當(dāng)動(dòng)物行為研究遇見(jiàn)機(jī)器視覺(jué) 紅外熱成像+計(jì)算機(jī)視覺(jué) 動(dòng)物行為研究技術(shù)
      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(lái)驚人的突破。這里介紹的基于紅外熱成像和計(jì)算機(jī)視覺(jué)的動(dòng)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(duì)其成像的技術(shù)。物體和生命體的狀態(tài)和屬性能夠通過(guò)它們表面的溫度分布圖像來(lái)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(wú)損傷的測(cè)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(dòng)物學(xué)等領(lǐng)域已有大量的應(yīng)用。
        在動(dòng)物行為學(xué)研究領(lǐng)域，紅外熱成像可用來(lái)測(cè)量處于脅迫條件下、進(jìn)行不同類型的行為時(shí)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(chǎng)時(shí)，獼猴鼻區(qū)的溫度在10-30s內(nèi)顯著下降。同時(shí)獼猴通過(guò)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(zhǎng)類情緒從中性到負(fù)面變化的一個(gè)可靠和準(zhǔn)確指標(biāo)。           在昆蟲(chóng)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(chóng)靜止不動(dòng)的弊端，動(dòng)態(tài)測(cè)量和記錄昆蟲(chóng)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(guò)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(guò)冷卻點(diǎn)、致死低溫等，且該手段獲取的信息因?yàn)椴粫?huì)限制昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)、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(duì)大群聚居、自由放養(yǎng)的巴西無(wú)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(jì)算機(jī)視覺(jué)的相關(guān)算法也被使用，用于識(shí)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(kāi)來(lái)，最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(dòng)物。            以 紅外熱成像 為基礎(chǔ)的動(dòng)物觀測(cè)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(cè)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(zhǎng)距離監(jiān)控時(shí)能夠拍攝到高清晰度的照片。焦距決定了相機(jī)視場(chǎng)角的大小，因此，WIC相機(jī)的鏡頭具有手動(dòng)聚焦的功能和可更換的設(shè)計(jì)，能夠使我們可根據(jù)安裝的實(shí)際場(chǎng)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(jí)（最高的防塵等級(jí)和僅次于長(zhǎng)時(shí)間浸泡的防水等級(jí)），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(duì)灰塵、雨雪、冰凍等惡劣天氣。              一款優(yōu)秀的產(chǎn)品離不開(kāi)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(dòng)識(shí)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(cè)量工具，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面的動(dòng)態(tài)測(cè)量和直觀呈現(xiàn)。   拍攝圖片展示：                對(duì)于研究動(dòng)物行為的學(xué)者，尤其是昆蟲(chóng)學(xué)家，怎樣觀察動(dòng)物的行為是個(gè)令人頭大的難題。野外觀察更難，主要在于定位個(gè)體和整個(gè)生命周期的持續(xù)觀察。當(dāng)研究者需要對(duì)行為做定量分析時(shí)難度又增加了一層。所以近年來(lái)，工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器視覺(jué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)被用來(lái)克服上述動(dòng)物行為學(xué)研究中碰到的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，進(jìn)一步揭示動(dòng)物的行為模式。
        計(jì)算機(jī)視覺(jué)是指用攝影機(jī)和計(jì)算機(jī)代替人眼，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤和測(cè)量，并進(jìn)一步處理獲取的圖像，從中獲取信息。計(jì)算機(jī)視覺(jué)結(jié)合了機(jī)器視覺(jué)和圖像分析技術(shù)，目標(biāo)是從圖像中獲取物理對(duì)象的明確而有意義的描述。機(jī)器視覺(jué)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(duì)于動(dòng)物行為學(xué)研究，另一個(gè)關(guān)鍵的描述是物理對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。如下圖，C. Ferrario等人為研究不同濃度的殺蟲(chóng)劑毒死蜱（CPF）對(duì)大型溞游泳行為的影響，便使用了行為觀測(cè)中常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、距離和速率等參數(shù)。           以 計(jì)算機(jī)視覺(jué) 為基礎(chǔ)的動(dòng)物行為觀測(cè)系統(tǒng)由動(dòng)物行為分析軟件、動(dòng)物活動(dòng)室/池、攝像頭等組成，通過(guò)數(shù)碼攝像頭錄制數(shù)碼視頻，并通過(guò)軟件在計(jì)算機(jī)上根據(jù)反差法（彩色或黑白）原理對(duì)視頻中的目標(biāo)動(dòng)物進(jìn)行行為分析。    
        可用于單目標(biāo)動(dòng)物行為觀測(cè)分析和多目標(biāo)動(dòng)物行為觀測(cè)分析，可以對(duì)多孔板中的動(dòng)物、迷宮、野外開(kāi)闊區(qū)域、魚(yú)缸（池）、動(dòng)物籠舍中的動(dòng)物如昆蟲(chóng)、魚(yú)類、爬行類、嚙齒類或其他動(dòng)物及野外動(dòng)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(dòng)時(shí)間與非活動(dòng)時(shí)間、運(yùn)行速度、加速度、移動(dòng)距離、移動(dòng)方向、在某一區(qū)域的逗留時(shí)間、在某一區(qū)域的出現(xiàn)次數(shù)及對(duì)興趣點(diǎn)的接觸次數(shù)等。           紅外熱成像+計(jì)算機(jī)視覺(jué) 動(dòng)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(shí)用于昆蟲(chóng)等動(dòng)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(guò)體溫變化得出大量生物學(xué)信息。