Name: long-term video tracking of cohoused aquatic animals: a case study of the daily locomotor activity of the norway lobster (nephrops norvegicus)
Uploaded: 2019-04-08T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Long-term Video Tracking of Cohoused Aquatic Animals: A Case Study of the Daily Locomotor Activity of the Norway Lobster Nephrops norvegicus at JoVE.com

作者感谢为出版这项工作提供资金的 Joan B. company。此外, 作者还感谢巴塞罗那海洋科学研究所 (ICM-CSIC) 实验水族馆区的技术人员在实验工作中提供的帮助。
这项工作得到了 RITFIM 项目 (CTM2010-16274; 首席调查员: J. aguzzi) 的支持, 以及西班牙经济和竞争力部设立的 TIN2015-66951-C2-2-r 赠款。

本研究中使用的物种不是濒危物种或受保护物种。取样和实验室实验遵循了西班牙关于动物福利的立法和内部机构 (icm-csic) 条例。动物取样是在地方当局 (加泰罗尼亚地区政府) 允许的情况下进行的。
1. 动物维护和取样
请注意:下面的协议是基于这样的假设, 即研究人员可以在夜间在野外对诺维皮斯进行采样, 以避免对光感受器<sup class="xre...

视频跟踪协议的性能和代表性结果证实了其在动物行为领域应用研究中的有效性, 重点是被关押动物的社会调制和生理节律。动物检测的效率 (69%)和标签区分的准确性 (99.5%)再加上这里使用的目标物种的行为特征 (即运动率), 这个协议是长期实验试验 (例如, 几天和几周) 的完美解决方案。此外, 该协议还提供了一个基本优势, 即在开发和定制方面更易于使用, 并且速度更快, 而其他技术, 如自动学习算...

在过去的几年中, 基于图像的自动跟踪提供了高度精确的数据集, 可用于探索生态学和行为学科1中的基本问题。这些数据集可用于动物行为的定量分析2,3。然而, 用于跟踪动物和行为评估的每一种图像方法都有其优点和局限性。在基于图像的跟踪协议中, 使用电影中以前帧中的空间信息来跟踪动物4、5、6,当两个动物的路径交叉时, 就会引入错误。这些错误通常是不可逆的, 并随着时间的推移而传播。尽管计算方面的进展减少或几乎消除了这个问题5,7, 这些技术仍然需要均匀的实验环境来准确地识别和跟踪动物。
使用可以在动物身上唯一识别的标记可以避免这些错误, 并允许对已识别的个人进行长期跟踪。工业和商业中存在广泛使用的标记 (如条形码和二维码), 可以使用众所周知的计算机视觉技术进行识别, 例如增强现实 (例如 artag8) 和摄像机校准 (例如, caltag9)).标签动物以前曾被用于不同动物物种的高通量行为研究, 例如蚂蚁3或蜜蜂10, 但以前的一些系统没有优化以识别孤立的标记3。
本文提出的跟踪协议特别适用于单通道图像中的动物跟踪, 如红外光或单色光 (特别是蓝光)。因此, 开发的方法不使用颜色提示, 也适用于照明中存在约束的其他设置。此外, 我们还使用定制的标签, 以避免打扰龙虾, 同时, 允许用低成本的相机进行录制。此外, 这里使用的方法是基于独立于框架的标记检测 (即,该算法识别图像中存在的每个标记, 而不管以前的轨迹是什么)。此功能适用于动物可以暂时遮挡或动物轨迹可能相交的应用。
标签设计允许在不同的动物群体中使用。一旦确定了该方法的参数, 就可以将其转移到其他动物跟踪问题上, 而不需要培训特定的分类器 (其他甲壳类动物或腹足类动物)。导出协议的主要限制是标签的大小和对动物的依恋需求 (这使得它不适合小昆虫, 如苍蝇、蜜蜂等) 和动物运动的2D 假设。考虑到所提出的方法假定标记大小保持不变, 此约束非常重要。在3D 环境中自由移动的动物 (例如, 鱼) 会根据其与相机的距离显示不同的标记大小。
本协议的目的是提供一种用户友好的方法, 以便在2D 上下文中长时间 (即几天或几周) 跟踪多个标记动物。方法方法是基于使用开源软件和硬件。自由和开源软件允许调整、修改和自由再分发;因此, 生成的软件在每一步11,12上都得到了改进。
这里介绍的协议侧重于为跟踪和评估四个水生动物在水箱中的运动活动而设立的实验室, 为期5天。视频文件从1秒图像中录制, 并以每秒20帧的速度在视频中进行编译 (1个录制日占用约1小时的视频)。所有的视频录制都会自动进行后处理, 以获得动物的位置, 并应用计算机视觉方法和算法。该协议允许获取大量的跟踪数据, 避免了它们的人工注释, 这在以前的实验论文13中已经证明是耗时和费力的。
我们使用挪威龙虾 (诺维吉克斯的尼弗罗斯) 进行案例研究;因此, 我们提供特定物种的实验室条件来维护它们。龙虾执行经过充分研究的洞穴出现节奏, 这些节奏是在生物钟14、15 的控制下, 当它们共同居住时, 它们形成了 16,17的优势等级。因此, 这里介绍的模型是一个很好的例子, 研究人员感兴趣的行为的社会调制, 特别是关注生理节律。
这里提出的方法很容易复制, 如果有可能区分有个别标签的动物, 可以适用于其他物种。在实验室复制这种方法的最低要求是: (一) 实验装置的等温室;(ii) 连续供水;(三) 水温控制机制;(iv) 灯光控制系统;(v) USB 摄像机和标准计算机。
在本协议中, 我们使用 Python18和 opencv19 (开源计算机视觉库)。我们依靠快速和通用的操作 (在实现和执行方面), 如背景减法20和图像阈值21,22。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:860px;" width="860">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Tripod 475</td>
			<td style="width:113px;">Manfrotto</td>
			<td style="width:123px;">A0673528</td>
			<td style="width:307px;">Discontinued</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Articulated Arm 143</td>
			<td style="width:113px;">Manfrotto</td>
			<td style="width:123px;">D0057824</td>
			<td>Discontinued</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Camera USB 2.0 uEye LE</td>
			<td style="width:113px;">iDS</td>
			<td style="width:123px;">UI-1545LE-M</td>
			<td>https://en.ids-imaging.com/store/products/cameras/usb-2-0-cameras/ueye-le.html</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:23px;width:317px;">Fish Eye Len C-mount f=6mm/F1.4</td>
			<td style="width:113px;">Infaimon</td>
			<td style="width:123px;">Standard Optical&#160;</td>
			<td style="width:307px;">https://www.infaimon.com/es/estandar-6mm</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:317px;">Glass Fiber Tank 1500x700x300 mm</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:307px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Black Felt Fabric</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Wood Structure Tank</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>5 Wood Strips 50x50x250 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Wood Structure Felt Fabric</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>10 Wood Strips 25x25x250 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Stainless Steel Screws</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>As many as necessary for fix wood strips structures</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">PC</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>2-cores CPU, 4GB RAM, 1 GB Graphics, 500 GB HD</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">External Storage HDD</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>2 TB capacity desirable</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">iSPY Sotfware for Windows PC</td>
			<td style="width:113px;">iSPY</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>https://www.ispyconnect.com/download.aspx</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Zoneminder Software Linux PC</td>
			<td style="width:113px;">Zoneminder</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>https://zoneminder.com/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">OpenCV 2.4.13.6 Library</td>
			<td style="width:113px;">OpenCV</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>https://opencv.org/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Python 2.4</td>
			<td style="width:113px;">Python</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>https://www.python.org/</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Camping Icebox</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Plastic Tray</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Cyanocrylate Gel</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>To glue tag&#8217;s&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">1 black PVC plastic sheet (1 mm thickness)</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Tag&#39;s construction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">1 white PVC plastic sheet (1 mm thickness)</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Tag&#39;s construction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">4 Tag&#8217;s &#216; 40 mm</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Maked with black &#38; white PVC plastic sheet</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">3 m Blue Strid Led Ligts (480 nm)</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:307px;">Waterproof as desirable</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">3 m IR Strid Led Ligts (850 nm)</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:307px;">Waterproof as desirable</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">6m&#160; Methacrylate Pipes &#216; 15 mm</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:307px;">Enclosed Strid Led</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:317px;">4 PVC Elbow&#160; 45o &#216; 63 mm</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:307px;">Burrow construction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">3 m Flexible PVC Pipe &#216; 63 mm</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:307px;">Burrow construction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">4 PVC Screwcap &#216; 63 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td style="width:307px;">Burrow construction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">4 O-ring &#216; 63 mm</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td style="width:307px;">Burrow construction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">4 Female PVC socket glue / thread &#216; 63 mm</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td style="width:307px;">Burrow construction</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">10 m DC 12V Electric Cable</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Ligt Power Supply DC 12V 300 w</td>
			<td style="width:113px;"></td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:317px;">MOSFET, RFD14N05L, N-Canal, 14 A, 50 V, 3-Pin, IPAK (TO-251)</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>325-7580</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:317px;">Diode, 1N4004-E3/54, 1A, 400V, DO-204AL, 2-Pines</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>628-9029</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Fuse Holder</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>336-7851</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">2 Way Power Terminal 3.81mm</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>220-4658</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Capacitor 220 &#181;F 200 V</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>440-6761</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Resistance 2K2 7W</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>485-3038</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Fuse 6.3x32mm 3A</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>413-210</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Arduino Uno Atmel Atmega 328 MCU board</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>715-4081</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">Prototipe Board CEM3,3 orific.,RE310S2</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>728-8737</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:317px;">DC/DC converter,12Vin,+/-5Vout 100mA 1W</td>
			<td>RS Components</td>
			<td>689-5179</td>
			<td>Light Control Mechanism</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">2 SERA T8 blue moonlight fluorescent bulb 36 watts</td>
			<td style="width:113px;">SERA</td>
			<td style="width:123px;"></td>
			<td>Discontinued / Light isolated facility</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

long-term video tracking of cohoused aquatic animals: a case study of the daily locomotor activity of the norway lobster (nephrops norvegicus)

我们提出了一种与基于背景减法和图像阈值的视频跟踪技术相关的协议, 该协议使单独跟踪单独的男女同校动物成为可能。我们用四个共同存放的挪威龙虾 (诺韦吉克斯肾病) 在黑暗的条件下测试了5天的跟踪程序。龙虾已经被单独贴上标签了。实验设置和使用的跟踪技术完全基于开源软件。将跟踪输出与人工检测进行比较后发现, 有69% 的时间正确检测到龙虾。在正确检测到的龙虾中, 99.5% 的时间正确识别了它们的个别标签。考虑到协议中使用的帧速率和龙虾的运动速率, 视频跟踪的性能具有较好的质量, 具有代表性的结果支持了协议在为研究需要生成有价值数据方面的有效性 (个人)。空间占用率或运动活动模式)。这里提出的协议可以很容易地定制, 因此可以转移到其他物种, 在这些物种中, 一个群体中的标本的个别跟踪对回答研究问题很有价值。

我们手动构造了实验数据的子集来验证自动视频分析。一个样本大小为 1, 308 帧, 置信度为 99% (这是一种安全度量, 显示样本是否在其误差范围内准确地反映了总体情况) 和误差幅度为 4% (这是描述关闭程度的百分比)。样本给出的响应是对总体中的实际值的响应) 是随机选择的, 并对正确识别 Roi 和每个 ROI 中的标记的正确标识进行了手动注释。请注意, 单个帧可能包含一个未?...

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Long-term Video Tracking of Cohoused Aquatic Animals: A Case Study of the Daily Locomotor Activity of the Norway Lobster Nephrops norvegicus

在这里, 我们提出了一个协议, 单独跟踪动物在很长一段时间。它使用计算机视觉方法来识别一组手动构建的标签, 方法是使用一组龙虾作为案例研究, 同时提供有关如何容纳、操纵和标记龙虾的信息。

生态动物的长期视频跟踪: 挪威龙虾 (诺菲氏肾病) 日生物活动的案例研究

We present a protocol related to a video-tracking technique based on the background subtraction and image thresholding that makes it possible to ...

该协议允许对多个动物的跟踪自动化。使用简单的标签来识别每个动物的 ID 分析工具来检测标签。该协议显著减少了使用 leskey 数据分析视频录制所需的小时数。从实验研究中估计更准确的完成。其他环境中可以以类似方式标记的动物可以通过类似的协议进行跟踪，这些协议在时生生物学、生态学、病毒研究或神经科学中应用。我们提供了硬件设计和开源编程语言，并提供了我们建议用户在协议中采用的学习 Python 编程语言的模型。要为目标动物构建一个标签，首先从黑色塑料片上切割四个直径为 40 毫米的圆，从白色塑料 PVC 片中切割两个 26 毫米的边等三角形和两个直径为 26 毫米的圆。标记一个白色三角形和一个白色圆圈的中心。并在每个标记上打一个10毫米的孔。然后将一个白色形状粘入四个黑圈的中心。要设置实验区，请将红外暗时间 LED 放入水箱中。使红外灯随时保持亮起。接下来，将蓝光时间 LED 灯放入一个经过修改的玻璃纤维罐中，其中包含沙子和四个柔性 PVC 管道洞穴，然后将灯连接到用于管理照片周期的仪器。放置所有灯后，将冰冷的海水入口放置在水箱的一角，相应的出水口位于另一角。检查海水输入是否设置为每分钟约 4 升的流量。用黑色窗帘环绕室，以提供与外部光线完全隔离。将装有网络摄像头的三脚架放在实验竞技场的一侧，摄像机位于实验竞技场上方 130 厘米处和中心位置。将摄像机连接到窗帘外的计算机，并根据物种特征调整视频录制的参数，确保创建时间戳（包括延时视频中的日期）以进行最终行为评分。要给动物贴上标签，请将7摄氏度的水加到带水下隔间的冰盒中，并将4只龙虾放入4个分开的隔间中。在允许龙虾适应约30分钟后，将一只龙虾转移到一盘碎冰上5分钟，然后用吸收纸擦干固定化龙虾头孢菌的上部。将一滴快速干燥的胶水滴在干燥的甲壳上，将标签压在胶水上约20秒，直到胶水变硬。然后将龙虾返回到冰盒中的隔间，并同样方式给其他三只动物贴上标签。当所有的龙虾都贴上标签后，将龙虾放回牢房24小时。第二天，用同一个冰盒将龙虾从适应设施转移到实验室，然后开始录像。在红灯条件下执行标记和转移步骤，以避免对受体的龙虾进行径向损伤。其他水种或陆地物种可能不需要这种照顾。然后从五分钟的视频或最初的 100 帧获取平均背景图像，然后将动物一个一个引入各自水舱内的实验水箱，等待龙虾从它们的隔间中出来。在这个代表性实验中统计的动物总数中，79%的动物检测结果与程序正确匹配，89.5%的标记被正确识别。只有 3.8% 的标签分类不正确。但剩下的6.6%与误报相对应。完成特定视频分析后，获得的位置数据可用于评估龙虾的不同行为模式。例如，空间占用地图绘制使用二维角密度估计，轴由在方形网格上评估的变量法线角线对齐，允许龙虾花费较高百分比的区域用高颜色强度图表示。龙虾的日常活动节奏也可以绘制为毫米覆盖在十分钟的垃圾箱间隔随着时间的推移。重要的是要保持大小和形状方面的精确规格，并且始终在后台执行装箱分析步骤，没有用户界面。图像分析模型可以扩展，以观察甲壳类动物的特定成分，以帮助改善动物相互作用方面的行为研究。这些复杂的动物社会互动以类似的方式在实际环境中发生，允许生物研究的风格和重要方面与一些应用生态学和神经科学。

Research

JoVE Journal

Environment

Long-term Video Tracking of Cohoused Aquatic Animals: A Case Study of the Daily Locomotor Activity of the Norway Lobster (Nephrops norvegicus)

Determination of Microbial Extracellular Enzyme Activity in Waters, Soils, and Sediments using High Throughput Microplate Assays

在使用高通量微孔板测定水，土壤，沉积物和微生物测定胞外酶活性的

Much of the nutrient cycling and carbon  processing in natural environments occurs through the activity of extracellular  enzymes released by ...

科研

环境科学

Modifying the Bank Erosion Hazard Index (BEHI) Protocol for Rapid Assessment of Streambank Erosion in Northeastern Ohio

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修改银行侵蚀危险指数（BEHI）协议的河岸侵蚀美国俄亥俄州东北部的快速评估

Understanding the source of pollution in a stream is vital to preserving, restoring, and maintaining the stream&#8217;s function and habitat it provides. ...

The Use of an Automated System (GreenFeed) to Monitor Enteric Methane and Carbon Dioxide Emissions from Ruminant Animals

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自动系统（绿色饲料）的用于监视肠道的甲烷和二氧化碳从反刍动物排放

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从鲟鱼去除耳石替代方法

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传粉生态学的田间试验：为例<em&gt;血红石蒜</em&gt;变种。<em&gt;荪</em

Plant-pollinator interactions have been studied for approximately one hundred years. During that time, many field methods have been developed to clarify ...

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