從蝙蝠和紅外熱成像說(shuō)起——VISIR動(dòng)物行為觀測(cè)分析系統(tǒng)應(yīng)用

新冠肺炎疫情的發(fā)生把蝙蝠又一次推上了風(fēng)口浪尖，也讓人們對(duì)蝙蝠的認(rèn)識(shí)從人類發(fā)明雷達(dá)的啟示者擴(kuò)展到病毒的“宜居港灣”和強(qiáng)力傳播者。疫情期間，源自軍事領(lǐng)域、在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的紅外熱成像技術(shù)也進(jìn)入到大眾的視野。紅外熱成像技術(shù)因其非接觸、高通量、高測(cè)溫精度等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地用在交通樞紐、人群聚居場(chǎng)所出入口的體溫篩查。

而如果把蝙蝠和紅外熱成像結(jié)合起來(lái)，也就是用紅外熱成像拍攝夜行群居的蝙蝠，會(huì)是怎樣一副景象呢？下圖便是使用紅外熱成像拍攝的棲息在洞穴上方的542000只巴西無(wú)尾蝙蝠。研究人員從中發(fā)現(xiàn)它們的棲息面積（圖中為200m2）會(huì)擴(kuò)張伸縮，并推測(cè)這是由蝙蝠的熱調(diào)節(jié)行為引起的。

再來(lái)一個(gè)特寫（下圖），我們會(huì)發(fā)現(xiàn)密集棲息的區(qū)域A的溫度高于少量蝙蝠棲息的區(qū)域B。而在區(qū)域C一只蝙蝠剛“著陸”，因?yàn)轱w行過(guò)程存在對(duì)流冷卻，所以翼的溫度比身體溫度低7℃。

作為夜行的且能夠真正飛行的哺乳動(dòng)物，蝙蝠的行為生理研究往往局限在實(shí)驗(yàn)室。而傳統(tǒng)野外調(diào)查的成像方法，如夜視儀、紅外相機(jī)、使用閃光燈的數(shù)碼相機(jī)、雷達(dá)等往往受到空間范圍和分辨率的限制。紅外熱成像則能夠做到高時(shí)間、空間分辨率采集，且無(wú)損非干擾，更能夠在夜晚使用。

除了洞穴棲息的蝙蝠，飛行狀態(tài)的蝙蝠也可以使用紅外熱成像記錄。如下圖，拍攝了巴西無(wú)尾蝙蝠“傾巢而出”的景象。照片中蝙蝠的身后的“尾巴”是因紅外熱成像響應(yīng)時(shí)間慢產(chǎn)生的，但也表現(xiàn)出飛行環(huán)境的復(fù)雜。

動(dòng)物行為的分析往往借助計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，即用攝影機(jī)和計(jì)算機(jī)代替人眼，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤、分析和處理。但也往往受限于光照、拍攝背景等因素，所以更多地用于實(shí)驗(yàn)室可控環(huán)境中。而熱成像捕捉的蝙蝠圖像身體質(zhì)心處的溫度高，邊緣溫度低，所以明顯的溫度/顏色差異非常適合采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的算法分析，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和跟蹤，用于蝙蝠種群數(shù)量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)。下圖從左向右依次展示了計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)化分析過(guò)程中原始圖像、目標(biāo)識(shí)別、軌跡繪制。

數(shù)十年來(lái)實(shí)驗(yàn)室的研究工作已經(jīng)深入揭示了蝙蝠如何探查、接近、捕獲它們的昆蟲天敵以及昆蟲如何逃避。而紅外熱成像使得在自然環(huán)境調(diào)查研究蝙蝠的捕食行為成為可能。下圖從左向右依次展示了兩個(gè)不同位置的紅外熱成像相機(jī)的視野和蝙蝠捕捉飛蛾的3D模型。

為便于蝙蝠、鳥類的野外調(diào)查研究，北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司為您提供野生動(dòng)物調(diào)查的VISIR系統(tǒng)——VIS動(dòng)物行為分析軟件+IR紅外熱成像系統(tǒng)。

IR紅外熱成像系統(tǒng)由紅外熱成像相機(jī)、專業(yè)熱成像軟件、防護(hù)罩、固定支架等部分組成。

紅外熱成像相機(jī)選用高分辨率（640×512）、高溫度靈敏度（0.03℃）的Thermo-RGB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。高溫度靈敏度（0.03℃）意味著高于0.03℃的溫度差異即可分辨出來(lái)。

Thermo-RGB鏡頭可更換、可聚焦。焦距決定了相機(jī)視場(chǎng)角的大小，因此Thermo-RGB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。

Thermo-RGB幀頻9Hz、30Hz和60Hz可選。對(duì)于高速移動(dòng)的動(dòng)物，須選配60Hz的快速相機(jī)。

除此之外，Thermo-RGB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。Thermo-RGB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，Thermo-RGB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)（級(jí)別高的防塵等級(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。

Thermo-RGB相機(jī)配備出色的專業(yè)熱成像采集和分析軟件。軟件除了能夠自動(dòng)識(shí)別和配置地址，快速穩(wěn)定地連接相機(jī)外，還包含多種調(diào)色板和測(cè)量工具，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面的動(dòng)態(tài)測(cè)量和直觀呈現(xiàn)。 

VIS動(dòng)物行為分析軟件是基于顏色反差法的專業(yè)研究軟件。它具備多種基于反差法和背景減除法的過(guò)濾、識(shí)別功能；可跟蹤多個(gè)身體點(diǎn)（質(zhì)心、頭、中線中心、尾）；可將輸出結(jié)果疊加在原文件上顯示，具備豐富的圖表功能；用戶自定義跟蹤時(shí)長(zhǎng)，無(wú)需整個(gè)文件全部跟蹤。

除了二維平面上的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤分析，VIS動(dòng)物行為分析軟件還提供3D跟蹤、分析和模型輸出。

VIS動(dòng)物行為分析軟件能夠自動(dòng)繪制隨時(shí)間變化的行為軌跡，并自動(dòng)計(jì)算數(shù)十項(xiàng)行為參數(shù)，如移動(dòng)距離、速度和速率、加速度、移動(dòng)方向、取向、移動(dòng)方向和取向變化速率、活動(dòng)/非活動(dòng)時(shí)間和比例、個(gè)體間距離（IID）、區(qū)域訪問(wèn)次數(shù)和停留時(shí)間等。

VISIR動(dòng)物行為觀測(cè)分析系統(tǒng)也可用于蝙蝠以外的野生哺乳動(dòng)物以及動(dòng)物園籠舍中的陸生動(dòng)物的行為分析、能量代謝研究。