Σχεδίαση, ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός απεικονιστικού συστήματος πολλαπλών ανιχνευτών, για τη μελέτη της συμπεριφοράς ιχθύων

Abstract

Nowadays, the study of fish behavior requires more sophisticated computer vision systems to combine multiple replicates, long experimental periods and in detail description of behavioral patterns in discrete steps. In this work, we present the design and application of a multi-camera system, together with the required processing and analysis software, that offers quantitative and qualitative analysis of fish behavioral patterns. It enables the simultaneous monitoring of 9 cameras, under long time recordings, with high time accuracy and minimal frame losses. This novel contribution to aquacultural engineering also includes image filtering, background calculation, object detection and automated recognition of specific behavioral traits. Additionally, the system is capable of extracting specific information from alarms generated by user-defined parameters. The described system in this thesis successfully completed ten successive experiments, monitoring fish activity in tanks, accumulating data from almost one full year of recorded experimental period. All trials performed within those experiments provided new information on fish specific behavioral patterns in aquaculture. Technical and economic performance of the described system highlights its potential to be applied in any behavioral study under laboratory-scale conditions.

H μελέτη της συμπεριφοράς των ψαριών απαιτεί ολοένα και πιο εξελιγμένα απεικονιστικά συστήματα υπολογιστών προκειμένου να διασφαλίσει την ταυτόχρονη λήψη πολλαπλών τύπων αναλυτικών μετρήσεων της συμπεριφοράς των ιχθύων σε διακριτά βήματα, ταυτόχρονες μετρήσεις, σε μεγάλες πειραματικές περιόδους και λεπτομερή καταγραφή των συμπεριφορών των ιχθύων σε διακριτά βήματα. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός, εκ του μηδενός, ενός συστήματος καταγραφής ικανό να διαχειρίζεται πολλαπλές κάμερες ταυτόχρονα (μέχρι 9 κάμερες), με δυνατότητες ποιοτικής αλλά και ποσοτικής ανάλυσης ποικίλων προτύπων συμπεριφοράς ιχθύων, και παράλληλα η εφαρμογή του σε ένα σημαντικό αριθμό πειραμάτων μελέτης της συμπεριφοράς ιχθύων. Το σύστημα επιτρέπει την ταυτόχρονη παρακολούθηση και των 9 καμερών και την αποθήκευση των δεδομένων που αυτές καταγράφουν για μεγάλες χρονικές περιόδους, με υψηλή ευκρίνεια, εξαιρετική χρονική ακρίβεια και ελάχιστες απώλειες στιγμιότυπων. Η καινοτόμα συμβολή του εν λόγω συστήματος περιλαμβάνει επίσης την δυνατότητα φιλτραρίσματος εικόνων (λήψεων) “a la demande”, τον αυτόματο υπολογισμό των ακίνητων αντικειμένων στο βίντεο (υποβάθρου) και αφαίρεση αυτών, την αυτόματη ανίχνευση αντικειμένων και την αυτοματοποιημένη αναγνώριση ειδικών προτύπων (patterns) συμπεριφοράς. Επιπρόσθετα, το σύστημα έχει την ικανότητα να εξάγει συγκεκριμένες πληροφορίες από γεγονότα που ανιχνεύονται αυτόματα με βάση παραμέτρους που ορίζονται από το χρήστη. Το σύστημα που περιγράφεται στην παρούσα διατριβή έχει ολοκληρώσει με επιτυχία 10 διαδοχικά πειράματα διάρκειας 30 ημερών, με την παρακολούθηση της δραστηριότητας ιχθύων από 9 δεξαμενές, συλλέγοντας δεδομένα συνολικής διάρκειας ενός ολόκληρου χρόνου. Πιο συγκεκριμένα το σύστημα χρησιμοποιήθηκε μεταξύ άλλων, στη μελέτη της συμπεριφοράς ιχθύων στα παρακάτω πειράματα τα οποία έχουν ήδη δημοσιευτεί. Μελέτη των χαρακτηριστικών συμπεριφοράς των ιχθύων έναντι διχτιού διαφορετικής κατάστασης (ανέπαφο, με μερικές σπασμένες κλωστές και με τρύπα) (Papadakis et al., 2012). Επίδραση της παρεχόμενης ποσότητας τροφής πάνω στη συμπεριφορά των ιχθύων στο δίχτυ (Glaropoulos et al., 2012). Χωρική κατανομή των ιχθύων στον ιχθυοκλωβό, κάτω από την επίδραση της θερμοκρασίας, ιχθυοφόρτισης, και της παροχής τροφής (Neofytou et al., 2013). Συμπεριφορά διαφυγής των ιχθύων κάτω από συνθήκες διαφορετικής ιχθυοφόρτισης (Glaropoulos et al., 2012). Μελέτη της συμπεριφοράς των ιχθύων πάνω στο δίχτυ, υπό την παρουσία ή όχι μικροφυκών (Glaropoulos et al., 2014). Αναλυτική περιγραφή και καταγραφή του πρότυπου δαγκώματος και συμπεριφοράς διαφυγής ιχθύων (Papadakis et al., 2014). Μελέτη του φαινότυπου της κυριαρχίας που αναπτύσσεται στις κοινωνικές ομάδες των ιχθύων σε συνθήκες κράτησης. Μελέτη της συμπεριφοράς των ιχθύων κάτω από την επίδραση του φωτός.Όλες οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο των πειραμάτων οδήγησαν στην παραγωγή νέας γνώσης για τα πρότυπα συμπεριφοράς των ιχθύων η οποία ήταν εξαιρετικά δύσκολο έως αδύνατο να ληφθεί με την χρήση των ελαχίστων διαθέσιμων εμπορικών τεχνολογιών απεικόνισης. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι παρά τις υψηλές τεχνικές προδιαγραφές του, το κόστος κατασκευής του εν λόγω συστήματος είναι εξαιρετικά χαμηλό, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα ευρείας χρήσεως από κάθε εργαστήριο ηθολογίας των ιχθύων σε ελεγχόμενες συνθήκες.