacDonald 等(1987)Plant CellEnviron.10:613-7;及 Popescu 等(1989) Photochem.Photobiol.50:701-5)。這些方法具有不需要與植物物理接觸的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]發(fā)明概述
[0009]本文中描述了裝置和方法，其涉及在適合于成像、監(jiān)測、追蹤、和/或確定植物生長動力學(xué)的參數(shù)(例如植物葉伸長和高度生長率)的裝置中應(yīng)用運(yùn)動感測和追蹤技術(shù)。一些實(shí)施方案提供了對于用于捕捉植物動力學(xué)的常規(guī)系統(tǒng)，包括常規(guī)光學(xué)生長分析方法而言有利且備選的組合物和方法。用于捕捉植物動力學(xué)的常規(guī)系統(tǒng)通常涉及通過隨時間測量葉長度和植物高度的手動捕捉，或者通過使用色度或手動圖像處理來處理系列圖像的數(shù)字圖像捕捉。這兩種規(guī)程都是昂貴且勞動力密集的。本發(fā)明的一些實(shí)施方案提供了自動化平臺，其可以大大增強(qiáng)用于農(nóng)藝學(xué)性狀(例如干旱耐受性、NUE、熱耐受性、鹽耐受性，等等)的植物篩選的通量，其通過縮短數(shù)據(jù)獲得和/或分析需要的時間進(jìn)行。在具體的實(shí)施方案中，與一個或多個適合于增強(qiáng)標(biāo)志物(marker)成像以測量植物生長的照相機(jī)/攝像機(jī)(camera)結(jié)合使用反射標(biāo)志物可以提供一種用于在農(nóng)業(yè)研究田間的植物生長動力學(xué)的有效且劃算的方法。
[0010]—些實(shí)施方案可以包括植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站(plant sample growthmotion tracking and imaging station)。在具體的實(shí)施方案中，植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站可以包含樣品容積，`其適合于含有至少一個植物樣品(例如植物，植物部分或植物組織)，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物；在所述樣品容積外周安排的多個標(biāo)志物傳感器；和與所述多個標(biāo)志物傳感器偶聯(lián)的運(yùn)動捕捉處理器，以從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并且產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表示。在這些和其它實(shí)施方案中，植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站可以包含數(shù)字表示，該數(shù)字表示包含三維的空間植物生長信息和時間植物生長信息。
[0011]一些實(shí)施方案可以包含植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其包含適合于同時含有超過一個植物樣品的樣品容積。一些實(shí)施方案可以包含運(yùn)動捕捉處理器，所述運(yùn)動捕捉處理器能夠?qū)嵤﹫D像捕捉和圖像處理。在一些實(shí)施方案中，植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站進(jìn)一步包含工作站和數(shù)據(jù)存儲裝置，其中工作站和數(shù)據(jù)存儲裝置與運(yùn)動捕捉處理器偶聯(lián)。
[0012]在本文中例示的具體的實(shí)施方案中,植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站包含標(biāo)志物傳感器，其可以是照相機(jī)/攝像機(jī)(camera)。引入此類植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站中的植物樣品可以具有一個或多個標(biāo)志物，其發(fā)射通過照相機(jī)/攝像機(jī)檢測的光，或者將別處發(fā)射的光反射到照相機(jī)/攝像機(jī)以進(jìn)行檢測。在這些和其它實(shí)施方案中，植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站可以進(jìn)一步包含用于移動樣品容積而不移動與該樣品容積相關(guān)的標(biāo)志物傳感器的手段(means)。此類用于移動樣品容積而不移動與該樣品容積相關(guān)的標(biāo)志物傳感器的手段的例子是可移動高架構(gòu)臺，其包含所述多個標(biāo)志物傳感器中至少一個。[0013]本文中還描述了用于監(jiān)測植物樣品的生長動力學(xué)的方法。在一些實(shí)施方案中，此類方法可以包括:限定樣品容積，其適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物；在所述樣品容積的外周安排多個標(biāo)志物傳感器；利用所述多個標(biāo)志物傳感器獲得運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)；從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表示。在具體的實(shí)施方案中，數(shù)字表示包含三維空間信息和時間信息。
[0014]還描述了用于監(jiān)測植物樣品的生長動力學(xué)的自動化方法。在一些實(shí)施方案中，此類方法可以包括:限定樣品容積，其適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物；將多個標(biāo)志物傳感器附接于用于移動所述樣品容積而不移動與所述樣品容積相關(guān)的所述標(biāo)志物傳感器的手段；在所述樣品容積外周安排所述多個標(biāo)志物傳感器；將植物樣品引入所述樣品容積中，所述植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物；利用所述多個標(biāo)志物傳感器獲得運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)；用接著的植物樣品重復(fù)樣品引入和數(shù)據(jù)獲得；并從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表示。
[0015]在一些實(shí)施方案中，這些手動和自動化方法可以用于對植物樣品篩選感興趣的生長性狀。在這些和其它實(shí)施方案中，該方法可以包括:限定樣品容積，其適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物；在所述樣品容積外周安排所述多個標(biāo)志物傳感器；將植物樣品引入所述樣品容積中，所述植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物；利用所述多個標(biāo)志物傳感器獲得運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)；從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表示；并分析數(shù)字反映以測定該植物樣品是否包含所述感興趣的生長性狀。
[0016]使用依照一些實(shí)施方案的篩選方法可以大大便于植物生長表型的鑒定和研究，及具有此類表型的植物和植物栽培種的識別，即使在此類表型難以或不可能通過常規(guī)技術(shù)和方法識別時。例如，可以依照本發(fā)明的具體實(shí)施方案將植物部分或組織中代表短暫或動態(tài)發(fā)生的植物生長的較小變化察覺、測量、和建模，即使在這些短暫或動態(tài)過程對于肉眼或具有低取樣頻率的測量技術(shù)看`不見時。
[0017]從參照附圖進(jìn)行的幾個實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述看，以上和其它特征會變得更加顯而易見。
[0018]附圖簡述
[0019]圖1包括框圖，其顯示了依照一些實(shí)施方案的裝置。
[0020]圖2包括具有多個照相機(jī)/攝像機(jī)的樣品容積的俯視圖，所述照相機(jī)/攝像機(jī)適合于增強(qiáng)標(biāo)志物的成像以對樣品容積內(nèi)安排的植物生長成像。
[0021]圖3包括具有多個照相機(jī)/攝像機(jī)的樣品容積的側(cè)視圖，所述照相機(jī)/攝像機(jī)適合于增強(qiáng)標(biāo)志物的成像以對樣品容積內(nèi)安排的植物生長成像。
[0022]圖4包括樣品容積的俯視圖，其顯示了多個照相機(jī)/攝像機(jī)相對于樣品容積象限的例示性安排。
[0023]圖5包括樣品容積的俯視圖，其顯示了多個照相機(jī)/攝像機(jī)相對于樣品容積邊角的例示性安排。
[0024]圖6a包括依照一些實(shí)施方案的例示性裝置的例示,包括運(yùn)動追蹤成像站，與自動化高架構(gòu)臺連接的照相機(jī)/攝像機(jī)陣列，附接設(shè)備，和設(shè)備連接。圖6b顯示了此類裝置的另一個例子，包括高通量重量分析自動化平臺。
[0025]圖7包括可用于三維坐標(biāo)距離計算和動力學(xué)分析的方程。
[0026]圖8包括追蹤工具圖像捕捉屏幕截圖的屏幕截圖照片，及相對于集表面水準(zhǔn)面(set surface level plane)在視場中檢測的標(biāo)志物集(marker set)。
[0027]圖9包括從最初位置至最終位置的空間三維位置的每日變化。
[0028]圖10包括隨時間的與三個不同葉附接的標(biāo)志物的累積位移(以米計的數(shù)值)。
[0029]圖11包括在12天過程里追蹤工具圖像捕捉的屏幕截圖照片。
[0030]圖12包括使用運(yùn)動追蹤工具測量的多個植物的每日葉位移數(shù)值。
[0031]發(fā)明詳述
[0032]1.幾個實(shí)施方案的概述
[0033]本文中描述了特定改編的運(yùn)動追蹤設(shè)備及其使用方法，用于成像、監(jiān)測、追蹤、和/或測定植物生長動力學(xué)的參數(shù)。在一些實(shí)施方案中，標(biāo)志物與一組標(biāo)志物傳感器結(jié)合使用，所述標(biāo)志物傳感器適合于增強(qiáng)標(biāo)志物的檢測以隨時間測定植物、植物部分、或植物組織上的固定地點(diǎn)的位置。可以從此類時間依賴性位置數(shù)據(jù)計算并推斷植物生長動力學(xué)的參數(shù)。在具體的實(shí)施方案中，通過運(yùn)動追蹤捕捉植物生長的組合物、方法和/或裝置可以用于比較相同或不同環(huán)境條件下的個別植物的生長，由此提供相對便宜的，快速的，和/或高通量的用于對植物篩選特定農(nóng)藝學(xué)性狀的系統(tǒng)。
[0034]本公開系統(tǒng)的廣 泛效用已經(jīng)通過檢測灌溉良好的和經(jīng)干旱處理的植物之間的生長率差異來例示并驗(yàn)證，所述差異可以避免常規(guī)工具和方法的檢測。如此，一些實(shí)施方案包括對植物篩選對植物生長具有影響的性狀或表型的方法。此類性狀和表型包括例如但不限于干旱耐受性、NUE、熱耐受性和鹽耐受性。
[0035]在某些例示性的實(shí)施方案中，可以對植物樣品(例如植物，植物部分或植物組織)的表面應(yīng)用反射標(biāo)志物材料?？梢栽诓粨p害植物樣品的情況下應(yīng)用標(biāo)志物，并且標(biāo)志物可以在溫室條件下對至少一個標(biāo)志物傳感器保持可見達(dá)計劃生長實(shí)驗(yàn)的長度?？梢詼y定標(biāo)志物的位置，例如但不限于通過在完全黑暗條件下使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字照相機(jī)/攝像機(jī)閃光進(jìn)行?？梢酝ㄟ^在二維平面上和/或在三維體積中的圖像分析追蹤標(biāo)志物材料隨時間的位置。
[0036]在這些和其它實(shí)施方案中，運(yùn)動感測和追蹤設(shè)備和裝置可以是自動化的，并且其可以便于在從業(yè)人員與樣品植物之間具有最小物理相互作用的情況下的高通量數(shù)據(jù)獲得和分析。
[0037]I1.縮寫
[0038]ATSC 由高級電視系統(tǒng)委員會(Advanced Television Systems ￡ommittee)開發(fā)的數(shù)字電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)
[0039]CG計算機(jī)圖形學(xué)
[0040]IR紅外線
[0041]LED發(fā)光二極管
[0042]NUE氮使用效率
[0043]NTSC 由國家電視系統(tǒng)委員會(Rational Television Systems ￡ommittee)開發(fā)的類似電視傳輸標(biāo)準(zhǔn)[0044]V4第四片葉階段
[0045]V6第六片葉階段
[0046]III.術(shù)語
[0047]幀(frame):如本文中使用的，術(shù)語“幀”指計算通過運(yùn)動追蹤捕捉的標(biāo)志物的位置的一段時間或不同時間段的集合。例如，在一些實(shí)施方案中，幀可以是在計算標(biāo)志物位置時開始，并且在計算接著的標(biāo)志物位置時結(jié)束的時段。在這些和其它實(shí)施方案中，幀可以包括開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)計算之間的別的標(biāo)志物位置計算。例如，幀可以是進(jìn)行完全運(yùn)動追蹤研究或?qū)嶒?yàn)的時間段。在一些例子中，此完全幀又可以稱為“完全取樣時段”。
[0048]標(biāo)志物:如本文中使用的，術(shù)語“標(biāo)志物”指用于對空間中的三維物體產(chǎn)生特定位置的手段。標(biāo)志物在特定時間時在空間中的位置可以通過標(biāo)志物傳感器(例如照相機(jī)/攝像機(jī))確定。標(biāo)志物包括但不限于被動標(biāo)志物(被動marker),主動標(biāo)志物(active marker),反射標(biāo)志物(reflective marker),回射標(biāo)志物(retro-reflectivemarker), LED標(biāo)志物，感光性標(biāo)志物(photosensitive marker),無線電發(fā)射機(jī)標(biāo)志物(radio-transmitter marker),聲學(xué)標(biāo)志物(acoustic markers),慣性標(biāo)志物(inertialmarker),磁性標(biāo)志物(magnetic marker),和任何上述物質(zhì)的組合。在一些實(shí)施方案中，反射標(biāo)志物可以通過從照相機(jī)/攝像機(jī)鏡頭(例如具有照相機(jī)/攝像機(jī)鏡頭上的IR濾過器(pass filter))周圍或之上安裝的LED發(fā)射的特定波長或波長范圍的光(例如IR)照明，并且反射標(biāo)志物可以將光反射到照相機(jī)/攝像機(jī)鏡頭，該照相機(jī)/攝像機(jī)鏡頭可以檢測反射光。在具體的實(shí)施方案中，高度反射珠標(biāo)志物與一個或多個照相機(jī)/攝像機(jī)結(jié)合使用，該照相機(jī)/攝像機(jī)適合于增強(qiáng)標(biāo)志物成像以對植物生長成像。照相機(jī)/攝像機(jī)可以適合于例如經(jīng)由使用濾器來增強(qiáng)標(biāo)志物成像。
[0049]形心(Centroid):標(biāo)志物的形心是捕捉的二維圖像內(nèi)評估的位置。在利用照相機(jī)/攝像機(jī)作為標(biāo)志物傳感器的實(shí)施方案中，可以使用由照相機(jī)/攝像機(jī)獲得的每個像素的灰度值來以亞像素精確性評估特定標(biāo)志物的形心位置，其通過尋找標(biāo)志物位置的擬合高斯函數(shù)的形心進(jìn)行。
[0050]運(yùn)動追蹤:如本文中使用的，“運(yùn)動追蹤”涵蓋用于在樣品容積中隨時間記錄和/或計算三維物體上的一個或多個位置的位移的大而不同的技術(shù)集合(例如基于圖像的系統(tǒng)，諸如光學(xué)系統(tǒng))。基于圖像的系統(tǒng)通過使用多個照相機(jī)/攝像機(jī)以各自記錄點(diǎn)在二維圖像中的位置，來測定三維物體上的預(yù)定點(diǎn)在三維中的位置(例如標(biāo)志物位置)。經(jīng)由捕捉與序貫幀對應(yīng)的樣品容積(包括物體)的多個二維圖像記錄/計算位移。立體測定技術(shù)(stereometric technique)關(guān)聯(lián)(correlate)每幅圖像中物體上的預(yù)定點(diǎn)，并且與每幅圖像間的已知關(guān)聯(lián)和照相機(jī)/攝像機(jī)參數(shù)一起使用此關(guān)聯(lián)信息以計算點(diǎn)位置。
[0051]光學(xué)運(yùn)動追蹤系統(tǒng)(“光學(xué)系統(tǒng)”)利用從光學(xué)標(biāo)志物傳感器捕捉的數(shù)據(jù)來將一個或多個照相機(jī)/攝像機(jī)(“捕捉區(qū)”)的視場中標(biāo)志物的三維位置分成三角形，所述照相機(jī)/攝像機(jī)校正為提供重疊的二維圖像投影。追蹤樣品容積中的大量物體，或者擴(kuò)大捕捉區(qū)可以通過添加更多照相機(jī)/攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施方案中，光學(xué)系統(tǒng)以對每個標(biāo)志物的三個自由度產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并且旋轉(zhuǎn)信息可以從三個或更多個標(biāo)志物的相對取向推斷。在光學(xué)運(yùn)動追蹤系統(tǒng)的發(fā)展早期，此類系統(tǒng)可以僅追蹤一個樣品容積中的約12個標(biāo)志物。然而，新近的光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)時同時追蹤超過100個標(biāo)志物。[0052]光學(xué)運(yùn)動追蹤系統(tǒng)可以使用本領(lǐng)域中已知的許多發(fā)光系統(tǒng)之任一種。例如，“結(jié)構(gòu)化光系統(tǒng)”使用激光或成束光來創(chuàng)建掃過樣品容積的光平面?；诿}沖式LED的光學(xué)系統(tǒng)測量在物體上預(yù)定點(diǎn)處放置的一個或多個LED發(fā)射的光。基于反射標(biāo)志物的光學(xué)系統(tǒng)測量由一個或多個標(biāo)志物(各置于物體上的預(yù)定點(diǎn)處)反射的光。無論何時需要的光路(諸如從反射標(biāo)志物至感光性標(biāo)志物傳感器的路徑)被阻斷，光學(xué)系統(tǒng)潛在受到遮擋(occlusion)(視線)問題。來自其它光源或反射的干擾也可以是樣品容積中可檢出此類其它光源或反射的實(shí)施方案中的一個問題。此類干擾可以導(dǎo)致“幽靈標(biāo)志物(ghost marker)”。
[0053]基于不使用標(biāo)志物的照相機(jī)/攝像機(jī)物體運(yùn)動追蹤的光學(xué)系統(tǒng)也是有可能的(“無標(biāo)志物運(yùn)動追蹤(markerless motion tracking) ”)，但是一般沒有基于標(biāo)志物的系統(tǒng)精確。不過，在一些實(shí)施方案中，在物體與標(biāo)志物的物理接觸期望完全避免的情況中，無標(biāo)志物運(yùn)動追蹤可以是期望的。在下文更為詳細(xì)描述無標(biāo)志物運(yùn)動追蹤。
[0054]“主動光學(xué)系統(tǒng)”通過每次非?？斓卣彰饕粋€光源標(biāo)志物(例如位于標(biāo)志物之中或之上的LED)，或每次照明多個光源標(biāo)志物，并且使用軟件通過其相對位置鑒定標(biāo)志物，來將標(biāo)志物位置分成三角形。在主動光學(xué)系統(tǒng)中，與外部產(chǎn)生的反射光不同，標(biāo)志物自身發(fā)射其自身的光。通過在距離的兩倍時提供冪(power)的1/4(平方反比定律)，主動光學(xué)系統(tǒng)可以增加距離和樣品容積以進(jìn)行運(yùn)動捕捉?？梢耘c捕捉系統(tǒng)同相序貫提供每個標(biāo)志物的冪，由此對給定捕捉幀提供每個標(biāo)志物的獨(dú)特鑒定。以此方式鑒定每個標(biāo)志物的能力可以用于實(shí)時應(yīng)用。在主動光學(xué)系統(tǒng)中鑒定標(biāo)志物的備選方法是將其用算法進(jìn)行。
[0055]主動標(biāo)志物系統(tǒng)可以通過每次照明一個標(biāo)志物(即“選通”(strobing))，或者隨時間追蹤多個標(biāo)志物并調(diào)控振幅或脈沖寬度以獨(dú)特鑒定特定標(biāo)志物，來進(jìn)一步精修。獨(dú)特的標(biāo)志物鑒定可以縮短數(shù)據(jù)處理需要的時間，例如通過消除標(biāo)志物交換，并且比其它技術(shù)提供干凈得多的數(shù)據(jù)來進(jìn)行。具有載式處理(onboard processing)和無線電同步(radiosynchronization)的LED容許直接陽光下的戶外運(yùn)動捕捉，同時經(jīng)由使用高速電子快門每秒捕捉至少480幀。調(diào)整的標(biāo)志物的計算機(jī)處理容許較少的“手動清理”或過濾結(jié)果，如此可以導(dǎo)致較低的操作成本。
[0056]“被動光學(xué)系統(tǒng)”使用從反射材料構(gòu)建或包被有反射材料以將別處發(fā)射的光反射至照相機(jī)/攝像機(jī)鏡頭的標(biāo)志物。在具體的實(shí)施方案中，可以調(diào)節(jié)反射性標(biāo)志物傳感器的閾值，使得僅會將反射性標(biāo)志物取樣，例如以排除由天然植物材料反射的光。與主動系統(tǒng)和磁性系統(tǒng)不同，被動系統(tǒng)不需要將線或電子設(shè)備附接于追蹤的物體。取而代之，可以僅將小物體(例如橡皮球或珠)附接于運(yùn)動物體上的位置?？梢酝ㄟ^任何合適的附接手段(例如，膠帶、Velcro、結(jié)，等等)附接這些小物體。小物體可以自身是反射性的，或者可以用反射性附接手段將非反射性物體附接于移動物體。用于被動光學(xué)系統(tǒng)的反射性標(biāo)志物可以比主動系統(tǒng)標(biāo)志物更小且更輕，且如此其使用可以導(dǎo)致對生長植物更小的物理干擾。因而，在一些實(shí)施方案中，被動光學(xué)系統(tǒng)是優(yōu)選的。
[0057]在一些實(shí)施方案中，也可以使用“非傳統(tǒng)運(yùn)動追蹤”，其中特殊建立的多LED IR投射器光學(xué)編碼樣品容積，并且感光性標(biāo)志物解碼光學(xué)信號。一個此類非傳統(tǒng)系統(tǒng)的例子是Prakash?,其使用多LED高速投射器。通過將具有光傳感器的“解碼標(biāo)志物”(如此稱謂是因?yàn)檫@些標(biāo)志物解碼信號，而不是轉(zhuǎn)送由不同設(shè)備解碼的信號)與樣品容積中植物上的位置附接，解碼標(biāo)志物可以不僅隨時間計算其在樣品容積中的自身位置，而且還計算其取向，入射照明，和反射率。此類解碼標(biāo)志物可以在天然光照條件中運(yùn)行，并且可以通過任何合適的附接手段附接于植物上的位置。非傳統(tǒng)運(yùn)動追蹤系統(tǒng)可以支持樣品容積中無限數(shù)目的標(biāo)志物，獨(dú)特鑒定每個標(biāo)志物以消除標(biāo)志物重新取得問題。由于此類系統(tǒng)可以消除對高速照相機(jī)/攝像機(jī)和相應(yīng)的高速圖像流的需要，它需要顯著更低的數(shù)據(jù)帶寬。如先前注意到的，解碼標(biāo)志物還可以提供入射照明數(shù)據(jù)，其可以用于隨時間監(jiān)測標(biāo)志物位置處由植物經(jīng)歷的光變化。
[0058]無標(biāo)志物運(yùn)動捕捉:“無標(biāo)志物運(yùn)動捕捉”領(lǐng)域最近有快速的開發(fā)。目前的無標(biāo)志物系統(tǒng)在很大程度上基于樣式識別的計算機(jī)視覺技術(shù)(computer vision technique),并且它們經(jīng)常需要相當(dāng)大的計算資源。特殊的計算機(jī)算法已經(jīng)設(shè)計為容許該系統(tǒng)分析多個光學(xué)輸入流，鑒定樣品容積中含有的物體形式，并且將物體用計算機(jī)簡化成組成部分進(jìn)行追蹤。例如，用于無標(biāo)志物運(yùn)動追蹤的方法的例子記載于美國專利7，257，237。
[0059]性狀:如本文中使用的，術(shù)語“性狀”指個體的可測量的特征。某些性狀可以用于將幾個個體分組或定型為單一分組。術(shù)語“性狀”和“表型”在本文中可互換使用。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中特別感興趣的是與植物生長和/或形態(tài)學(xué)相關(guān)的性狀。
[0060]一些實(shí)施方案包括一種或多種“農(nóng)藝學(xué)性狀”。如本文中使用的，術(shù)語“農(nóng)藝學(xué)性狀”可以指性狀，諸如例如但不限于升高或改變的生長特征，應(yīng)激耐受性(例如干旱、NUE、熱、鹽，等等)，疾病和昆蟲抗性，改良的種子油組成，改良的種子蛋白質(zhì)，和在轉(zhuǎn)基因生物體中表達(dá)一種或多種轉(zhuǎn)基因。一些例子包括導(dǎo)致特定環(huán)境條件或一組條件下升高或降低的植物生長的農(nóng)藝學(xué)性狀。
[0061]IV.通過運(yùn)動追蹤和成像來捕捉植物生長動力學(xué)
[0062]本文中描述的方法和組合物采用運(yùn)動感測和追蹤來解決植物生長、形態(tài)學(xué)和生理學(xué)中的問題。在一些實(shí)施方案中，可以利用運(yùn)動感測和追蹤設(shè)備，軟件和技術(shù)來精確量化植物生長的參數(shù)，例如植物葉`伸長，和植物高度。在具體的實(shí)施方案中，可以實(shí)時，且任選地以完全自動化方式量化此類參數(shù)。
[0063]圖像獲得
[0064]通常，運(yùn)動追蹤利用三維空間(在本文中的一些地方成為“樣品容積”)中的一種或多種標(biāo)志物，并且運(yùn)動追蹤設(shè)備配置為精確定位所述空間中的標(biāo)志物。運(yùn)動追蹤設(shè)備可以用于以高頻率對標(biāo)志物位置取樣。在分析一系列此類樣品時，可以重新構(gòu)建實(shí)驗(yàn)時間里的標(biāo)志物運(yùn)動。在光學(xué)系統(tǒng)中，成像的時間間隔的選擇取決于例如在其發(fā)生時捕捉物體位移需要的速度。根據(jù)使用的光源，時間間隔的選擇也可以取決于系統(tǒng)的需要(例如由于激光對植物的損害影響而其保持較低)。使用的標(biāo)志物的大小可以影響標(biāo)志物位置取樣的靈敏性。然而，通過定位標(biāo)志物的形心，可以測量比標(biāo)志物的直徑或?qū)挾刃〉奈灰啤?br> [0065]例如，當(dāng)標(biāo)志物和標(biāo)志物傳感器之間需要的光路被植物生長期間在標(biāo)志物和傳感器之間移動的植物部分阻斷時，在光學(xué)運(yùn)動追蹤系統(tǒng)中發(fā)生遮擋?？梢酝ㄟ^使用更多照相機(jī)/攝像機(jī)來克服遮擋。此外，在標(biāo)志物從視野丟失時，可以使用手動后處理來恢復(fù)軌道。在一些實(shí)施方案中，使用的特定照相機(jī)/攝像機(jī)的選擇在從業(yè)人員的判斷內(nèi)，并且可以涉及考慮許多變量，包括例如不限于與其它設(shè)備的兼容性，成本，視場，移動空間，圖像獲得率，和分辨率。例如，特定照相機(jī)/攝像機(jī)一般在聚焦于較小視場時可以提供較大的位移分辨率，但是這限制可以追蹤的位置的大小?？紤]到特定系統(tǒng)的此類限制，可以在其應(yīng)用前在此類系統(tǒng)的情況中利用分析，處理，和整理數(shù)據(jù)的后處理規(guī)程。
[0066]在利用光學(xué)系統(tǒng)的一些實(shí)施方案中，可以使用具有在已知位置處附接的標(biāo)志物的物體來校正照相機(jī)/攝像機(jī)并且獲得其位置，并且可以測量每個照相機(jī)/攝像機(jī)的透鏡畸變(lens distortion)。若兩個校正的照相機(jī)/攝像機(jī)可以定位其二維成像場中每個中的特定標(biāo)志物，則可以獲得標(biāo)志物的三維位置。在一些實(shí)施方案中，光學(xué)系統(tǒng)可以包含約2，3，或更多個照相機(jī)/攝像機(jī)。例如，在具體的實(shí)施方案中，光學(xué)系統(tǒng)可以包含約2-約25個照相機(jī) / 攝像機(jī)(例如 I, 2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23，24，25，26，和27個照相機(jī)/攝像機(jī))。存在超過100個照相機(jī)/攝像機(jī)的系統(tǒng)以降低標(biāo)志物交換。在一些例子中可以需要添加更多照相機(jī)/攝像機(jī)以提供樣品容積的完全覆蓋及追蹤多個植物中的運(yùn)動?！皹?biāo)準(zhǔn)物交換”可以在利用標(biāo)志物的實(shí)施方案中發(fā)生，該標(biāo)志物就標(biāo)志物傳感器而言是相同的。降低標(biāo)志物交換的約束軟件是幾個來源可購得的。
[0067]在一些實(shí)施方案中，光學(xué)運(yùn)動追蹤系統(tǒng)可以以高達(dá)例如2000Hz的幀率捕捉大量標(biāo)志物。給定物可用的幀率是分辨率和速度之間的平衡。NTSC視像通常提供約30Hz的取樣速率。本領(lǐng)域技術(shù)人員會領(lǐng)會大多數(shù)植物生長過程以如下的速率發(fā)生，所述速率慢得足以使它們可以以低得多的取樣速率成功追蹤。如此，NTSC或ATSC視像一般對于大多數(shù)應(yīng)用且在大多數(shù)實(shí)施方案中會是足夠的。
[0068]在本發(fā)明的實(shí)施方案中，可以使用任何運(yùn)動追蹤系統(tǒng)，并且鑒于要追蹤的植物生長現(xiàn)象，和其它設(shè)計考慮，特定系統(tǒng)的選擇在從業(yè)人員的判斷內(nèi)。例如但不限于，在具體的實(shí)施方案中可以使用基于圖像的系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)，主動系統(tǒng)，被動系統(tǒng)，非傳統(tǒng)系統(tǒng)，無標(biāo)志物光學(xué)系統(tǒng)，磁性系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)，和射頻系統(tǒng)?？梢杂糜诰唧w的實(shí)施方案的光學(xué)運(yùn)動追蹤系統(tǒng)包括例如但不限于MX?照相機(jī)/攝像機(jī)系統(tǒng)(Vicon Peaks Inc.),OptiTrack? (Natural Point Inc.)JPHawk Digital System? (Motion Analysis Corp.)。
[0069]圖像處理
[0070]在一些實(shí)施方 案中，圖像處理和分析可以在運(yùn)動追蹤系統(tǒng)等中使用，以測定樣品容積中存在的植物和植物組織的形狀和大小，以及測定此類植物和植物組織上離散位置間的時空關(guān)系。圖像處理可以產(chǎn)生用于設(shè)計，驗(yàn)證，和優(yōu)化植物生長過程模型的數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)(本發(fā)明的其實(shí)施方案容許以宏觀植物生長過程的不能預(yù)見到的精確性獲得)容許裝配實(shí)際的計算表示(computational representation),該計算表示描繪生長的植物、植物部分、和植物組織的幾何學(xué)，及其間的連接網(wǎng)絡(luò)，這可以形成機(jī)械模型的基礎(chǔ)。一般地，圖像處理可以提供生長植物、植物部分和植物組織的詳細(xì)幾何描述(其對于在植物生長時其重新確定大小和重新確定形狀是必需的)，這可以形成生長模型的基礎(chǔ)。圖像處理的一些例示性方面可以包括顯現(xiàn)時空數(shù)據(jù)；分割(segmentation)(從圖像提取特征)；計算生長；和/或創(chuàng)建模型的實(shí)際幾何學(xué)。
[0071]顯現(xiàn)時空數(shù)據(jù):顯現(xiàn)由光學(xué)移動追蹤系統(tǒng)產(chǎn)生的時空數(shù)據(jù)集一般需要專門的軟件。具有體繪制能力的圖像分析包容許創(chuàng)建三維顯現(xiàn)，其可以自由旋轉(zhuǎn)并修剪。反差增強(qiáng)，噪音降低，去模糊，和類似的規(guī)程也可以增強(qiáng)制備進(jìn)行分割的圖像。
[0072]分割:形狀和大小的計算可以以圖像處理途徑，包括分割的輸出測定。圖像分割是將圖像區(qū)分成各代表單一均質(zhì)物體的不同區(qū)域的方法。Gonzalez and Woods (2008) DigitalImaRe ProcessinR.Upper Saddle River, N.J.:Prentice Hall。就量化形態(tài)學(xué)而言，分割產(chǎn)生數(shù)字掩碼(digital mask),可以從該數(shù)字掩碼中對每個分割物體(例如植物部分或組織)計算體積、面積、長度、和形狀特征。分割也可以用于計算物體間的連接性(拓?fù)鋵W(xué))，其通過對每個物體產(chǎn)生數(shù)字掩碼，隨后尋找其近鄰(neighbor)進(jìn)行。
[0073]將成像轉(zhuǎn)化成模型的實(shí)際幾何學(xué):來自二維圖像的植物、植物部分、和/或植物組織幾何學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)之間的時空關(guān)系的重新構(gòu)建容許構(gòu)建植物生長過程模擬需要的有限元網(wǎng)格。
[0074]V.植物生長運(yùn)動追蹤和成像站
[0075]依照前述內(nèi)容，一些實(shí)施方案包括用于捕捉植物生長動力學(xué)數(shù)據(jù)的裝置和方法，其包含樣品容積，該樣品容積適合于含有至少一個植物樣品(例如植物，植物部分或植物組織)，該植物樣品具有限定樣品上的一個或多個物理位置的位置標(biāo)志物。樣品容積可以具有任何期望的幾何形狀，例如但不限于卵形、圓形、矩形、正方形和多邊形。多個標(biāo)志物傳感器(例如照相機(jī)/攝像機(jī))以在樣品容積外周周圍，沿著樣品容積外周，或者在樣品容積外周內(nèi)安排。標(biāo)志物傳感器可以安排為使得在植物生長時的位置標(biāo)志物在數(shù)據(jù)獲得期期間在基本上所有時間在至少一個標(biāo)志物傳感器的視場內(nèi)。運(yùn)動捕捉處理器可以與標(biāo)志物傳感器偶聯(lián)以產(chǎn)生數(shù)字模型，該數(shù)字模型反映數(shù)據(jù)獲得期期間的標(biāo)志物移動(即此時段期間的植物樣品的生長)。
[0076]在一些實(shí)施方案中，樣品容積可以包含細(xì)分成多個象限的平面區(qū)。象限可以各自進(jìn)一步包含多個與樣品容積外周重合的邊緣。多個標(biāo)志物傳感器可以包含在樣品容積的最低點(diǎn)上的第一高度布置的多個標(biāo)志物傳感器的第一部分，和在樣品容積的最低點(diǎn)上大于第一高度的第二高度處布置的多個標(biāo)志物傳感器的至少第二部分。在一些實(shí)施方案中，樣品容積還可以包含至少一個光源(例如偏振光源，和過濾光源)，其取向?yàn)檎彰髡麄€或部分的樣品容積。例如，光源可以取向?yàn)檎彰鳂悠啡莘e內(nèi)生長的整個或部分的植物。在具體的例子中，多個標(biāo)志物傳感器的每個標(biāo)志物傳感器可以包含光源。在這些和其它例子中，每個標(biāo)志物傳感器可以包含偏振濾器`以阻斷來自樣品容積間布置的一些或所有別的光源的偏振光。
[0077]首先參考圖1，框圖顯示了依照一些實(shí)施方案的例示性運(yùn)動追蹤系統(tǒng)10。運(yùn)動追蹤系統(tǒng)10包含運(yùn)動捕捉處理器12，其適合于與多個標(biāo)志物傳感器(例如照相機(jī)/攝像機(jī))H1-Hn通信。運(yùn)動捕捉處理器12可以包含具有數(shù)據(jù)存儲裝置16的可編程計算機(jī)，該數(shù)據(jù)存儲裝置16適合于實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)文件的存儲。計算機(jī)工作站18可以使用網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)動捕捉處理器12偶聯(lián)以便于數(shù)據(jù)獲得，存儲和/或分析。標(biāo)志物傳感器H1-Hn可以相對于樣品容積安排以捕捉樣品容積內(nèi)生長的一個或多個植物樣品的表面上固定點(diǎn)隨時間的位置。
[0078]至少一個植物樣品可以用標(biāo)志物標(biāo)記，所述標(biāo)志物在植物樣品位于樣品容積內(nèi)的時間段期間通過標(biāo)志物傳感器H1-Hn檢測。標(biāo)志物可以是例如但不限于反射元件(例如珠、帶、和顏料)、回射元件、照明元件、LED、和無線電發(fā)射機(jī)標(biāo)簽(參見美國專利7，009，561)。或者，在其它實(shí)施方案(例如那些利用無標(biāo)志物運(yùn)動追蹤的實(shí)施方案)中，至少一個不用標(biāo)志物標(biāo)記的植物樣品可以在取樣時間期期間位于樣品容積內(nèi)。在具體的例子中，植物樣品可以用一種或多種標(biāo)志物(例如反射珠)標(biāo)記，所述標(biāo)志物布置于植物樣品上的一個或多個位置，例如但不限于枝條系統(tǒng)；根系統(tǒng)(在根系統(tǒng)在特定標(biāo)志物信號可以通過的培養(yǎng)基，諸如半透明生長培養(yǎng)基中生長時);枝條尖端；頂芽；表皮；花；側(cè)芽；節(jié)；節(jié)間；葉；葉端；頂端分生組織；側(cè)生分生組織；和基本組織(ground tissue)上的位置。[0079]一個標(biāo)志物，或超過一個標(biāo)志物的增加量的標(biāo)志物可以用于標(biāo)記單一植物樣品。例如但不限于，在某些實(shí)施方案中可以使用1,2, 3,4, 5,6, 7,8,9, 10，約20，約30，約40，約50，或更多個標(biāo)志物。增加量的標(biāo)志物的使用可以提供最終獲得的植物生長測量的分辨率的相應(yīng)增加。標(biāo)志物可以具有例如至少約2毫米(例如約2mm,約4mm,約6mm,約8mm,約IOmm,約15mm,約20mm,約25mm,約30mm,約40mm,約50mm,約75mm,或更多)的寬度或直徑。一種或多種具有任何直徑的標(biāo)志物的形心的位置可以通過圖像分析領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法計算。
[0080]運(yùn)動捕捉處理器12處理從標(biāo)志物傳感器H1-Hn接收的二維圖像以產(chǎn)生捕捉運(yùn)動的三維數(shù)字表示。特別地，運(yùn)動捕捉處理器12可以從每個照相機(jī)/攝像機(jī)接收二維數(shù)據(jù)，并且以多種數(shù)據(jù)文件形式將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)存儲裝置16中作為圖像捕捉過程的一部分。然后，可以將二維數(shù)據(jù)文件解析成單一組的三維坐標(biāo)作為圖像處理過程的一部分，該三維坐標(biāo)以代表個別標(biāo)志物運(yùn)動的軌道文件形式聯(lián)系在一起。圖像處理過程使用來自一個或多個標(biāo)志物傳感器的圖像以確定每個標(biāo)志物的位置。例如，由于樣品容積內(nèi)植物部分或其它元件的遮擋，標(biāo)志物可以僅對某個子集的標(biāo)志物傳感器可見。在所述情況中，運(yùn)動捕捉處理器12的圖像處理功能使用來自其它標(biāo)志物傳感器的圖像，該其它標(biāo)志物傳感器具有所述標(biāo)志物的無遮擋視野以測定標(biāo)志物在空間中的位置。
[0081]通過使用來自多個照相機(jī)/攝像機(jī)的圖像來測定標(biāo)志物的位置，圖像處理功能評估來自多個角度的圖像信息并且使用三角測量方法來測定空間位置。然后，對軌道文件實(shí)施動力學(xué)計算以產(chǎn)生數(shù)字表示，該數(shù)字表示反映例如與植物生長對應(yīng)的植物部分和/或植物組織的延長或位移。使用隨時間的空間信息，計算確定每個標(biāo)志物在其通過空間時的過程?？梢允褂煤线m的數(shù)據(jù)管理方法來控制大量與整個過程有關(guān)/來自數(shù)據(jù)存儲裝置16的文件的存儲和檢索。運(yùn)動捕捉處理器12或連接的工作站18可以利用商業(yè)軟件包(諸如可購自Vicon Motion Systems, Motion Analysis Corp.,等等)以實(shí)施這些和其它數(shù)據(jù)處理功能。
[0082]圖2和3顯示了 依照一些實(shí)施方案的例示性樣品容積20，其圍繞有多個運(yùn)動捕捉照相機(jī)/攝像機(jī)。樣品容積20包含外周邊緣22。樣品容積20以由網(wǎng)格線細(xì)分的矩形形狀的區(qū)域顯示。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，樣品容積20實(shí)際上包含三維空間，網(wǎng)格限定樣品容積20的最低點(diǎn)(例如最低的截面表面)。會在三維空間內(nèi)在最低點(diǎn)(或表面)上捕捉運(yùn)動。在一些實(shí)施方案中，樣品容積20包含約4英尺X約4英尺的最小表面，高度在最低表面上約8英尺。依照從業(yè)人員的判斷，其它大小和形狀的樣品容積也可以視其需要而選擇用于特定應(yīng)用(例如要在樣品容積中種植的植物的大小和要測量的標(biāo)志物位移的大小)。
[0083]圖2顯示了具有多個運(yùn)動捕捉照相機(jī)/攝像機(jī)的依照一些實(shí)施方案的樣品容積20的俯視圖，所述運(yùn)動捕捉照相機(jī)/攝像機(jī)以通常環(huán)狀陣列在外周邊緣22周圍安排。然而，也可以使用其它樣式(例如一種或多種線性或矩形陣列)。個別標(biāo)志物傳感器以具有代表照相機(jī)/攝像機(jī)鏡頭方向的銳角的三角形顯示，因此應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，多個標(biāo)志物傳感器從多個不同方向朝向樣品容積20。在具體的實(shí)施方案中，多個標(biāo)志物傳感器包括例如但不限于至少3個標(biāo)志物傳感器(例如3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，或更多個照相機(jī)/攝像機(jī))。在其它實(shí)施方案中，兩個標(biāo)志物傳感器可以在對于這兩個標(biāo)志物傳感器可見的樣品容積內(nèi)的至少一個固定參照標(biāo)志物(即在樣品期期間不進(jìn)行位移的標(biāo)志物)的情況中使用。[0084]圖3顯示了具有多個運(yùn)動捕捉照相機(jī)/攝像機(jī)的依照具體實(shí)施方案的樣品容積20的側(cè)視圖，所述運(yùn)動捕捉照相機(jī)/攝像機(jī)在樣品容積的最低表面上方安排成大致2層(tier)。較低層包含多個沿著樣品容積20的外周邊緣22或在樣品容積20的外周邊緣22外部安排的標(biāo)志物傳感器14-14#在一些例子中，較低層標(biāo)志物傳感器H1-H3中每個略微向上瞄準(zhǔn)，使得不包含與樣品容積20大致相對的標(biāo)志物傳感器，避免包括在視場內(nèi)。標(biāo)志物傳感器可以包含用于照明樣品容積20的光源(例如發(fā)光二極管陣列)。可以期望沒有標(biāo)志物傳感器“看到”另一標(biāo)志物傳感器的光源，例如因?yàn)榈谝贿\(yùn)動捕捉照相機(jī)/攝像機(jī)的光源對于第二運(yùn)動捕捉照相機(jī)/攝像機(jī)而言可以以明亮反射出現(xiàn)，該明亮反射會覆蓋來自反射性標(biāo)志物的數(shù)據(jù)。可以通過樣品容積20間彼此相對的標(biāo)志物傳感器的物理布置，和/或通過使用標(biāo)志物傳感器鏡頭前布置的偏振濾器來避開或減輕此問題。上層包括多個沿著樣品容積20的外周邊緣22或在樣品容積20的外周邊緣22外部安排的標(biāo)志物傳感器144-146。在一些例子中，上層標(biāo)志物傳感器144-146中每個略微向下瞄準(zhǔn)，使得不包含與樣品容積20大致相對的照相機(jī)/攝像機(jī)，避免包括在視場內(nèi)。
[0085]第一層標(biāo)志物傳感器的標(biāo)志物傳感器可以各比第二層標(biāo)志物傳感器的標(biāo)志物傳感器具有更寬的視場，使第一層中的每個標(biāo)志物傳感器能夠在其相應(yīng)視場內(nèi)包括更大量的樣品容積20。應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，有利地，在具體例子中也可以利用許多備選的標(biāo)志物傳感器排列。例如，可以利用數(shù)目或多或少的不同標(biāo)志物傳感器層，并且可以改變個別層內(nèi)的每個標(biāo)志物傳感器的實(shí)際高度。
[0086]在一些實(shí)施方案中，標(biāo)志物傳感器從許多不同角度記錄標(biāo)志物的圖像，使得植物樣品的基本上所有側(cè)面表面總是暴露于至少一個標(biāo)志物傳感器。更具體地，標(biāo)志物傳感器的排列可以提供將植物樣品的基本上所有側(cè)面表面總是暴露于至少三個標(biāo)志物傳感器。通過在多個高度放置標(biāo)志物傳感器，不規(guī)則表面可以在生長的植物樣品上的每個標(biāo)志物在運(yùn)動捕捉場20內(nèi)移動時建模。
[0087]圖4是依照一些`實(shí)施方案的樣品容積20的俯視圖，其顯示了標(biāo)志物傳感器(例如H1-Hn)的例示性排列。樣品容積20通常分成象限，標(biāo)記為A，B，C，和D。有利地，也可以在其它例子中利用標(biāo)志物傳感器H1-Hn的其它排列。在例示的例子中，標(biāo)志物傳感器14ι和142在物理上彼此相鄰布置，但在水平上彼此偏移可辨別的距離。標(biāo)志物傳感器H1和142各自從約45°的角度聚焦于象限D(zhuǎn)的前邊緣。第一標(biāo)志物傳感器H1具有從部分進(jìn)入象限B的前邊緣延伸至象限D(zhuǎn)的前邊緣的右側(cè)末端的視場。第二標(biāo)志物傳感器142具有從象限D(zhuǎn)的前邊緣的左側(cè)末端延伸至部分進(jìn)入象限C的前邊緣的視場。如此，第一和第二標(biāo)志物傳感器H1和142的相應(yīng)視場在象限D(zhuǎn)的前邊緣的實(shí)質(zhì)性長度里重疊。對于象限A，B，C，和D的其它外側(cè)邊緣(與外周邊緣22重合)中每個，可以包括類似的標(biāo)志物傳感器(例如143-14n)排列。
[0088]圖5是樣品容積20的俯視圖，其顯示了另一種例示性的標(biāo)志物傳感器(例如H1-Hn)排列。如在圖4中一樣，樣品容積20在圖形上分成象限A，B，C，和D。如在圖4的實(shí)施方案中一樣，標(biāo)志物傳感器H1-Hn可以位于不同高度。在圖5中顯示的例子中，標(biāo)志物傳感器H1和142位于樣品容積20的邊角，面向樣品容積。這些邊角標(biāo)志物傳感器H1和142會記錄不被其它標(biāo)志物傳感器(例如143-14n)挑出(諸如由于遮擋所致)的圖像。其它類似的標(biāo)志物傳感器(例如143_14n)也可以位于樣品容積20的其它邊角。[0089]在一些實(shí)施方案中，相對于成像的樣品容積，標(biāo)志物傳感器均保持原地固定。因此，運(yùn)動捕捉處理器12具有可以測量標(biāo)志物運(yùn)動的固定參照點(diǎn)。在備選實(shí)施方案中，一部分標(biāo)志物傳感器保持固定，而其它可以相對于樣品容積移動。可移動照相機(jī)/攝像機(jī)可以使用計算機(jī)控制的伺服電動機(jī)移動，或者可以手動移動。在這些后一種實(shí)施方案中，運(yùn)動捕捉處理器12可以追蹤標(biāo)志物傳感器的移動，并且在捕獲的數(shù)據(jù)的后續(xù)處理中消除此移動以產(chǎn)生標(biāo)志物運(yùn)動的三維數(shù)字表示。
[0090]一些實(shí)施方案提供了用于捕捉植物生長動力學(xué)數(shù)據(jù)的自動化裝置和方法。此類實(shí)施方案可以適合于高通量圖像數(shù)據(jù)獲得和分析，并且由此可以大大降低測量植物生長動力學(xué)需要的成本和/或努力。在具體的實(shí)施方案中，可以移動標(biāo)志物傳感器(例如通過在可移動元件上固定安裝)，或者可以移動特定植物樣品。然而，在一些例子中，此類自動化系統(tǒng)中的標(biāo)志物傳感器和/或植物樣品相對于樣品容積保持固定。此類自動化系統(tǒng)中涉及的原則以圖6中的例子例示。
[0091]圖6a顯示了例示性實(shí)施方案的例示，其包含照相機(jī)/攝像機(jī)陣列H1-H3，與該照相機(jī)/攝像機(jī)陣列丨七-丨七連接的高架構(gòu)臺24,與高架構(gòu)臺24聯(lián)系的運(yùn)動捕捉處理器12 (其能夠?qū)嵤﹫D像捕捉，圖像處理，和數(shù)字模型的裝配)，連接的工作站18，數(shù)據(jù)存儲裝置16，和設(shè)備連接。圖6b顯示了包含高通量重量分析自動化平臺的實(shí)施方案。在此實(shí)施方案中，相對于保持植物樣品的表面26，高架構(gòu)臺24在至少一個維度中可以是可移動的(例如以自動化方式)。在這些和其它實(shí)施方案中，表面26相對于高架構(gòu)臺24在至少一個維度上可以是可移動的(例如以自動化方式)。
[0092]應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會，自動化運(yùn)動追蹤系統(tǒng)(如圖6中描繪的例子顯示的)限制可能的關(guān)聯(lián)幀大小和圖像取樣率。例如，在此類自動化系統(tǒng)中獲得每個樣品的一幅圖像需要的時間通常會對每個具體樣品的 圖像取樣率提供較低的限制。然而，情況不必如此，因?yàn)榭梢栽谙到y(tǒng)調(diào)節(jié)以容許測量接著的樣品前對一個樣品獲得多幅圖像。大多數(shù)植物生長過程以如下的動力學(xué)發(fā)生，該動力學(xué)慢得足以可以將自動化系統(tǒng)設(shè)計為既提供大量樣品，又以高得足以提供關(guān)于分析過程的詳細(xì)時空信息的頻率獲得圖像。就通常尋找實(shí)時捕捉的運(yùn)動分類而言獨(dú)特的植物動力學(xué)的此特征的利用是本發(fā)明的一些實(shí)施方案的具體特征。
[0093]V1.篩選具有感興趣的生長性狀的植物
[0094]在具體的實(shí)施方案中，可以使用通過運(yùn)動追蹤捕捉植物生長動力學(xué)的組合物、方法和/或裝置來比較相同或不同環(huán)境條件下個別植物的生長，由此提供相對便宜的，快速的，和/或高通量的用于對植物篩選特定農(nóng)藝學(xué)性狀的系統(tǒng)。如此，一些實(shí)施方案包括對植物篩選對植物生長具有影響的性狀或表型的方法。此類性狀和表型包括例如但不限于干旱耐受性、NUE、熱耐受性和鹽耐受性。許多期望的植物表型牽涉超出野生型植物或其它栽培種中的展現(xiàn)的植物生長和發(fā)育的變化。
[0095]活體成像(live imaging)是活植物生長和發(fā)育的測量和建模的第一步。時空數(shù)學(xué)模型容許經(jīng)由生長的動態(tài)模擬來測試植物生長假設(shè)。最后，可以通過別的活體成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證植物生長模型及其預(yù)測。因而，在一些實(shí)施方案中，植物生長動力學(xué)的運(yùn)動追蹤用于測量多個植物樣品中的植物生長動力學(xué)參數(shù)。在這些和其它實(shí)施方案中，可以構(gòu)建數(shù)學(xué)模型以描述植物生長過程，例如以將此類過程的效果外推到相同或相關(guān)物種的不同植物。
[0096]例如，可以經(jīng)由常規(guī)植物育種或遺傳轉(zhuǎn)化將植物性狀和表型引入植物中。這兩種方法通常產(chǎn)生大量候選植物(分別為育種后代和推定的轉(zhuǎn)化體)，其必需篩選性狀或表型的出現(xiàn)。即使篩選通過簡單檢查可見的性狀或表型可以是費(fèi)時且昂貴的。植物生長表型在較長時間段后僅可以通過常規(guī)技術(shù)可見，此后表型對總體植物形態(tài)學(xué)的影響可以變得明顯。
[0097]通過使用本發(fā)明的一些實(shí)施方案的組合物、裝置和方法，在數(shù)據(jù)獲得期期間對植物樣品具有最小操作的情況下，可以將植物生長表型實(shí)時測量并建模，所述植物生長表型太慢發(fā)生以至于通過人肉眼觀察不到，但是其也在對植物形態(tài)學(xué)的任何最終影響可以變得明顯前發(fā)生。例如，通過使用依照一些實(shí)施方案的自動化運(yùn)動追蹤系統(tǒng)，可以以高通量方式在單一平臺中分析大量植物樣品。
[0098]本文中引用的所有出版物和專利在此完整并入。
[0099]提供以下實(shí)施例以例示某些具體的特征和/或?qū)嵤┓桨福T如上文描述的那些。實(shí)施例不應(yīng)解釋為將公開內(nèi)容限制于例示的具體特征或?qū)嵤┓桨浮?br> 實(shí)施例
[0100]實(shí)施例1:材料和方法
[0101]植物材料生長和護(hù)理
[0102]使用玉蜀黍栽培種B104 (Zea mays c.v.B104)近交小植物(在最佳灌溉和營養(yǎng)物條件下種植)來追蹤植物動力學(xué)測量。將小植物在白色PVC下水道排水盆(United Pipe Supply, Boise, ID)中(尺寸為高 15” X 寬 6”，在以 1:1 比率與 HPPromix(Growers Nursery Supply, Salem, OR)混合的表土 (Tualatin Valley LandscapeSupply, Tualatin, O`R)中)種植，并且用 0smocote?Plusl5-9-12NPK，3-4 個月緩釋肥料(Scott’ s Company, Marysville, OH)施肥。將種子以深1.5”播種，并且通過從播種起每3天發(fā)生的定期凈水灌溉事件將土壤保持飽和。在萌發(fā)后，在需要時對小植物澆水以維持飽和土壤條件。
[0103]將小植物在標(biāo)準(zhǔn)溫室條件下種植。條件包括約50%平均入射光，50%平均相對濕度，和28°C-35°C的晝間溫度周期，及16小時日光周期。光源由放置有植物的臺上方I米處最小值350PAR的交替鹵素和高鈉壓力照明燈泡組(halogen and high sodium pressurelight bulbs set)排列組成。大約在發(fā)育的V4階段,將小植物用于成像實(shí)驗(yàn),如下文描述的。
[0104]成像站描述和設(shè)備設(shè)置
[0105]數(shù)字成像。追蹤個別植物葉上放置的反射性標(biāo)志物的位置變化，由此監(jiān)測植物動力學(xué)測量。植物動力學(xué)測量記錄并監(jiān)測植物生長特征，諸如葉運(yùn)動和伸長。使用植物葉上放置的反射性標(biāo)志物的數(shù)字照相機(jī)/攝像機(jī)成像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以追蹤位置的2維變化。通過使用裝備有能夠水平運(yùn)動的安裝部件(mounting block)的手動機(jī)動成像構(gòu)臺招框結(jié)構(gòu)發(fā)生圖像捕捉。此結(jié)構(gòu)能夠使指向90°角的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字照相機(jī)/攝像機(jī)的安裝適合于植物冠層平面(plant canopy plane)。在成像過程中關(guān)閉照相機(jī)/攝像機(jī)閃光選項(xiàng)以防止有光澤的葉表面的過度照明，并且如此避免圖像處理過程中的標(biāo)志物可見性遮擋。與植物冠層在同一平面安放兩個垂直的米尺以幫助校正圖像比例尺，用于數(shù)字圖像處理。
[0106]OPTITRACK?運(yùn)動追蹤圖像捕捉。對于運(yùn)動追蹤實(shí)驗(yàn)，在成像站(8’H x4’W x4’L)的天花板(ceiling)(距離地平面約8’)上安裝三個OPTITRACK?FLEX: V100R2照相機(jī)/攝像機(jī)(Natural Point, Corvalis, OR)。將成像站的內(nèi)部徹底涂成黑色糙面精整(black mattefinish)，并且用黑色柔軟油布固定前入口以防止來自外部光源或有光澤表面的照明或反射。將照相機(jī)/攝像機(jī)彼此等距放置，每個照相機(jī)/攝像機(jī)的角度設(shè)置為面向成像間的中心地板，產(chǎn)生約3m3的捕捉體積及2m3的最小照相機(jī)/攝像機(jī)覆蓋。使用包含式USB 0PTIHUB?將照相機(jī)/攝像機(jī)彼此連接，然后，將所述包含式USB 0PTIHUB?連接至PANASONIC TOUGHBOOK?(Panasonic, Kadoma, Osaka, Japan)膝上型計算機(jī),其加載有用于數(shù)據(jù)/序列文件捕捉的OPTITRACK?追蹤工具軟件。捕捉速率設(shè)置為每秒約I幀，每個成像事件，記錄一般持續(xù)不長于5-10秒。照相機(jī)/攝像機(jī)曝光水平設(shè)置為55流明，閾值為160 (無單位)，且強(qiáng)度為15ms。圖6中顯示了此設(shè)置的示意圖。在每個測量事件前使用OPTITRACK?校正棒實(shí)施校正10秒以限定并捕捉測量容積內(nèi)一樣多的獨(dú)特點(diǎn)，且確保限定測量容積的邊界。使用OPTITRACK?參照正方形工具(reference square tool)鑒定表面水平。照相機(jī)/攝像機(jī)和軟件僅在測量期期間活躍進(jìn)行操作。在其它時間，設(shè)備是斷電的。
[0107]概念測定法的數(shù)字成像證據(jù)。通過使用反射性標(biāo)志物和數(shù)字成像監(jiān)測并測量玉蜀黍植物的葉伸長和一般運(yùn)動的動力學(xué)變化。與在劇烈干旱應(yīng)激的條件(下文描述)下種植的植物比較在標(biāo)準(zhǔn)的、灌溉良好的條件下種植的植物亞組中的葉伸長和一般運(yùn)動的動力學(xué)變化。在V6發(fā)育階段，將3_反射性標(biāo)志物置于最新出現(xiàn)的葉(通常為葉11-12)的任一側(cè)上，距離葉的尖端約0.5cm。將植物在手動成像構(gòu)臺下放置，并且在標(biāo)準(zhǔn)溫室條件下保持生長和發(fā)育。成像以灌溉良好條件下維持的所有小植物開始。然后，對干旱區(qū)組中的小植物扣留水，并且在接著的6天里，在在5:00a.m.和6:15a.m.太平洋標(biāo)準(zhǔn)時間(PST)之間在黑暗中拍攝圖像以使干擾標(biāo)志物檢測的外部光源最小化(將此初步研究中的植物在臺上保持，并且不在黑暗的成像站中放置)。
[0108]數(shù)字圖像處理。在干旱條件下種植的小植物已經(jīng)完全卷起并枯萎時停止成像。通過手動繪出相對于每幅圖像中可見的米尺校正的集度量(set metric)的網(wǎng)格線來處理數(shù)字圖像。對于初步評估，使用圖形學(xué)軟件標(biāo)記圖像，并且在框間視覺評估變化。
[0109]圖像順序處理。在 捕獲圖像順序后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成.csv格式，用于在MicrosoftEXCEL?(Microsoft, Seattle, WA)中處理。對在測量期期間檢出的每個標(biāo)志物給予對于每個框特異性的三維坐標(biāo)(x，y，z)。使用標(biāo)準(zhǔn)三維距離公式對每個小植物和葉的每個標(biāo)志物計算這些坐標(biāo)點(diǎn)間的時間點(diǎn)間差異。圖7。實(shí)施例2:0ΡΤ I TRACK?運(yùn)動追蹤成像測定法
[0110]運(yùn)行這些連續(xù)設(shè)計以確認(rèn)溫室測量中的運(yùn)動追蹤效用，每次具有復(fù)雜性增加的不同目標(biāo)。
[0111]追蹤單一植物，每個植物的單一葉
[0112]第一項(xiàng)設(shè)計測量三維空間中個別小植物的單一葉上的標(biāo)志物位移。植物動力學(xué)測量開始于V4發(fā)育階段。將兩個反射性追蹤標(biāo)志物(長度為4_)置于最新出現(xiàn)的葉(通常為葉號(leaf number)8或9)的尖端的任一側(cè)上,從初生輪生體突出至少Icm葉尖。在6:00a.m.和12:00中午PST之間采取測量，持續(xù)7天時段。將小植物置于低平臺旋轉(zhuǎn)效用車(low platform rolling utility cart)上，并且每天將車移動到成像站的中心，并且相對于定位區(qū)段推動以確保每次測量事件中相同的定位。用完全封閉的成像站入口油布，數(shù)據(jù)捕捉進(jìn)行約10秒。在數(shù)據(jù)捕捉后立即將小植物放回到標(biāo)準(zhǔn)溫室生長環(huán)境中。[0113]使用照相機(jī)/攝像機(jī)和追蹤工具軟件捕捉植物葉運(yùn)動和隨時間可量化的位移測量。圖8顯示了用追蹤工具監(jiān)測的屏幕截圖照片。圖9顯示了以米測量(轉(zhuǎn)化成cm)的從初始位置至最終位置的空間三維位置的每日變化。
[0114]三維空間中單一植物上三個不同葉的運(yùn)動追蹤
[0115]接著，在三維空間中對與個別小植物的成熟度增加的三個不同葉附接的標(biāo)志物測量位移。植物動力學(xué)測量開始于V4發(fā)育階段。將追蹤標(biāo)志物的第一組置于(使用與第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)類似的技術(shù)進(jìn)行)最新出現(xiàn)的葉的尖端的任一側(cè)上，從初生輪生體突出至少Icm葉尖(通常為葉8-9)。將第二組置于距離下一最新的葉(通常為葉7-8)上的葉尖端末端1cm，并將第三組置于下一最新的葉(通常為葉6-7)上。在6:00a.m.和12:00中午PST之間采取測量，持續(xù)7天時段。如先前描述的，將小植物置于旋轉(zhuǎn)效用車上，并且在黑暗的成像站中測量，每天測量10秒，此后將小植物返回到標(biāo)準(zhǔn)生長環(huán)境中。
[0116]發(fā)現(xiàn)置于單一植物的三個連續(xù)較新出現(xiàn)的葉的尖端上的標(biāo)志物的位移的檢測和可量化測量使用此運(yùn)動追蹤系統(tǒng)是有可能的。圖10顯示了隨時間的與三個不同葉附接的標(biāo)志物的累積唯一。
[0117]多個植物，每個植物的單一葉
[0118]接著，在三維空間中對與一行9個不同小植物上的單一葉附接的標(biāo)志物測量位移。測量的啟動開始于V4發(fā)育階段。將標(biāo)志物置于葉(使用與第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)相似的技術(shù))上，通常在每個小植物的葉8-9上。在6:00a.m.和12:00中午PST之間采取測量，持續(xù)7天時段。在盆邊緣沒有缺口的情況下，將小植物在效用車上的單一行中對齊，并且在黑暗成像站中定位后采取測量， 每天測量10秒，此后將小植物返回到標(biāo)準(zhǔn)生長環(huán)境中。
[0119]我們發(fā)現(xiàn)了追蹤三維空間中多個植物上的反射性標(biāo)志物是有可能的。圖11顯示了在12天的過程里追蹤工具圖像捕捉的屏幕截圖照片。圖12顯示了使用運(yùn)動追蹤工具測量的多個植物的每日葉位移數(shù)值。
[0120]實(shí)施例3:數(shù)字追蹤區(qū)別灌溉良好的和水應(yīng)激的植物之間在葉伸長上的視覺差異
[0121]對干旱應(yīng)激的或在最佳灌溉條件下維持的玉蜀黍植物監(jiān)測降低的運(yùn)動和葉伸長。來自使用數(shù)字?jǐn)z影術(shù)和置于單一葉上的高度反射性標(biāo)志物的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示了兩個處理組間隨時間的植物葉伸長的定性差異。干旱應(yīng)激的植物最初表明與灌溉良好的對照相似的生長樣式。然而，到劇烈干旱條件的4-5天，干旱應(yīng)激的植物展現(xiàn)出葉表面上標(biāo)志物的視覺上降低的運(yùn)動和位移，最終導(dǎo)致標(biāo)志物相對于背景的完全靜態(tài)定位。到第6天，表現(xiàn)為干旱應(yīng)激的植物中已經(jīng)停止生長，葉卷起并卷曲，而灌溉良好的植物繼續(xù)展現(xiàn)出延伸過視場的葉伸長。
[0122]還進(jìn)行本研究以測定如下的后勤學(xué)(logistics)，其關(guān)于使用反射性標(biāo)志物、最佳定位、和測試多個植物的冠層中標(biāo)志物的可見性以鑒定與密集植物冠層相關(guān)的可能的遮擋問題。追蹤數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像描繪灌溉良好的和應(yīng)激的植物的選擇的反射性標(biāo)志物的每日變化。我們發(fā)現(xiàn)了雖然一些標(biāo)志物的確從視野暫時消失，但是大多數(shù)標(biāo)志物在實(shí)驗(yàn)過程里保持可見。
【權(quán)利要求】
1.一種植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其包含: 樣品容積，其適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物； 在所述樣品容積外周安排的多個標(biāo)志物傳感器；和 與所述多個標(biāo)志物傳感器偶聯(lián)的運(yùn)動捕捉處理器，以從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并且產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表示。
2.權(quán)利要求1的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述數(shù)字表示包含三維空間信息和時間信息。
3.權(quán)利要求2的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中至少一個所述標(biāo)志物傳感器是照相機(jī)/攝像機(jī)。
4.權(quán)利要求3的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述樣品容積適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個包含反射元件的標(biāo)志物。
5.權(quán)利要求4的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述至少一個包含反射元件的標(biāo)志物是珠。
6.權(quán)利要求4的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述至少一個標(biāo)志物中每個各具有約2-約10毫米的寬度或直徑。
7.權(quán)利要求4的植 物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述樣品容積適合于含有至少一個具有2或更多個標(biāo)志物的植物樣品。
8.權(quán)利要求2的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述樣品容積適合于含有至少兩個植物。
9.權(quán)利要求1的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述運(yùn)動捕捉處理器能夠?qū)嵤﹫D像捕捉和圖像處理。
10.權(quán)利要求1的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其進(jìn)一步包含工作站和數(shù)據(jù)存儲裝置，其中所述工作站和數(shù)據(jù)存儲裝置與所述運(yùn)動捕捉處理器偶聯(lián)。
11.權(quán)利要求2的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其進(jìn)一步包含可移動高架構(gòu)臺(overhead gantry),該可移動高架構(gòu)臺包含所述多個標(biāo)志物傳感器中至少一個。
12.權(quán)利要求11的植物樣品生長運(yùn)動追蹤和成像站，其中所述可移動高架構(gòu)臺包含所有所述多個標(biāo)志物傳感器。
13.一種用于監(jiān)測植物樣品的生長動力學(xué)的方法，該方法包括: 限定樣品容積，其適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物； 在所述樣品容積的外周安排多個標(biāo)志物傳感器； 利用所述多個標(biāo)志物傳感器獲得運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)；并 從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表/Jn ο
14.依照權(quán)利要求13的方法，其中所述數(shù)字表示包含三維空間信息和時間信息。
15.依照權(quán)利要求14的方法，其中至少一個所述標(biāo)志物傳感器是照相機(jī)/攝像機(jī)。
16.依照權(quán)利要求13的方法，該方法進(jìn)一步包括: 將植物樣品引入所述樣品容積中，所述植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物。
17.依照權(quán)利要求16的方法，其中將多個植物樣品引入所述樣品容積中。
18.依照權(quán)利要求17的方法，其中所述數(shù)字表示反映所述多個植物樣品中每個的生長。
19.依照權(quán)利要求17的方法，其中將所述多個植物樣品置于所述樣品容積中，同時利用所述標(biāo)志物傳感器獲得運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)。
20.依照權(quán)利要求16的方法，其中所述至少一個標(biāo)志物包含反射元件。
21.依照權(quán)利要求20的方法，其中所述至少一個包含反射元件的標(biāo)志物是反射珠。
22.依照權(quán)利要求20的方法，其中所述反射元件是所述至少一個標(biāo)志物表面上的材料。
23.依照權(quán)利要求20的方法，其中所述反射元件是制造所述至少一個標(biāo)志物的材料。
24.依照權(quán)利要求16的方法，其中至少一個標(biāo)志物各具有約2-約10毫米的寬度或直徑。
25.依照權(quán)利要求16的方法，其中所述植物樣品具有2或更多個標(biāo)志物。
26.依照權(quán)利要求1·6的方法，其中將至少兩個植物引入所述樣品容積中。
27.依照權(quán)利要求13的方法，其中將所述多個標(biāo)志物傳感器中至少一個附接于用于移動所述樣品容積而不移動與該樣品容積相關(guān)的所述標(biāo)志物傳感器的手段。
28.依照權(quán)利要求27的方法，其中所述用于移動樣品容積而不移動與樣品容積相關(guān)的標(biāo)志物傳感器的手段是可移動高架構(gòu)臺，其中所述標(biāo)志物傳感器附接于該構(gòu)臺。
29.依照權(quán)利要求13的方法，其中通過自動化系統(tǒng)控制所述用于移動樣品容積而不移動與樣品容積相關(guān)的標(biāo)志物傳感器的手段。
30.一種用于監(jiān)測植物樣品的生長動力學(xué)的自動化方法，該方法包括: 限定樣品容積，其適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物； 將多個標(biāo)志物傳感器附接于用于移動所述樣品容積而不移動與所述樣品容積相關(guān)的所述標(biāo)志物傳感器的手段； 在所述樣品容積外周安排所述多個標(biāo)志物傳感器； (a)將植物樣品引入所述樣品容積中，所述植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物； (b)利用所述多個標(biāo)志物傳感器獲得運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)； 用接著的植物樣品重復(fù)步驟(a)和(b);并 從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表/Jn ο
31.依照權(quán)利要求30的自動化方法，其中所述標(biāo)志物傳感器包含照相機(jī)/攝像機(jī)，且其中所述至少一個標(biāo)志物包含反射元件。
32.依照權(quán)利要求31的自動化方法，其中所述用于移動樣品容積而不移動與樣品容積相關(guān)的標(biāo)志物傳感器的手段是可移動高架構(gòu)臺。
33.一種用于對植物樣品篩選感興趣的生長性狀的方法，該方法包括: 限定樣品容積，其適合于含有至少一個植物樣品，該植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物； 在所述樣品容積外周安排所述多個標(biāo)志物傳感器； 將植物樣品引入所述樣品容積中，所述植物樣品具有至少一個限定該植物樣品上的物理點(diǎn)的標(biāo)志物； 利用所述多個標(biāo)志物傳感器獲得運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)； 從所述多個標(biāo)志物傳感器接收運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生反映所述植物樣品生長的數(shù)字表示；并 分析數(shù)字反映以確定該植物樣品是否包含所述感興趣的生長性狀。
34.依照權(quán)利要求33的方法，其中所述植物樣品是全植物。
35.依照權(quán)利要求33的方法，其中所述感興趣的生長性狀是在應(yīng)激條件中提供升高的植物生長的性狀。
36.依照權(quán)利要求35的方法，其中所述應(yīng)激條件選自下組:干旱、低光照、高鹽、低氮、化學(xué)暴露、和有害生物侵·襲。
【文檔編號】A01G7/00GK103826437SQ201280047238
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月27日
【發(fā)明者】P.賽特勒, R.派, K.A.格爾戈迪厄, D.比蒂 申請人:陶氏益農(nóng)公司