從蝙蝠和紅外熱成像說起——VISIR動物行為觀測分析系統(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，也讓人們對蝙蝠的認(rèn)識從人類發(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、高測溫精度等優(yōu)勢，被廣泛地用在交通樞紐、人群聚居場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，也就是用紅外熱成像拍攝夜行群居的蝙蝠，會是怎樣一副景象呢？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）會擴(kuò)張伸縮，并推測這是由蝙蝠的熱調(diào)節(jié)行為引起的。

再來一個(gè)特寫（下圖），我們會發(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行過程存在對流冷卻，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。

動物行為的分析往往借助計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，即用攝影機(jī)和計(jì)算機(jī)代替人眼，對目標(biāo)進(jìn)行識別、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)視覺的算法分析，從而實(shí)現(xiàn)自動識別和跟蹤，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)視覺自動化分析過程中原始圖像、目標(biāo)識別、軌跡繪制。

數(shù)十年來實(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物調(diào)查的VISIR系統(tǒng)——VIS動物行為分析軟件+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。

Thermo-RGB鏡頭可更換、可聚焦。焦距決定了相機(jī)視場角的大小，因此Thermo-RGB相機(jī)的鏡頭具有手動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)際場地靈活地選擇合適的焦距。

Thermo-RGB幀頻9Hz、30Hz和60Hz可選。對于高速移動的動物，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（級別高的防塵等級和僅次于長時(shí)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。

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

VIS動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濾、識別功能；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，無需整個(gè)文件全部跟蹤。

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

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

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