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Ximea高速相机应用案例:动物神经行为学分析系统EthoLoop
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时间:2021-06-25 11:16:40

       对动物行为的准确跟踪和分析是现代系统神经科学的关键。但是,在自然、三维或夜间环境中跟随自由移动的动物仍然是一个重大挑战。EthoLoop是一个研究自由移动的动物神经行为学的系统,解决了当前的问题。它将实时光学跟踪、行为分析与远程控制相结合,允许与栖息地的动物进行直接互动。为了实现这一点,XIMEA相机被安装在EthoLoop的三维跟踪系统和近摄系统中。为了帮助图像处理,XIMEA高速相机连接到一个嵌入式人工智能计算设备- NVIDIA Jetson TX2。

       在自然环境中跟踪行为仍然是现代神经科学的关键部分。 然而,在许多情况下,一个简单的笔记本和双筒望远镜可能不够用,也不够高效。当动物快速移动或处于完全黑暗中时,定量行为分析尤其具有挑战性。

       为了从自由移动的动物身上获取准确且可重复的行为数据,日内瓦大学 Daniel Huber 教授实验室的博士生 Ali Nouri Zonoz 开发了一种名为“EthoLoop”的新型 3D 跟踪系统。

    三维环境实时跟踪

      EthoLoop 使用实时光学跟踪在三个维度上定位动物,并将跟踪位置发送到安装在万向节上的自动摄像机,从而提供被跟踪个体的连续特写视图。

EthoLoop 特写系统

图 1. EthoLoop 特写系统

       EthoLoop 跟踪动物上作为项链携带的微型便携式红外标记。这可以在完全黑暗的情况下进行跟踪和识别。为了以最小的延迟且高速的情况下成功实现这一目标,研究人员在跟踪区域安装了多个XIMEA高速相机 (MQ013RG-ON)。每个相机都连接到独立的嵌入式计算设备 (NVIDIA Jetson) 以进行图像处理。

       由于尺寸小(26x26x24 mm)以及在 640x400 分辨率下达到 1000+ fps 的能力,这些XIMEA相机是该在线跟踪系统的最佳选择。

 图 2:XIMEA 高速相机和 NVIDIA Jetson TX2

     自动化动物训练

       使用最新的计算机游戏硬件和机器学习方法,实时分析特写图像。因此,提供了向动物提供行为触发的反馈或奖励的可能性。

       使用分布在环境中的无线连接奖励盒,他们能够证明 EthoLoop 系统足够快速和准确,可以调节和加强自由移动的灵长类动物和啮齿动物的特定行为,从而基本上取代了专业的动物训练师。 

     近摄系统

       实时 3D 坐标用于控制定制的近摄系统,该系统从被跟踪的动物身上捕捉连续放大的图像。

       该系统使用由两个智能舵机 (Dynamixel) 驱动的万向节构建,其中XIMEA 相机MQ013RG-E2放置在其旋转轴的交叉点处。该相机在近红外波长(700 nm以上)的高灵敏度可在黑暗环境中以低于 10 毫秒的低曝光时长进行帧采集,从而得到快速移动动物的高采样率和清晰图像。此外,云台相机配备了 Optotune 的液体镜头自动对焦系统,可实现对空间中跟踪位置的超快对焦。

图 3. 带 XIMEA 相机和 Optotune 镜头的云台

     总结

       EthoLoop 提供了一种新型的闭环行为分析系统,能够跟踪、分析和训练自由移动的动物。与被跟踪对象的积极互动节省无数小时的繁琐和令人疲倦的动物观察和人类观察者的培训。此外,由于安装了 XIMEA 高速相机,可提供高质量高精度的行为动物图像。

       EthoLoop 图片库:https://etholoop.org/Gallery.html 

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