桡足类动物研究中的高速3D-PIV

食物链底层的桡足类动物

成立于1885年的苏黎世联邦理工大学，世界上最较好的自然科学大学之一。目前拥有来自100多个国家的超过25000人在此学习、研究。

在环境工程学院的环境流体力学研究组，François-Gaël Michalec博士以及Markus Holzner教授共同研究的重点，就是桡足类游泳行为与理化环境的分析。

桡足类这种小型甲壳动物居住在几乎所有的水生环境中，从热液喷口到极地海洋。地球上桡足类动物的数量远超过海洋浮游动物的数量，已经成为了食物链中小型鱼类、小甲壳类生物的主要食物来源。

▲显微镜下三只生机勃勃的桡足类“独眼巨人”。

正因为桡足类动物在食物链中扮演着如此重要的底层角色，研究它们的生态学，对于研究自然环境的保护和演化才具有重要意义。

桡足类动物尺寸小，它们的游泳能力有限，通常只能沿河流、洋流漂泊而生。但是在小范围的静水中，它们可以独立自主的自行游动，并表现出生物的各种复杂行为。运动让它们可以猎食、躲避捕食者或其他危险、寻找伴侣，而这些行为都会影响水中其他水生物群落的形态。

影响桡足类动物行为的环境因素包括非常多的自然因素或人为因素。包括盐度、同类或捕食者释放的化学信号、浮游植物渗出液、光照强度或水性污染物等。因此，如何对不同环境条件下的桡足类行为进行准确的生态预测和种群动态模拟，成为了研究的重点方向。

为桡足类拍摄3D电影

在环境工程研究所Michalec博士的帮助下，研究团队建立了一套高速3D-PTV视觉系统。使用四台德国Mikrotron EoSens^® CL高速相机，用以拍摄以及重建桡足类三维粒子跟踪测速轨迹，英文简称3D-PTV。

用于观测的PTV系统，需要长时间记录桡足类动物的运动，并能够慢动作回放，因此对相机的帧频要求较高。研究团队所使用的PTV系统，由四台经过校准的Mikrotron黑白EoSens^® CameraLink接口相机组成， 它们使用四个经过计算的视角，可以同步捕捉和记录桡足类动物在大约2升水中的自由运动影像。

▲整个3D-PTV系统就是这样的。四台相机，拍摄“玻璃水箱舞台”中的桡足动物演员。水箱中配有光源，以及可控的水流运动装置。

“在1280×1024分辨率下，相机可以达到506fps，操作界面简单易用，表现的非常棒，”Michalec博士对相机性能一直赞不绝口。

由四台相机捕捉到的图像，被传输到由多个硬盘阵列组成的大型存储系统中。拍摄获取到了大量的桡足类运动轨迹，可以确保可靠地统计分析。

▲四台高速相机拍摄角度略有差异，构成的视觉差可以在软件的分析下进行三维运动轨迹重建。

▲相机们的正面照。

通过苏黎世联邦理工大学自主开发的软件，对获取到的图像进行分析，并且在数字空间中重建了桡足类的运动轨迹。由此，Michalec博士的研究团队便能够得到速度、加速度，以及其他复杂的运动模型。

与控制值的比较量化了行为改变的程度。例如，测量结果表明，生活在河流中的物种可以被亚致死的毒物污染浓度所影响，该项研究甚至可以捕捉到痕量污染物对细微生态损害的过程信息。而传统的河口生物死亡率测试，仅能够简单粗暴判断污染物的致死量。

高速成像和长时间记录存储的有益结合

研究团队之前设想的是仅使用两台相机，以较低帧速即可搭建需要的3D-PTV平台。但是桡足类动物可以在局部的干扰下，突然加速动作或者跳跃，抑或突然的减速或停止运动。因此原有方案并不能够完全捕捉间歇的动物行为。

升级版的3D-PTV平台使用四台高速相机，帧频高达506fps，能有效的捕捉到桡足类动物的运动细节。同时还大大减少了粒子检测和跟踪效率，减少了在立体重建中出现的误差和歧义。整台系统目前已经可以同时追踪数百只桡足类同时游动。

▲使用1280×1024分辨率，100fps帧速记录下的桡足类动物运动，黑色背景下的小白点即是。

▲四台Mikrotron EoSens^® CL相机拍摄的不同角度的影像。每台相机都在5分钟内拍摄了30000帧图片。

脆弱的桡足类

在3D-PTV平台中，流动的桡足类动物很小，拍摄的光照是通过激光在可见光范围内提供的，但是桡足类对可见光非常敏感，需要在非常低的强度下进行实验，才能在拍摄的照明需要以及桡足类动物演员的性命间做出平衡。

因此，研究团队利用了近红外光源进行照明。EoSens^®的芯片可以提供近红外波段的高量子效率，尽管光照强度低，但依然可以得到大景深的锐利图像。

尽管光照条件非常低，但Mikrotron EoSens^® CL相机拥有非常高的灵敏度，即使在高速曝光的过程中，依然可以获得桡足类的清晰成像。

帧速也是非常关键的问题，100fps的帧频并不能完全记录下桡足类的加速度运动，并且还要考虑有限的带宽和存储空间限制。

“100fps帧频下我们可以记录一个小时，但在500fps的帧频下，我们只能记录大概10分钟。于是我们增加了两台相机，刚好能够解决部分太嗨的桡足动物加速运动的问题，”Michalec博士说道。

▲德国Mikrotron EoSens^® CL相机黑白版本无滤光片的QE曲线。其对于700nm的近红外波段响应非常好。