ここで時間の長い期間にわたって動物を個別に追跡するためのプロトコルを提案する.コンピュータ ビジョン同時に家、に関する情報を提供する事例としてロブスターのグループを使用して手動で構築されたタグのセットを識別するためのメソッドの操作、およびロブスターをマークを使用します。
方法論記事
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ここで時間の長い期間にわたって動物を個別に追跡するためのプロトコルを提案する.コンピュータ ビジョン同時に家、に関する情報を提供する事例としてロブスターのグループを使用して手動で構築されたタグのセットを識別するためのメソッドの操作、およびロブスターをマークを使用します。
背景差分と cohoused 動物を個別に追跡することが可能になります画像の閾値に基づいてビデオ追跡手法に関連するプロトコルを提案します。5 日間の暗闇に光条件下で 4 cohoused ノルウェーのロブスター (アカザエビ norvegicus) と追跡ルーチンをテストしました。ロブスターは個別にタグ付けされていた。実験のセットアップと使用されるトラッキング技術は、オープン ソースのソフトウェアに基づいています完全。手動検出と追跡出力の比較は、ロブスターが正しくされたことを示します、倍の 69% を検出します。正しく検出されたロブスターの間で彼らの個々 のタグが正しく時代の 89.5% を識別します。プロトコルで使用されるフレーム レートとロブスターの移動率を考えるビデオのトラッキングの性能は良い品質と代表の結果研究ニーズ (個人の貴重なデータを生産のプロトコルの有効性をサポート空間の収容人数や自発運動パターン)。ここで提示されたプロトコルは、簡単にカスタマイズすることができ、、それ故に、グループの標本の個々 の追跡が貴重な研究の質問に答えるためにすることができます他の種に譲渡。
ここ数年でイメージ ベースの自動追跡は生態および行動の訓練1の基本的な質問を探検する使用ことができる高精度なデータセットを提供しています。これらのデータセットは、動物の行動2,3の定量分析に使用できます。ただし、動物と行動評価を追跡するために使用される各画像の方法論は、その長所と短所。映画の前のフレームから空間情報を使用して、トラックの動物4,5,6イメージ ベースの追跡プロトコル、2 つの動物のパスが渡るときエラーを導入できます。これらのエラーは一般的に不可逆と反映されるまでの時間。この問題5,7をほぼ排除に削減したりコンピューターの進歩にもかかわらず正確な動物の個体識別と追跡のためこれらのテクニックは同種の実験環境をまだ必要があります。
動物を一意に識別することができますマークの雇用これらのエラーを回避し、識別された個人の長期的な追跡が可能します。広く使用されているマーカー (例えばバーコード、QR コード) 商工業の存在し、識別できるよく知られているコンピューター ビジョン技術を使用して拡張現実感など現実 (例えば、ARTag8) とカメラのキャリブレーション (例えば、CALTag9).タグ動物は隔離タグ3を認識するための例、アリ3または蜂10がこれらの以前のシステムのいくつかが最適化されていないため以前異なる動物種の高スループット行動研究のため使用されています。
本稿で示される追跡プロトコルが適しており、1 チャンネル画像、赤外線 (IR) や単色光などで動物を追跡するため (特に、青色光を使用)。したがって、開発メソッドはされても、その他の設定に適用されるカラー キューを使用しませんが照明で制約があります。さらに、我々 はロブスターを邪魔し、同時に低価格のカメラで記録を可能にしないように設計されているカスタマイズされたタグを使用します。さらに、ここで使用されるメソッドはフレームに依存しないタグ検出に基づいて (すなわち.、アルゴリズムに関係なく、以前の軌道イメージの各タグの存在を認識し)。この機能は、動物は一時的に遮蔽することができます、または動物の軌道が交差する可能性がありますに関連します。
タグのデザインは、動物の異なるグループにその使用をことができます。メソッドのパラメーターを設定した後は、特定の分類子 (他の甲殻類や巻貝) の訓練を必要とせず他の動物追跡の問題に取り組むために転送でした。プロトコルをエクスポートの主な制限は、タグとなる小さな昆虫、ハエ、蜂などには適していません) 動物への愛着の必要性と動物の動きの 2次元仮定のサイズです。この制約は重要な手法は、タグのサイズは一定前提としています。(例えば、魚) の 3 D 環境で自由に動く動物は、カメラへの距離に応じて別のタグのサイズを示すでしょう。
このプロトコルの目的は、時間 (数日または数週間など) の 2D コンテキストの長い期間にわたって複数のタグ動物を追跡するためのユーザーフレンドリーな方法を提供することです。方法論的アプローチは、オープン ソースのソフトウェアとハードウェアの使用に基づいています。フリーでオープン ソース ソフトウェアにより、適応、変更、および自由な再配布;したがって、生成されるソフトウェアが各ステップ11,12で向上します。
プロトコルは実験室を追跡し、5 日間のタンクの 4 つの水生動物の自発運動を評価するように設定に焦点を当てて紹介。動画ファイルは 1 秒のタイムラプス映像から記録あり (1 記録された日は、ビデオの約 1 時間を占めている) 1 秒あたり 20 フレームでビデオでコンパイルされます。すべてのビデオ録画が自動的にポストプロセッシング済みコンピューター ビジョン メソッドは、アルゴリズムを適用する動物の位置を取得します。プロトコルは、大量の追跡データ、時間かかると以前の実験論文13で示されている彼らの手動アノテーションを回避を取得できます。
ノルウェーのロブスター (アカザエビ norvegicus) を使用して、ケース ・ スタディのしたがって、我々 はそれらを維持するために種特異的な実験条件を提供します。ロブスターは概日時計の14,15の制御下にあるよく研究穴の出現リズムを行い、cohoused、支配階層16,17が形成します。したがって、ここに示すモデルは行動の概日リズムの特定の焦点との社会の変調に興味がある研究者の良い例です。
ここで紹介する方法は、再現が容易と個々 のタグを持つ動物を区別する可能性がある場合に他の種に適用できます。研究室では、このようなアプローチを再現するための最小要件が (i) 等温室実験のセットアップ;(ii) の連続的な水の供給;(iii) 水の温度制御機構;(iv) の調光システム。(v)、USB カメラと標準的なコンピューター。
このプロトコルでは、Python18と OpenCV19 (オープン ソース コンピューター ビジョン ライブラリ) を使用します。我々 高速で広く用いられているなどの操作 (実装および実行の点では両方) バック グラウンド減算20と画像閾値21,22に頼る。
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本研究で使用される種は、種の絶滅危惧種や保護種ではありません。サンプリングおよび実験室の実験は、スペインの法律および動物福祉に関する社内制度 (ICM CSIC) 規定に続いた。地方自治体 (カタルーニャ地方政府) の権限を持つ動物のサンプリングを行った。
1. 動物のメンテナンスとサンプリング
注:次のプロトコルは、研究者が光受容体23への損傷を避けるために夜の間にフィールド名どぶねずみを試すことができます仮定に基づいています。(名) どぶねずみの日光への暴露を避ける必要があります。サンプリング後、ロブスターは順化施設報告以前17,24海水 (13 ° C) の連続的な流れのような建物になっています。本研究で使用される動物は、頭胸部長 (CL; 平均 ± SD) 43.92 ± の intermoult 状態男性 2.08 mm (N = 4)。

図 1: 施設順化ビュー 。タンク棚 (、)。(a1)海水を入力します。(a2)蛍光灯シーリング ライト。青い光の詳細 (b) 照明。(c) 動物細胞の詳細。(d) 分離施設コントロール パネルの詳細。入口の 1 つの (e) 温度設定。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
2. タグの建設
注:ここで使用するタグは、対象動物または他の特定の考慮事項の特性に応じて変更できます。

図 2: ロブスターの個々 のタグ付けに使用される 4 つのタグです。円、丸穴、三角形、三角形の穴。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
3. 実験のセットアップ
注:実験のアリーナは、実験室から独立したが、順化施設に近接するはずです。

図 3: 実験のセットアップ。(、) の実験の組み立て図のタンクとビデオ集録。(b) 試験水槽の一般的なビュー。人工巣穴を示す実験タンクの下部 (c) 表示。船型試験水槽の底を示す (d) 上に表示します。(e) 巣穴の入り口の 1 つの詳細です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
4. 実験的試みと動物の準備
注:順化施設で、ノルウェーのロブスター25の分光感度によると赤い光条件の下で、動物のすべての手順を行う必要があります。馴化および実験施設間動物を移動するときは、不透明の黒バッグを使用して冷蔵庫をカバーする光、ロブスターの任意の露出を避けてください。

図 4: Raw ビデオ フレーム。時間経過のビデオの 1 つからの代表的なフレームの例は、実験中に収集されました。右上に日付、時刻、およびフレームのタイムスタンプを示す.イメージの下の隅にタンクのイルミネーションの違いに気づきます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
5. ビデオ解析スクリプト
6. コンピューター ビジョン スクリプト ビデオ解析用
注:実験のセットアップに関連するエラーが発生しないために、スクリプトは魚眼レンズの画像補正を回避できます。それにもかかわらず、OpenCV カメラ校正機能29ベクトルと行列の回転方法30,31に基づくとこれを修正することが可能です。

図 5: ビデオ処理スクリプトの関連するステップ(1) 評価最後の 100 の平均をバック グラウンド減算モーション フレーム。(2) バック グラウンド減算アルゴリズムの結果です。(3) 適用ホワイト検出エリアを拡張させる形態操作。(4) 適用を修正、静的、メインの投資収益率黄色のポリゴンは、下部タンクに対応します。(5) はメインの ROI 内の各白検出領域の輪郭を計算し、各検出された輪郭線の構造解析を実行します。(6) 構造のプロパティ値をチェックし、次に、2 番目のレベルの投資収益率の候補者を選択します。Binarize 大津閾値アルゴリズム; を使用してフレーム (7)スクリプトは、2 番目レベル ・ ロワでのみ動作します。(8) それぞれは第 2 レベルの投資収益率を二値化、白領域の輪郭を計算して輪郭検出のために構造の解析を実行します。(9) チェック構造のプロパティ値し、内部投資収益率の候補者を選択します。(10) 各輪郭内部投資収益率候補で、記述子/モーメントを計算します。(11) モデルで検出された図形と一致する図形し、最高試合候補者に多角形を近似する場合はチェックします。(12) おおよその多角形の頂点の数を確認し、幾何学的図形を決定する: 円または三角形。(13) 計算図センターと黒のピクセルが発生する場合はチェックyes の場合、穴の図です。(14) フレーム解析後視覚的な結果です。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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自動ビデオ解析を検証する実験データのサブセットを手動で構築しました。(これはサンプルがその許容誤差内の人口を正確に反映するかどうかを示すものさし) 99% の信頼水準との 4% の誤差 1,308 フレームのサンプル サイズ (どれだけ近いかを表す比率である、サンプルを与えた応答は人口の実際の値) ランダムに選択された Roi を正確に識別の各 ROI 内のタグの正しい識別マニュアル注釈を行った。いくつかのロブスターは巣穴の中隠される可能性がありますまたは 1 つの ROI を含む複数の動物または誤検出するために単一のフレームが不確定の範囲内で可変・ ロワ数に含まれることに注意してください。
1,308 フレームで動物の総数は 3,852 (人手 ROIs) だった。メソッドは、3,354 動物検出を明らかにしました。701 (21%) の合計これらの検出の偽陽性 (すなわち、ロブスターは背景と混同・ ロワの数) であった。動物の合計数のカウント、2,...
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ビデオ追跡プロトコルにより得られたパフォーマンスと代表の結果は、社会的変調と cohoused 動物の概日リズムの特定の焦点と、動物行動の分野での応用研究の有効性を確認しました。動物検出 (69%) の効率化タグ差別 (89.5%) の精度使用対象種の行動特性 (すなわち、運動率) と相まってここでこのプロトコルである長期的な実験 (例えば、数日から数週間) に最適なソリューションを提案します。また、プロトコルが使いやすく、その開発に高速であることの基本的な利点を提供しています、カスタマイズに関するその他のテクニック、自動学習アルゴリズムなどとニューラル ネットワーク43。ここで使用されるトラッキング技術は、44のわずかに異なるアプローチを開始した実験的アクティビティの最終的な絞り込みを表しています。
プロトコルの重要なステップは、タグのデザイン。他のタグのデザインの実装が大津の二値化のパフォーマンスを改善できることを検討します。たとえば、エラーの原因の 1 つはここでタグの円の外の黒と...
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著者が明らかに何もありません。
著者は、この作品の出版を資金博士ジョアン * 会社に感謝しています。また、著者らは、実験的な作品の中に彼らの助けのための実験的水族館ゾーン バルセロナ (ICM CSIC) 海洋科学研究所の技術者に感謝しています。
この作品は、RITFIM プロジェクトによって支えられた (CTM2010 16274; 主任: J. 阻害される) スペイン語省、科学とイノベーション (MICINN) とスペイン語省経済と競争力から TIN2015 66951 C2 2 R の助成金によって設立されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Tripod 475 | Manfrotto | A0673528 | Discontinued |
| Articulated Arm 143 | Manfrotto | D0057824 | |
| Discontinued Camera USB 2.0 uEye LE | iDS | UI-1545LE-M | https://en.ids-imaging.com/store/products/cameras/usb-2-0-cameras/ueye-le.html |
| Fish Eye Len Cマウント f = 6 mm/F1.4 | Infaimon | Standard Optical | https://www.infaimon.com/es/estandar-6mm |
| グラスファイバータンク 1500 x 700 x 300 mm3 | |||
| ブラック フェルト生地 | |||
| 木質構造タンク | 5 ウッドストリップ 50x50x250 mm | ||
| ウッドストラクチャーフェルト生地 | 10 ウッドストリップ 25x25x250 mm | ||
| ステンレス鋼ネジ | ウッドストリップ構造 PC の固定に必要な数だけ | ||
| 2コアCPU、4GBのRAM、1GBのグラフィックス、500GBのHD | |||
| 外部ストレージHDD | 2TBの容量が望ましい | ||
| Windows PC用のiSPYソフトウェア | iSPY | の https://www.ispyconnect.com/download.aspx | |
| Zoneminderソフトウェア Linux PC | Zoneminder | ||
| https://zoneminder.com/ OpenCV 2.4.13.6 ライブラリ | OpenCV | https://opencv.org/ | |
| Python 2.4 | Python | ||
| https://www.python.org/ キャンプ用アイスボックス | |||
| プラスチックトレイ | |||
| シアノクリレートゲル | タグに接着」s | ||
| 黒色PVCプラスチックシート(厚さ1mm) | の構造白い | ||
| PVCプラスチックシート1枚(厚さ1mm) | タグの構造 | ||
| 4枚s ø40 mm | 、黒&白のPVCプラスチックシートでMaked | ||
| 3 mブルーストリッドLEDライト(480 nm) | 望ましいように防水 | ||
| m IRストリッドLEDリグト(850 nm) | 望ましいように防水 | ||
| m メタクリレートパイプ&オスラッシュ;15 mm | 密閉型ストリッド | ||
| LED4 PVCエルボ 45oØ 63 mm | 穴穴構造 | ||
| 3 mフレキシブルPVCパイプØ 63 mm | 穴穴構造 | ||
| 4 PVCスクリューキャップØ 63 mm | 穴穴構造 | ||
| 穴穴構造 | |||
| 4メスPVCソケット接着剤/スレッド&オスラッシュ; 63 mm | バロー構造 | ||
| 10 m DC 12 V 電気ケーブル | 光制御機構 | ||
| Ligt 電源 DC 12 V 300 W | 光制御機構 | ||
| MOSFET、RFD14N05L、N-Canal、14 A、50 V、3ピン、IPAK (TO-251) | RSコンポーネント | 325-7580 | 光制御機構 |
| ダイオード、1N4004-E3/54、1A、400V、DO-204AL、2ピン | RSコンポーネント | 628-9029 | 調光機構 |
| ヒューズホルダ | RSコンポーネンツ | 336-7851 | 調光機構 |
| 2ウェイパワーターミナル 3.81 mm | RSコンポーネンツ | 220-4658 | 調光機構 |
| コンデンサー220 & マイクロ;F 200V | RSコンポーネ | 440-6761 | 調光機構 |
| 抵抗 2K2 7W | RSコンポーネンツ | 485-3038 | 調光機構 |
| ヒューズ 6.3×32mm23A | RSコンポーネンツ | 413-210 | 調光機構 |
| Arduino Uno Atmel Atmega 328 MCUボード | RSコンポーネンツ | 715-4081 | 調光機構 |
| プロトタイプボードCEM3,3 オリフィック,RE310S2 | RSコンポーネンツ | 728-8737 | 調光機構 |
| DC/DCコンバータ,12 Vin,+/-5 Vout 100mA 1W RS | コンポーネンツ | 689-5179 | 調光機構 |
| 2 SERA T8 青月光蛍光灯 36ワット | SERA | 販売終了/遮光設備 |
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