从蝙蝠和红外热成像说起——VISIR动物行为观测分析系统应用

从蝙蝠和红外热成像说起——VISIR动物行为观测分析系统

新冠肺炎疫情的发生把蝙蝠又一次推上了风口浪尖，也让人们对蝙蝠的认识从人类发明雷达的启示者扩展到病毒的“宜居港湾”和强力传播者。疫情期间，源自军事领域、在工业领域广泛应用的红外热成像技术也进入到大众的视野。红外热成像技术因其非接触、高通量、高测温精度等优势，被广泛地用在交通枢纽、人群聚居场所出入口的体温筛查。

而如果把蝙蝠和红外热成像结合起来，也就是用红外热成像拍摄夜行群居的蝙蝠，会是怎样一副景象呢？下图便是使用红外热成像拍摄的栖息在洞穴上方的542000只巴西无尾蝙蝠。研究人员从中发现它们的栖息面积（图中为200m2）会扩张伸缩，并推测这是由蝙蝠的热调节行为引起的。

再来一个特写（下图），我们会发现密集栖息的区域A的温度高于少量蝙蝠栖息的区域B。而在区域C一只蝙蝠刚“着陆”，因为飞行过程存在对流冷却，所以翼的温度比身体温度低7℃。

作为夜行的且唯一能够真正飞行的哺乳动物，蝙蝠的行为生理研究往往局限在实验室。而传统野外调查的成像方法，如夜视仪、红外相机、使用闪光灯的数码相机、雷达等往往受到空间范围和分辨率的限制。红外热成像则能够做到高时间、空间分辨率采集，且无损非干扰，更能够在夜晚使用。

除了洞穴栖息的蝙蝠，飞行状态的蝙蝠也可以使用红外热成像记录。如下图，拍摄了巴西无尾蝙蝠“倾巢而出”的景象。照片中蝙蝠的身后的“尾巴”是因红外热成像响应时间慢产生的，但也表现出飞行环境的复杂。

动物行为的分析往往借助计算机视觉技术，即用摄影机和计算机代替人眼，对目标进行识别、跟踪、分析和处理。但也往往受限于光照、拍摄背景等因素，所以更多地用于实验室可控环境中。而热成像捕捉的蝙蝠图像身体质心处的温度最高，边缘温度低，所以明显的温度/颜色差异非常适合采用计算机视觉的算法分析，从而实现自动识别和跟踪，用于蝙蝠种群数量的调查统计。下图从左向右依次展示了计算机视觉自动化分析过程中原始图像、目标识别、轨迹绘制。

数十年来实验室的研究工作已经深入揭示了蝙蝠如何探查、接近、捕获它们的昆虫天敌以及昆虫如何逃避。而红外热成像使得在自然环境调查研究蝙蝠的捕食行为成为可能。下图从左向右依次展示了两个不同位置的红外热成像相机的视野和蝙蝠捕捉飞蛾的3D模型。

为便于蝙蝠、鸟类的野外调查研究，北京易科泰生态技术有限公司为您提供野生动物调查专用的VISIR系统——VIS动物行为分析软件+IR红外热成像系统。

IR红外热成像系统由红外热成像相机、专业热成像软件、防护罩、固定支架等部分组成。

红外热成像相机选用高分辨率（640×512）、高温度灵敏度（0.03℃）的Thermo-RGB热成像相机。高分辨率保证了长距离监控时能够拍摄到高清晰度的照片。高温度灵敏度（0.03℃）意味着高于0.03℃的温度差异即可分辨出来。

Thermo-RGB镜头可更换、可聚焦。焦距决定了相机视场角的大小，因此Thermo-RGB相机的镜头具有手动聚焦的功能和可更换的设计，能够使我们可根据安装的实际场地灵活地选择合适的焦距。

Thermo-RGB帧频9Hz、30Hz和60Hz可选。对于高速移动的动物，须选配60Hz的快速相机。

除此之外，Thermo-RGB相机使用了USB3.0或者以太网路线的供电方式，耗电量极低，从而避免了特殊的制冷设备的使用，也大大缩小了相机的尺寸，非常适合野外使用。Thermo-RGB相机具有的高度可定制化和优良的环境适应性。

为了保证红外热成像相机能够在复杂多变的自然环境下正常工作，Thermo-RGB相机配备了专业的室外防护罩及安装支架和配件。防护罩具备IP67的防护等级（最高的防尘等级和仅次于长时间浸泡的防水等级），并内置了加热系统和锗窗（锗元素化学性质较为稳定且在远红外波段透光性较好），因此能够出色应对灰尘、雨雪、冰冻等恶劣天气。 

Thermo-RGB相机配备出色的专业热成像采集和分析软件。软件除了能够自动识别和配置地址，快速稳定地连接相机外，还包含多种调色板和测量工具，可实现点、线、面的动态测量和直观呈现。

VIS动物行为分析软件是基于颜色反差法的专业研究软件。它具备多种基于反差法和背景减除法的过滤、识别功能；可跟踪多个身体点（质心、头、中线中心、尾）；可将输出结果叠加在原文件上显示，具备丰富的图表功能；用户自定义跟踪时长，无需整个文件全部跟踪。

除了二维平面上的目标识别和跟踪分析，VIS动物行为分析软件还提供3D跟踪、分析和模型输出。

VIS动物行为分析软件能够自动绘制随时间变化的行为轨迹，并自动计算数十项行为参数，如移动距离、速度和速率、加速度、移动方向、取向、移动方向和取向变化速率、活动/非活动时间和比例、个体间距离（IID）、区域访问次数和停留时间等。

VISIR动物行为观测分析系统也可用于蝙蝠以外的野生哺乳动物以及动物园笼舍中的陆生动物的行为分析、能量代谢研究。