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“紅外熱成像+計算機(jī)視覺”動物行為研究系統(tǒng)
發(fā)布時間： 2019-03-11 點(diǎn)擊次數(shù)： 4100次工業(yè)領(lǐng)域的某些技術(shù)手段因其成熟的體系和強(qiáng)大的適應(yīng)能力，常常被引入到科研領(lǐng)域。引入后往往能給學(xué)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(jī)視覺的動物行為研究系統(tǒng)便是其中一例。
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(shù)。物體和生命體的狀態(tài)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(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如工業(yè)、安防、軍事、科研等。在自然科學(xué)研究中，相較于其他方法，熱成像技術(shù)提供了一種安全、無損傷的測量和數(shù)據(jù)獲取手段。而且在人類醫(yī)學(xué)和獸醫(yī)學(xué)、生態(tài)學(xué)、動物學(xué)等領(lǐng)域已有大量的應(yīng)用。
在動物行為學(xué)研究領(lǐng)域，紅外熱成像可用來測量處于脅迫條件下、進(jìn)行不同類型的行為時的體溫變化。
如日本京都大學(xué)類人猿研究院的中山借助紅外熱成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)在有潛在威脅的人（如手持抓捕網(wǎng)、身著實(shí)驗(yàn)服的工作人員）在場時，獼猴鼻區(qū)的溫度在10-30s內(nèi)顯著下降。同時獼猴通過露齒和其他面部表情表達(dá)它們的負(fù)面情緒。中山等人據(jù)此判斷：鼻區(qū)溫度的降低能夠作為非人類靈長類情緒從中性到負(fù)面變化的一個可靠和準(zhǔn)確指標(biāo)。
在昆蟲的冷適應(yīng)行為及生理學(xué)研究中，紅外熱成像更能克服掃描量熱法、熱電偶等傳統(tǒng)手段必須保證實(shí)驗(yàn)昆蟲靜止不動的弊端，動態(tài)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(shù)研究了高山采集的蝎蛉的冷適應(yīng)過程、行為響應(yīng)和生理響應(yīng)，證明紅外熱成像技術(shù)能夠提供的大量生理學(xué)信息，如過冷卻點(diǎn)、致死低溫等，且該手段獲取的信息因?yàn)椴粫拗评ハx的運(yùn)動、更接近自然環(huán)境，因而更加具有生物學(xué)意義。
Hristov等人使用紅外熱成像相機(jī)對大群聚居、自由放養(yǎng)的巴西無尾蝙蝠進(jìn)行觀察，證明紅外熱成像技術(shù)是調(diào)查群居蝙蝠覓食等行為的寶貴工具。計算機(jī)視覺的相關(guān)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(qū)分開來，終確定了在洞中棲息和覓食的蝙蝠的總數(shù)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(yǎng)、采用傳統(tǒng)方式很難觀察的動物。
以“紅外熱成像”為基礎(chǔ)的動物觀測系統(tǒng)由紅外熱成像相機(jī)、專業(yè)熱成像軟件等部分組成。如需野外監(jiān)測使用，可選配相機(jī)室外防護(hù)罩、固定支架等配件。
紅外熱成像相機(jī)選用高分辨率（640×512）、鏡頭可更換可聚焦的WIC640熱成像相機(jī)。高分辨率保證了長距離監(jiān)控時能夠拍攝到高清晰度的照片。焦距決定了相機(jī)視場角的大小，因此，WIC相機(jī)的鏡頭具有手動聚焦的功能和可更換的設(shè)計，能夠使我們可根據(jù)安裝的實(shí)際場地靈活地選擇合適的焦距。除此之外，WIC相機(jī)使用了USB3.0或者以太網(wǎng)路線的供電方式，耗電量極低，從而避免了特殊的制冷設(shè)備的使用，也大大縮小了相機(jī)的尺寸，非常適合野外使用。WIC相機(jī)具有的高度可定制化和優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性。
為了保證紅外熱成像相機(jī)能夠在復(fù)雜多變的自然環(huán)境下正常工作，WIC相機(jī)配備了專業(yè)的室外防護(hù)罩及安裝支架和配件。防護(hù)罩具備IP67的防護(hù)等級（高的防塵等級和僅次于長時間浸泡的防水等級），并內(nèi)置了加熱系統(tǒng)和鍺窗（鍺元素化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定且在遠(yuǎn)紅外波段透光性較好），因此能夠出色應(yīng)對灰塵、雨雪、冰凍等惡劣天氣。
一款的產(chǎn)品離不開友好的軟件。WIC相機(jī)配備出色的專業(yè)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(wěn)定地連接相機(jī)外，Coreplayer還包含多種調(diào)色板和測量工具，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面的動態(tài)測量和直觀呈現(xiàn)。
拍攝圖片展示：
對于研究動物行為的學(xué)者，尤其是昆蟲學(xué)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(xù)觀察。當(dāng)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(yè)領(lǐng)域的機(jī)器視覺和計算機(jī)視覺被用來克服上述動物行為學(xué)研究中碰到的現(xiàn)實(shí)問題，進(jìn)一步揭示動物的行為模式。
計算機(jī)視覺是指用攝影機(jī)和計算機(jī)代替人眼，對目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤和測量，并進(jìn)一步處理獲取的圖像，從中獲取信息。計算機(jī)視覺結(jié)合了機(jī)器視覺和圖像分析技術(shù)，目標(biāo)是從圖像中獲取物理對象的明確而有意義的描述。機(jī)器視覺通常用在工業(yè)和機(jī)器人領(lǐng)域，而圖像分析技術(shù)指的是2D圖像的算法分析和圖像的轉(zhuǎn)換（旋轉(zhuǎn)等）。對于動物行為學(xué)研究，另一個關(guān)鍵的描述是物理對象的運(yùn)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(yùn)動時間、距離和速率等參數(shù)。
以“計算機(jī)視覺”為基礎(chǔ)的動物行為觀測系統(tǒng)由動物行為分析軟件、動物活動室/池、攝像頭等組成，通過數(shù)碼攝像頭錄制數(shù)碼視頻，并通過軟件在計算機(jī)上根據(jù)反差法（彩色或黑白）原理對視頻中的目標(biāo)動物進(jìn)行行為分析。
可用于單目標(biāo)動物行為觀測分析和多目標(biāo)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(qū)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(jìn)行分析。
可獲得數(shù)10種行為學(xué)參數(shù)，包括活動時間與非活動時間、運(yùn)行速度、加速度、移動距離、移動方向、在某一區(qū)域的逗留時間、在某一區(qū)域的出現(xiàn)次數(shù)及對興趣點(diǎn)的接觸次數(shù)等。
“紅外熱成像+計算機(jī)視覺”動物行為研究系統(tǒng)充分利用了工業(yè)領(lǐng)域的成熟技術(shù)，可同時用于昆蟲等動物行為學(xué)、生理學(xué)等領(lǐng)域，既能獲取基本的形態(tài)學(xué)參數(shù)，又能通過體溫變化得出大量生物學(xué)信息。
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