從(cong)蝙蝠(fu)和紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)說起(qi)——VISIR動(dong)物行為觀(guan)測(ce)分(fen)析系(xi)統(tong)應用

新(xin)冠(guan)肺(fei)炎疫(yi)情的發(fa)生把(ba)蝙蝠(fu)又(you)壹(yi)次(ci)推(tui)上了風口(kou)浪尖(jian)，也(ye)讓人(ren)們(men)對(dui)蝙蝠(fu)的認(ren)識(shi)從(cong)人(ren)類發(fa)明雷(lei)達的啟示(shi)者(zhe)擴展(zhan)到病(bing)毒的“宜(yi)居(ju)港灣(wan)”和強力傳播者(zhe)。疫(yi)情期間，源自(zi)軍事領域、在(zai)工業(ye)領域廣泛(fan)應(ying)用的紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)也(ye)進(jin)入到大眾(zhong)的視(shi)野(ye)。紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)因(yin)其非(fei)接觸(chu)、高(gao)通量、高(gao)測(ce)溫精度(du)等優(you)勢，被廣泛(fan)地(di)用在(zai)交通樞(shu)紐、人(ren)群(qun)聚(ju)居(ju)場(chang)所(suo)出(chu)入口(kou)的體(ti)溫篩查。

而(er)如果(guo)把(ba)蝙蝠(fu)和紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)結合起來(lai)，也就(jiu)是(shi)用紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)拍(pai)攝(she)夜(ye)行群居(ju)的蝙蝠(fu)，會是(shi)怎樣(yang)壹(yi)副(fu)景象呢？下圖(tu)便(bian)是(shi)使(shi)用紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)拍(pai)攝(she)的棲(qi)息在(zai)洞(dong)穴上(shang)方(fang)的542000只巴(ba)西(xi)無(wu)尾(wei)蝙蝠(fu)。研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)從(cong)中發現(xian)它們的棲(qi)息面(mian)積(ji)（圖(tu)中為200m2）會擴(kuo)張(zhang)伸縮，並推(tui)測(ce)這(zhe)是(shi)由蝙蝠(fu)的熱(re)調(tiao)節(jie)行為引(yin)起(qi)的。

再(zai)來(lai)壹(yi)個(ge)特(te)寫（下圖(tu)），我們(men)會發(fa)現(xian)密集(ji)棲(qi)息的區域(yu)A的溫度(du)高(gao)於少(shao)量蝙蝠(fu)棲(qi)息的區域(yu)B。而在(zai)區域(yu)C壹(yi)只蝙蝠(fu)剛“著(zhe)陸(lu)”，因(yin)為(wei)飛(fei)行過程(cheng)存(cun)在(zai)對(dui)流冷卻(que)，所(suo)以翼(yi)的溫度(du)比(bi)身體溫度(du)低7℃。

作(zuo)為夜(ye)行的且(qie)能(neng)夠(gou)真正飛(fei)行的哺(bu)乳動(dong)物(wu)，蝙蝠(fu)的行為生理(li)研究(jiu)往往(wang)局限在(zai)實(shi)驗(yan)室(shi)。而(er)傳統(tong)野(ye)外(wai)調查的成(cheng)像(xiang)方(fang)法，如夜(ye)視(shi)儀(yi)、紅外(wai)相機、使(shi)用閃光(guang)燈(deng)的數(shu)碼(ma)相(xiang)機、雷(lei)達等往往(wang)受到空間範圍(wei)和分(fen)辨(bian)率(lv)的限制。紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)則(ze)能(neng)夠(gou)做(zuo)到(dao)高(gao)時(shi)間、空間分(fen)辨(bian)率(lv)采集(ji)，且(qie)無(wu)損非(fei)幹(gan)擾，更(geng)能(neng)夠(gou)在(zai)夜(ye)晚使(shi)用。

除了(le)洞(dong)穴棲(qi)息的蝙蝠(fu)，飛(fei)行狀態(tai)的蝙蝠(fu)也(ye)可以使(shi)用紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)記(ji)錄(lu)。如下圖(tu)，拍(pai)攝(she)了(le)巴(ba)西(xi)無(wu)尾(wei)蝙蝠(fu)“傾(qing)巢(chao)而出(chu)”的景(jing)象(xiang)。照(zhao)片中蝙蝠(fu)的身後的“尾(wei)巴(ba)”是(shi)因(yin)紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)響(xiang)應(ying)時(shi)間慢(man)產生的，但也表(biao)現出(chu)飛(fei)行環境(jing)的復雜。

動物(wu)行為的分(fen)析往往借助計(ji)算機視(shi)覺(jiao)技(ji)術(shu)，即(ji)用攝(she)影(ying)機和計(ji)算機代(dai)替人(ren)眼(yan)，對(dui)目(mu)標(biao)進(jin)行識別、跟(gen)蹤、分(fen)析和處(chu)理(li)。但也往(wang)往(wang)受限於光(guang)照(zhao)、拍(pai)攝(she)背(bei)景(jing)等因(yin)素(su)，所(suo)以更(geng)多(duo)地(di)用於(yu)實(shi)驗室(shi)可控(kong)環(huan)境(jing)中。而熱(re)成像(xiang)捕(bu)捉(zhuo)的蝙蝠(fu)圖(tu)像(xiang)身體質心處(chu)的溫度(du)高(gao)，邊緣(yuan)溫度(du)低，所(suo)以明顯的溫度(du)/顏(yan)色(se)差(cha)異非(fei)常(chang)適(shi)合(he)采用計(ji)算機視(shi)覺(jiao)的算法分(fen)析，從(cong)而(er)實現(xian)自(zi)動(dong)識(shi)別和跟(gen)蹤，用於(yu)蝙蝠(fu)種(zhong)群數(shu)量的調(tiao)查統(tong)計(ji)。下圖(tu)從(cong)左(zuo)向右(you)依次展(zhan)示(shi)了(le)計(ji)算機視(shi)覺(jiao)自(zi)動(dong)化(hua)分(fen)析過程(cheng)中原始圖(tu)像(xiang)、目(mu)標(biao)識(shi)別、軌跡繪(hui)制(zhi)。

數(shu)十年來(lai)實驗室的研(yan)究(jiu)工作(zuo)已經(jing)深(shen)入揭(jie)示(shi)了(le)蝙蝠(fu)如(ru)何探查、接近(jin)、捕獲它們的昆蟲天(tian)敵(di)以及(ji)昆蟲如何(he)逃避。而(er)紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)使(shi)得在(zai)自(zi)然(ran)環(huan)境(jing)調查研究(jiu)蝙蝠(fu)的捕(bu)食(shi)行為成(cheng)為可(ke)能(neng)。下圖(tu)從(cong)左(zuo)向右(you)依次展(zhan)示(shi)了(le)兩個(ge)不同(tong)位(wei)置的紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)相(xiang)機的視(shi)野(ye)和蝙蝠(fu)捕(bu)捉(zhuo)飛(fei)蛾的3D模(mo)型。

為(wei)便(bian)於蝙蝠(fu)、鳥(niao)類的野(ye)外(wai)調查研究(jiu)，北京(jing)易(yi)科(ke)泰(tai)生態技(ji)術(shu)有(you)限公司為(wei)您(nin)提供(gong)野(ye)生動物(wu)調(tiao)查的VISIR系(xi)統(tong)——VIS動物(wu)行為分(fen)析軟件(jian)+IR紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)系(xi)統(tong)。

IR紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)系(xi)統(tong)由紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)相(xiang)機、專業(ye)熱(re)成(cheng)像(xiang)軟(ruan)件(jian)、防護(hu)罩、固(gu)定(ding)支架(jia)等部分(fen)組成。

紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)相(xiang)機選(xuan)用高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)（640×512）、高(gao)溫度(du)靈(ling)敏(min)度(du)（0.03℃）的Thermo-RGB熱(re)成(cheng)像(xiang)相(xiang)機。高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)保證了長距離(li)監(jian)控(kong)時(shi)能(neng)夠(gou)拍(pai)攝(she)到(dao)高(gao)清晰度(du)的照(zhao)片。高(gao)溫度(du)靈(ling)敏(min)度(du)（0.03℃）意(yi)味著(zhe)高(gao)於0.03℃的溫度(du)差(cha)異即可(ke)分(fen)辨(bian)出(chu)來(lai)。

Thermo-RGB鏡頭(tou)可更(geng)換(huan)、可(ke)聚焦(jiao)。焦(jiao)距(ju)決(jue)定(ding)了相(xiang)機視(shi)場(chang)角的大小(xiao)，因(yin)此(ci)Thermo-RGB相機的鏡(jing)頭(tou)具(ju)有(you)手動(dong)聚焦(jiao)的功能(neng)和可(ke)更(geng)換(huan)的設(she)計(ji)，能(neng)夠(gou)使(shi)我們可根據(ju)安裝(zhuang)的實(shi)際(ji)場(chang)地(di)靈(ling)活(huo)地(di)選(xuan)擇(ze)合適(shi)的焦(jiao)距(ju)。

Thermo-RGB幀頻9Hz、30Hz和60Hz可(ke)選(xuan)。對(dui)於高(gao)速(su)移(yi)動的動(dong)物(wu)，須選(xuan)配(pei)60Hz的快(kuai)速(su)相(xiang)機。

除此(ci)之(zhi)外(wai)，Thermo-RGB相機使(shi)用了(le)USB3.0或(huo)者以太(tai)網(wang)路線的供(gong)電(dian)方(fang)式(shi)，耗電(dian)量極(ji)低，從(cong)而(er)避免了特(te)殊的制(zhi)冷(leng)設(she)備的使(shi)用，也(ye)大大縮小(xiao)了(le)相機的尺(chi)寸(cun)，非(fei)常(chang)適(shi)合(he)野(ye)外(wai)使(shi)用。Thermo-RGB相機具(ju)有(you)的高(gao)度(du)可(ke)定(ding)制化(hua)和優(you)良的環(huan)境(jing)適(shi)應(ying)性。

為了保證紅外(wai)熱成(cheng)像(xiang)相(xiang)機能(neng)夠(gou)在(zai)復雜多(duo)變(bian)的自(zi)然(ran)環(huan)境(jing)下正常(chang)工作(zuo)，Thermo-RGB相機配(pei)備了(le)專業(ye)的室(shi)外(wai)防護(hu)罩及安裝(zhuang)支(zhi)架和配(pei)件。防護(hu)罩具(ju)備IP67的防護(hu)等級（級別高(gao)的防塵(chen)等級和僅(jin)次(ci)於(yu)長時(shi)間浸泡(pao)的防水(shui)等級），並內置了(le)加(jia)熱(re)系(xi)統(tong)和鍺窗(chuang)（鍺元(yuan)素(su)化學性質較為(wei)穩(wen)定(ding)且(qie)在(zai)遠紅外(wai)波段(duan)透(tou)光(guang)性較(jiao)好(hao)），因(yin)此(ci)能(neng)夠(gou)出(chu)色應(ying)對(dui)灰塵(chen)、雨(yu)雪、冰(bing)凍(dong)等惡劣天(tian)氣。

Thermo-RGB相(xiang)機配(pei)備出(chu)色的專(zhuan)業(ye)熱(re)成(cheng)像(xiang)采(cai)集(ji)和分(fen)析軟件。軟(ruan)件(jian)除了(le)能(neng)夠(gou)自(zi)動(dong)識(shi)別和配(pei)置地(di)址(zhi)，快(kuai)速(su)穩(wen)定(ding)地(di)連接相(xiang)機外(wai)，還包含(han)多種調色板和測(ce)量工具(ju)，可(ke)實現點、線、面(mian)的動(dong)態(tai)測(ce)量和直觀(guan)呈(cheng)現。 

VIS動(dong)物行為分(fen)析軟件(jian)是(shi)基於顏(yan)色(se)反(fan)差(cha)法的專(zhuan)業(ye)研(yan)究(jiu)軟件(jian)。它具(ju)備多(duo)種基於反(fan)差(cha)法和背(bei)景(jing)減除法的過(guo)濾、識別功能(neng)；可(ke)跟(gen)蹤多個(ge)身體點（質心、頭(tou)、中線中心、尾(wei)）；可(ke)將(jiang)輸(shu)出(chu)結果(guo)疊(die)加(jia)在(zai)原文件上顯(xian)示(shi)，具(ju)備豐富(fu)的圖(tu)表(biao)功能(neng)；用戶自(zi)定(ding)義跟(gen)蹤時(shi)長，無(wu)需整個(ge)文件全部(bu)跟(gen)蹤。

除了(le)二(er)維(wei)平面上(shang)的目(mu)標(biao)識(shi)別和跟(gen)蹤分(fen)析，VIS動物行為分(fen)析軟件(jian)還提供(gong)3D跟(gen)蹤、分(fen)析和模(mo)型輸(shu)出(chu)。

VIS動(dong)物(wu)行為分(fen)析軟件(jian)能(neng)夠(gou)自(zi)動(dong)繪(hui)制隨時(shi)間變(bian)化的行為軌(gui)跡，並自(zi)動(dong)計(ji)算數(shu)十項行為參數(shu)，如(ru)移動距離(li)、速(su)度(du)和速(su)率(lv)、加(jia)速(su)度(du)、移(yi)動(dong)方(fang)向、取向、移(yi)動方(fang)向和取向變(bian)化速(su)率(lv)、活動/非(fei)活動(dong)時(shi)間和比(bi)例(li)、個(ge)體間距離（IID）、區域(yu)訪問(wen)次(ci)數(shu)和停(ting)留(liu)時(shi)間等。

VISIR動物(wu)行為觀(guan)測(ce)分(fen)析系(xi)統(tong)也可(ke)用於(yu)蝙蝠(fu)以外(wai)的野(ye)生哺(bu)乳動(dong)物(wu)以及(ji)動(dong)物園籠(long)舍(she)中的陸(lu)生動物(wu)的行為分(fen)析、能(neng)量代(dai)謝(xie)研(yan)究(jiu)。