新型高速视频系统使用传感器红外照明来追踪大片野生地区的昆虫

我们更多地了解昆虫行为(影响全球范围内的生态、健康和经济)的能力在很大程度上取决于合适的记录技术。但到目前为止，这些工具还相当有限。

为了解决这个问题，德国弗莱堡阿尔伯特路德维希大学的一个研究团队开发了一种适应性强的系统，该系统可以与各种类型的硬件相结合，生成昆虫飞行行为的高速视频记录，并在很长的距离内进行跟踪，它们在野外的轨迹。

该团队在bioRxiv预印本服务器上发表的题为“使用快速锁定跟踪的昆虫高分辨率户外摄像”的论文中描述了这项技术。这项新工作是他们于2020年发表的有关该主题的早期研究的后续工作。

现有的记录方法及其局限性

从历史上看，昆虫行为研究人员一直依靠直接观察来获得新的见解，最近他们利用谐波雷达跟踪来获取有关昆虫飞行轨迹的信息，尤其是蜜蜂的飞行轨迹。然而，这种雷达的分辨率在空间和时间上都受到限制。

在实验室内，研究人员使用更高分辨率的相机来研究昆虫飞行行为的细节，但此类相机的用途并不能扩展到自然昆虫环境，因为在自然环境中，任何数量的变量都可能影响飞行功能。

研究人员还使用固定相机摄像(其中相机可以自动跟踪拍摄对象的移动)取得了一些成功，但这种方法在特定视场宽度的像素数量有限的情况下使用最为有效。将此方法应用于更宽的视野会产生较低的角分辨率，同时添加像素会模糊主体运动。在放大拍摄对象的同时手动连续调整相机的目标以跟随运动是不可能的。

同时，将高倍率光学器件与高速图像跟踪相结合适用于鸟类、无人机和运动球等较大的拍摄对象，但昆虫等小型拍摄对象需要低延迟。用多个摄像头包围飞虫或在室内环境中使用简化的背景可能会有所帮助，但这些方法也有明显的局限性。

然而，后向反射器代表了有效、详细的昆虫追踪的潜在解决方案。根据使用先前开发的昆虫追踪方法的研究，这项最新工作背后的研究团队将解决方案称为快速锁定(FLO)追踪，并报告了他们使用它来追踪户外昆虫飞行的努力。

FLO昆虫追踪

为了对飞行昆虫使用FLO追踪，需要在拍摄对象上贴上一个微小、轻质的反光标记。当对象移动时，标记器向光学传感器发送信号，控制传感器的光轴，同时最大限度地减少对象与传感器中心点的偏离。在这项研究中，研究人员在传感器光轴附近内置了红外照明，并平移和倾斜光轴以重现测试对象的飞行路径，包括蝗虫(Schistocercagregaria)、大黄蜂(Bombusterrestris)和蜜蜂(Apismellifera)——通过FLO系统检测到的角度。

正如他们的论文所解释的那样，“从传感器输入到电机输出的低延迟将提高系统性能并实现更高放大倍数的光学器件，从而进一步提高性能。从控制角度来看，FLO是一种闭环设计，其中位移目标图像与传感器中心的距离是昆虫角度与受控光路角位置之间的误差角。”

该团队的测试视频成功地捕捉了测试对象的飞行“从起飞到着陆的高放大倍数和低运动模糊”，并且昆虫附肢在飞行过程中保持清晰。

此外，该系统的创建成本并不昂贵，并且可以通过计算机、低延迟数码相机和云台电机系统简单地构建。论文详细描述了硬件、角度重建的计算以及实现方法。

系统改进机会

该团队承认，追踪昆虫在户外的飞行是一个重要问题，但仍缺乏全面解决方案。至少仍然存在三个主要弱点。首先，FLO闭环系统内的短暂跟踪丢失可能会导致完全跟踪失败。

此外，“系统不会直接估计与主体的距离”，论文指出。最后，虽然成功的跟踪过程本身不需要精确校准，但提取和准确确定最终3D坐标则需要这样。

建议的改进包括使用多个FLO系统协同工作，通过三角测量改进计算，并通过开发先进的计算机视觉技术来检测昆虫上的物体，从而消除对后向反射器的需求。

然而，研究人员仍然乐观地认为，FLO追踪可用于研究昆虫飞行行为的许多方面，包括与更大的生态问题直接相关的几个方面，例如昆虫对人造夜间灯光的反应、栖息地的丧失以及昆虫的杀虫剂处理。他们的觅食区域。