Här presenterar vi ett protokoll för att individuellt spåra djur över en lång tidsperiod. Den använder datorseende metoder för att identifiera en uppsättning manuellt byggyta Taggar med hjälp av en grupp av hummer som fallstudie, samtidigt ger information om hur man hus, manipulera och markera hummer.
Vi presenterar ett protokoll som relaterade till en video-tracking-teknik utifrån bakgrunden subtraktion och bild tröskelvärde som gör det möjligt att individuellt spåra cohoused djur. Vi testade rutinen spårning med fyra cohoused havskräftor (Nephrops norvegicus) ljus-mörker villkor under 5 dagar. Hummer hade märkts individuellt. Den experimentella setup och de spårning tekniker som används är helt baserad på öppen källkod. Jämförelse av spårning utdata med en manuell identifiering antyder att hummer var korrekt upptäckt 69% av gånger. Bland korrekt identifierade hummer, deras enskilda Taggar var korrekt identifierade 89,5% av gånger. Med tanke på den bildhastighet som används i protokollet och andelen rörelse av hummer, prestanda för video spårning har en god kvalitet, och de representativa resultat stöder giltigheten av protokollet i producerar värdefulla data för forskningsbehov (individuell utrymme beläggning eller rörelseaktivitet mönster). Det protokoll som presenteras här kan enkelt anpassas och är därför överlåtbara till andra arter där enskilda spårning av prover i en grupp kan vara värdefulla för att besvara forskningsfrågor.
Under de senaste åren, har automatiserade image-baserad spårning lämnat mycket noggranna datamängder som kan användas för att utforska grundläggande frågor i ekologi och beteende discipliner1. Dessa datamängder kan användas för kvantitativ analys av djurens beteende2,3. Varje bild-metod som används för att spåra djur och beteende utvärdering har dock sina styrkor och begränsningar. I image-baserad spårning protokoll som använder spatial information från föregående bildrutor i en film för att spåra djur4,5,6, kan fel införas när sökvägarna för två djur korsa. Dessa fel är vanligen oåterkalleliga och spridits genom tid. Trots computational framsteg som minskar eller nästan eliminera detta problem5,7, behöver dessa tekniker fortfarande homogen experimentella miljöer för korrekt identifiering och spårning.
Anställning av märken som kan identifieras unikt djur undviker dessa fel och tillåter långsiktiga spårning av identifierade individer. Allmänt använda markörer (t.ex., streckkoder och QR-koder) finns i industri- och handelskammare och kan identifieras med hjälp av välkända dator vision tekniker, såsom augmented reality (t.ex. ARTag8) och kamerakalibrering (t.ex., CALTag9 ). Taggad djur har tidigare använts för hög genomströmning beteendevetenskapliga studier i olika djurarter, för exempel, myror3 eller bin10, men några av dessa tidigare system inte är optimerad för att erkänna isolerade Taggar3.
Spårning protokollet presenteras i denna uppsats är speciellt lämplig för att spåra djur i en kanal bildspråk, såsom infraröd (IR) ljus eller monokromatiskt ljus (särskilt, vi använder blått ljus). Därför använder inte metoden utvecklats färg cues, som också gäller för andra inställningar där det finns begränsningar i belysningen. Dessutom använder vi anpassade taggar utformade så att störa hummer och samtidigt tillåta inspelning med billiga kameror. Dessutom den metod som används här är baserad på ram-oberoende tag upptäckt (i.e., algoritmen erkänner förekomsten av varje tagg i bilden oavsett tidigare trajectoriesen). Denna funktion är relevanta i applikationer där djur kan vara tillfälligt ockluderas eller djurens banor kan överlappa.
Tag designen tillåter dess användning i olika grupper av djur. När parametrarna för metoden är inställda, kan det överföras för att ta itu med andra djur-tracking problem utan att behöva utbildning en specifik klassificerare (andra kräftdjur eller snäckor). De viktigaste begränsningarna exporterande protokollet är storleken på etiketten och behovet för fastsättning på djuret (vilket gör den inte lämplig för små insekter, såsom flugor, bin, etc.) och 2D antagandet för djurens förflyttning. Denna begränsning är betydande, eftersom den föreslagna metoden förutsätter tagg storlek förblir konstant. Ett djur som rör sig fritt i en 3D-miljö (t.ex. fisk) skulle visa olika tag storlekar beroende på avstånd till kameran.
Syftet med detta protokoll är att tillhandahålla en användarvänlig metod för att spåra flera märkta djur under en lång tid (dagar eller veckor) i ett 2D sammanhang. Metoden som är baserad på användning av öppen programvara och maskinvara. Fri och öppen källa mjukvaran tillåter anpassningar, ändringar och gratis omfördelning; Därför förbättrar genererade programvaran varje steg11,12.
Protokollet presenteras här fokuserar på ett laboratorium att spåra och utvärdera rörelseaktivitet fyra vattenlevande djur i en tank för 5 dagar. Videofiler inspelade från en 1 s time-lapse image och sammanställas i en video på 20 bildrutor per sekund (1 inspelade dag upptar cirka 1 h video). Alla videoinspelningar är automatiskt postprocessed att erhålla djurens positioner, tillämpa dator vision metoder och algoritmer. Protokollet tillåter att få stora mängder spåra data, undvika deras manuell anteckning, som har visat sig vara tidskrävande och mödosam i tidigare experimentella papper13.
Vi använder havskräfta (Nephrops norvegicus) för fallstudien; Således, vi tillhandahåller artspecifika laboratorieförhållanden att upprätthålla dem. Humrar utföra väl studerat håla uppkomsten rytmer som är under kontroll av dygnsrytm klockan14,15, och när cohoused, de bildar dominans hierarki16,17. Därför, den modell som presenteras här är ett bra exempel för forskares sociala moduleringen av beteende med särskilt fokus på dygnsrytmen.
Metoden presenteras här återges enkelt och kan tillämpas på andra arter om det finns en möjlighet att skilja mellan djur med enskilda Taggar. Minimikraven för att återge en sådan strategi i laboratoriet är (i) isotermiska rum för experimentell inställningar; (ii) en kontinuerlig vattenförsörjning; (iii) vatten temperatur kontrollmekanismer; (iv) ett system för ljusstyrning. (v) en USB-kamera och en vanlig dator.
I detta protokoll använder vi Python18 och OpenCV19 (öppen källkod dator Vision Library). Vi förlitar oss på snabb och allmänt tillämpade åtgärder (både när det gäller genomförande), såsom bakgrund subtraktion20 och bild tröskelvärde21,22.
Prestanda och representativa resultat av protokollet video-tracking bekräftade dess giltighet för tillämpad forskning inom djurens beteende, med särskilt fokus på sociala modulering och dygnsrytmen av cohoused djur. Effektiviteten i animal detection (69%) och riktigheten av taggen diskriminering (89,5%) tillsammans med de beteendemässiga egenskaperna (dvs. rörelse ränta) det målarter som används här tyder på att detta protokoll är en perfekt lösning för långsiktig experimentella studier (t.ex., dagar och …
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Dr Joan B. företaget som finansierade publiceringen av detta arbete. Även är författarna tacksam till tekniker av den experimentella akvarium zonen vid Institutet för marina vetenskaper i Barcelona (ICM-CSIC) för deras hjälp under det experimentella arbetet.
Detta arbete stöds av projektet RITFIM (CTM2010-16274; Projektledare: J. Aguzzi) grundades av det spanska ministeriet för vetenskap och Innovation (MICINN) och TIN2015-66951-C2-2-R bidraget från det spanska ministeriet för ekonomi och konkurrenskraft.
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-mount f=6mm/F1.4 | Infaimon | Standard Optical | https://www.infaimon.com/es/estandar-6mm |
Glass Fiber Tank 1500x700x300 mm | |||
Black Felt Fabric | |||
Wood Structure Tank | 5 Wood Strips 50x50x250 mm | ||
Wood Structure Felt Fabric | 10 Wood Strips 25x25x250 mm | ||
Stainless Steel Screws | As many as necessary for fix wood strips structures | ||
PC | 2-cores CPU, 4GB RAM, 1 GB Graphics, 500 GB HD | ||
External Storage HDD | 2 TB capacity desirable | ||
iSPY Sotfware for Windows PC | iSPY | https://www.ispyconnect.com/download.aspx | |
Zoneminder Software Linux PC | Zoneminder | https://zoneminder.com/ | |
OpenCV 2.4.13.6 Library | OpenCV | https://opencv.org/ | |
Python 2.4 | Python | https://www.python.org/ | |
Camping Icebox | |||
Plastic Tray | |||
Cyanocrylate Gel | To glue tag’s | ||
1 black PVC plastic sheet (1 mm thickness) | Tag's construction | ||
1 white PVC plastic sheet (1 mm thickness) | Tag's construction | ||
4 Tag’s Ø 40 mm | Maked with black & white PVC plastic sheet | ||
3 m Blue Strid Led Ligts (480 nm) | Waterproof as desirable | ||
3 m IR Strid Led Ligts (850 nm) | Waterproof as desirable | ||
6m Methacrylate Pipes Ø 15 mm | Enclosed Strid Led | ||
4 PVC Elbow 45o Ø 63 mm | Burrow construction | ||
3 m Flexible PVC Pipe Ø 63 mm | Burrow construction | ||
4 PVC Screwcap Ø 63 mm | Burrow construction | ||
4 O-ring Ø 63 mm | Burrow construction | ||
4 Female PVC socket glue / thread Ø 63 mm | Burrow construction | ||
10 m DC 12V Electric Cable | Light Control Mechanism | ||
Ligt Power Supply DC 12V 300 w | Light Control Mechanism | ||
MOSFET, RFD14N05L, N-Canal, 14 A, 50 V, 3-Pin, IPAK (TO-251) | RS Components | 325-7580 | Light Control Mechanism |
Diode, 1N4004-E3/54, 1A, 400V, DO-204AL, 2-Pines | RS Components | 628-9029 | Light Control Mechanism |
Fuse Holder | RS Components | 336-7851 | Light Control Mechanism |
2 Way Power Terminal 3.81mm | RS Components | 220-4658 | Light Control Mechanism |
Capacitor 220 µF 200 V | RS Components | 440-6761 | Light Control Mechanism |
Resistance 2K2 7W | RS Components | 485-3038 | Light Control Mechanism |
Fuse 6.3x32mm 3A | RS Components | 413-210 | Light Control Mechanism |
Arduino Uno Atmel Atmega 328 MCU board | RS Components | 715-4081 | Light Control Mechanism |
Prototipe Board CEM3,3 orific.,RE310S2 | RS Components | 728-8737 | Light Control Mechanism |
DC/DC converter,12Vin,+/-5Vout 100mA 1W | RS Components | 689-5179 | Light Control Mechanism |
2 SERA T8 blue moonlight fluorescent bulb 36 watts | SERA | Discontinued / Light isolated facility |