三维运动轨迹跟踪系统

三维运动轨迹跟踪系统→鱼类研究

与手动记录行为相比,视频跟踪具有明显的优势。 视频跟踪可以准确地测量游泳速度,活动性,角速度和动物在某个区域内的持续时间。它还可以在长时间内执行不间断的观测。

传统的二维视频跟踪无法研究鱼类在三维空间内的某些运动轨迹,这意味着在一些研究中是,三维运动轨迹跟踪系统十分必要的。

例如,在潜水试验测试中,鱼可能表现出趋态性(靠近墙壁游泳)或潜水。 在三维空间中进行跟踪可以很好地区分这两种行为。 尽管传统的二维视频跟踪可以很好的测量平面中的动物运动速度和距离,但在某些情况下(例如鱼径直游向摄像机时),可能会丢失重要的轨迹信息。

研究表明,与二维追踪相比,三维追踪可以更准确性地揭示治疗组之间的差异(Kalueff实验进行的斑马鱼研究-请参阅下面的参考文献或此博客文章)。

工作原理

使用三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)对鱼类运动轨迹进行跟踪,首先通过动物运动轨迹跟踪系统(EthoVision XT)从两个摄像机视图中跟踪鱼的运动,分析结果会导入三维轨迹跟踪系统,以创建3D可视化效果和鱼的游泳模式统计信息。

点击此处以了解三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)的详细工作原理。

系统校准

为了由两个视频图像的跟踪数据准确计算出一条鱼的三维运动轨迹,必须对系统进行校准。三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)内包括一个校准框,只需将其放置在水箱中即可轻松使用。校准步骤在实验过程中至关重要,因为您要处理水的透视和光折射,否则实验数据将不准确。校准过程需要确保两个摄像机的数据正确匹配,以可靠地重建动物的三维游泳轨迹。

校准框是根据您的研究需求而设计的。您可以将同一个校准框应用在大小相同的不同的水箱中。只要实验设置固定并且没有移动摄像机,就无需在实验之间重新进行系统校准。

在此视频中,您可以了解三维轨迹跟踪系统的校准工作原理。

高度精确的三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)

三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)对动物运动轨迹的三维跟踪十分准确。 准对于斑马鱼测试槽,校准误差通常在0.5毫米左右。在640×480像素的图像中,斑马鱼三维定位的不确定性约为2-3像素。更多详细信息,请参见下面的参考文献(Stewart等人,2015)。

研究实例

实例1 – 三维运动轨迹的可视化。与对照组相比,用谷氨酸能拮抗剂(如PCP)进行治疗会引起斑马鱼复杂的运动轨迹,视频中可以看到,实验组斑马鱼在水平面发生了快速转向和盘旋行为。您可以旋转以从任何方向查看,平移和缩放三维运动轨迹图。

该视频显示三维轨迹跟踪系统如何可视化和分析斑马鱼的盘旋行为。

实例2 – 真实的三维旋转角度彰显了实验组之间的显著差异。

为什么要使用三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)

三维运动轨迹跟踪系统(Track3D)与二维的视频轨迹跟踪系统相比,具有如下优势和特点:

  • 完整的轨迹视图:在像潜水试验这样的测试中,通常会从水箱的正面观察鱼,因为底部潜水是要观测的最重要的行为之一。 但是,鱼也可能表现出轴趋性(靠近墙壁游泳),而前视摄像头可能无法跟踪这一运动轨迹。 通过三维运动轨迹跟踪系统(Track3D),您可以随时测量鱼的确切位置,从而观测这两种行为并明确区分它们。
  • 行为分析: 系统可以在三维动态环境中重建鱼的行为轨迹:从而量化行为,并进行宏观和微观层面的行为分析。
  • 提高灵敏度:三维游泳轨迹分析对于实验处理导致的细微行为变化更加敏感(请参阅下面的参考资料)。 

参考文献

致谢:以下部分文献由Allan V. Kalueff及其同事提供。