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當動物行為研究遇見機器視覺——“紅外熱成像+計算機視覺”動物行為研究系統

當動物行為研究遇見機器視覺——“紅外熱成像+計算機視覺”動物行為研究系統

當動物行為研究遇見機器視覺

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工業領域的某些技術手段因其成熟的體系和強大的適應能力,常常被引入到科研領域。引入后往往能給學者莫大的驚喜,給他們的課題帶來驚人的突破。這里介紹的基于紅外熱成像和計算機視覺的動物行為研究系統便是其中一例。

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熱成像是記錄地球上任何物體釋放的、在電磁波譜中處于紅外波段的光并且對其成像的技術。物體和生命體的狀態和屬性能夠通過它們表面的溫度分布圖像來衡量。熱成像的應用領域非常廣泛,例如工業、安防、軍事、科研等。在自然科學研究中,相較于其他方法,熱成像技術提供了一種安全、無損傷的測量和數據獲取手段。而且在人類醫學和獸醫學、生態學、動物學等領域已有大量的應用。

在動物行為學研究領域,紅外熱成像可用來測量處于脅迫條件下、進行不同類型的行為時的體溫變化。

如日本京都大學類人猿研究院的中山借助紅外熱成像技術發現在有潛在威脅的人(如手持抓捕網、身著實驗服的工作人員)在場時,獼猴鼻區的溫度在10-30s內顯著下降。同時獼猴通過露齒和其他面部表情表達它們的負面情緒。中山等人據此判斷:鼻區溫度的降低能夠作為非人類靈長類情緒從中性到負面變化的一個可靠和準確指標。

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在昆蟲的冷適應行為及生理學研究中,紅外熱成像更能克服掃描量熱法、熱電偶等傳統手段必須保證實驗昆蟲靜止不動的弊端,動態測量和記錄昆蟲的行為、體溫。

如Christopher等人使用紅外熱成像技術研究了高山采集的蝎蛉的冷適應過程、行為響應和生理響應,證明紅外熱成像技術能夠提供的大量生理學信息,如過冷卻點、致死低溫等,且該手段獲取的信息因為不會限制昆蟲的運動、更接近自然環境,因而更加具有生物學意義。

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Hristov等人使用紅外熱成像相機對大群聚居、自由放養的巴西無尾蝙蝠進行觀察,證明紅外熱成像技術是調查群居蝙蝠覓食等行為的寶貴工具。計算機視覺的相關算法也被使用,用于識別和追蹤飛翔的蝙蝠,并且將它們和其他溫度相近的物體區分開來,最終確定了在洞中棲息和覓食的蝙蝠的總數量。

大量研究案例表明,紅外熱成像能夠用于研究野外自由散養、采用傳統方式很難觀察的動物。

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以“紅外熱成像”為基礎的動物觀測系統由紅外熱成像相機、專業熱成像軟件等部分組成。如需野外監測使用,可選配相機室外防護罩、固定支架等配件。

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紅外熱成像相機選用高分辨率(640×512)、鏡頭可更換可聚焦的WIC640熱成像相機。高分辨率保證了長距離監控時能夠拍攝到高清晰度的照片。焦距決定了相機視場角的大小,因此,WIC相機的鏡頭具有手動聚焦的功能和可更換的設計,能夠使我們可根據安裝的實際場地靈活地選擇合適的焦距。除此之外,WIC相機使用了USB3.0或者以太網路線的供電方式,耗電量極低,從而避免了特殊的制冷設備的使用,也大大縮小了相機的尺寸,非常適合野外使用。WIC相機具有的高度可定制化和優良的環境適應性。

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?? 為了保證紅外熱成像相機能夠在復雜多變的自然環境下正常工作,WIC相機配備了專業的室外防護罩及安裝支架和配件。防護罩具備IP67的防護等級(最高的防塵等級和僅次于長時間浸泡的防水等級),并內置了加熱系統和鍺窗(鍺元素化學性質較為穩定且在遠紅外波段透光性較好),因此能夠出色應對灰塵、雨雪、冰凍等惡劣天氣。

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一款優秀的產品離不開友好的軟件。WIC相機配備出色的專業的熱成像采集和分析軟件——Coreplayer。除了能夠自動識別和配置地址,快速穩定地連接相機外,Coreplayer還包含多種調色板和測量工具,實現了點、線、面的動態測量和直觀呈現。

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拍攝圖片展示:

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對于研究動物行為的學者,尤其是昆蟲學家,怎樣觀察動物的行為是個令人頭大的難題。野外觀察更難,主要在于定位個體和整個生命周期的持續觀察。當研究者需要對行為做定量分析時難度又增加了一層。所以近年來,工業領域的機器視覺和計算機視覺被用來克服上述動物行為學研究中碰到的現實問題,進一步揭示動物的行為模式。

計算機視覺是指用攝影機和計算機代替人眼,對目標進行識別、跟蹤和測量,并進一步處理獲取的圖像,從中獲取信息。計算機視覺結合了機器視覺和圖像分析技術,目標是從圖像中獲取物理對象的明確而有意義的描述。機器視覺通常用在工業和機器人領域,而圖像分析技術指的是2D圖像的算法分析和圖像的轉換(旋轉等)。對于動物行為學研究,另一個關鍵的描述是物理對象的運動。如下圖,C. Ferrario等人為研究不同濃度的殺蟲劑毒死蜱(CPF)對大型溞游泳行為的影響,便使用了行為觀測中常見的運動時間、距離和速率等參數。

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以“計算機視覺”為基礎的動物行為觀測系統由動物行為分析軟件、動物活動室/池、攝像頭等組成,通過數碼攝像頭錄制數碼視頻,并通過軟件在計算機上根據反差法(彩色或黑白)原理對視頻中的目標動物進行行為分析。

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成像 ??????????????????????追蹤 ?????????????????????分析

可用于單目標動物行為觀測分析和多目標動物行為觀測分析,可以對多孔板中的動物、迷宮、野外開闊區域、魚缸(池)、動物籠舍中的動物如昆蟲、魚類、爬行類、嚙齒類或其他動物及野外動物的行為視頻進行分析。

可獲得數10種行為學參數,包括活動時間與非活動時間、運行速度、加速度、移動距離、移動方向、在某一區域的逗留時間、在某一區域的出現次數及對興趣點的接觸次數等。

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?? “紅外熱成像+計算機視覺”動物行為研究系統充分利用了工業領域的成熟技術,可同時用于昆蟲等動物行為學、生理學等領域,既能獲取基本的形態學參數,又能通過體溫變化得出大量生物學信息。


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