如何用高速相机捕捉蚊子?

2016-08-22 20:08:13 admin

  文/James Carroll

  疟疾是一种由疟原虫寄生虫引起的血液疾病,是通过雌疟蚊在人与人间传播的。尽管疟疾是可以治疗的,但是据世界卫生组织(WHO)估计,2014年大约有43.8万人死于疟疾。

  “尽管通过使用包括杀虫剂处理过的蚊帐等措施,人类在防治疟疾方面已经取得了相当大的成功,但是仍然需要有新的工具和干预措施,来对付那些逃过目前的战略、或是那些正在具有抗杀虫剂的蚊子。”英国华威大学工学教授David Towers博士说。

高速相机捕捉

高速相机捕捉蚊子

高速相机捕捉蚊子

  图1:采用高速相机和定制软件,研究人员可以有效地绘制蚊子围绕杀虫剂处理过的蚊帐的轨迹。(a)未处理蚊帐中的人诱饵显示大量活动,以及躯干上方和脚部上方的两处“热点”,(b)杀虫剂处理蚊帐中的人诱饵显示少得多的活动。

  华威大学的Towers博士及同事Natalia Angarita和Catherine Towers,以及英国利物浦热带医学院(Liverpool School of Tropical Medicine)的昆虫学家Philip McCall和Josie Parker,针对这项任务所采取的一种手段是开发更有效的蚊帐。

  这是一项称为AvecNet的1200万欧元研究项目,通过使用高速成像技术,让研究人员更好地理解蚊子如何与杀虫剂处理过的蚊帐互动。“一旦理解了这种互动,今后就能够开发更复杂的蚊帐,以及评估能够在更短的时间内提供致命剂量的新杀虫剂。”Towers博士说。

  为了分析蚊子的行为,研究人员在非洲坦桑尼亚的野外现场,模仿典型房屋和当地居民的睡眠安排建造了一间小屋。实验是在晚间进行的,该时段居民被蚊虫叮咬的风险最大,场景包括使用有杀虫剂的蚊帐和无杀虫剂的蚊帐,以及在蚊帐内有人睡觉和无人睡觉。

  “因为蚊子对光线高度敏感,” Towers博士说,“因此有必要使用近红外(NIR)光照明场景。”为了满足该要求,研究人员从美国Thorlabs公司(www.thorlabs.com)购买的单个850~880nm LED光源首先放在漫射屏后,以使近红外光均匀分布。然后,将该漫射器的光用菲涅耳透镜准直,以提供有效的1.4×1.0m视场角。

  为了从背后照明整个场景,使用两套这样的照明系统,场景图像由配备12mm焦距镜头的德国Baumer Optronic公司(www.baumer.com)的两台400万像素CMOS Camera Link相机捕获。

  “在这些相机前方放置菲涅尔透镜,以确保大部分的准直、非散射光能成像系统捕获。” Towers博士说。然后采用德国Silicon Software公司(www.silicon-software.info)的两块Camera Link图像采集卡,将图像传输到运行加拿大NorPix公司(www.norpix.com)的StreamPix 5数字视频记录软件、配备20TB存储空间的记录系统。每小时的实验产生大小为1.4TB数据集的36万张图像。

  由于项目开始时找不到能够分析如此大量图像的软件,该软件是自主编写的,首先识别蚊子,然后跟踪蚊子的运动。为了识别运动,计算了连续帧之间的差异,通过匹配连续帧中探测到的感兴趣区域,分割感兴趣的对象以及推断对象轨迹。一旦跟踪上蚊子,各条蚊子路径以伪彩色显示并叠加在图像上。

  “我们的研究已经表明,蚊子对蚊帐的行为有许多不同的方式,”Towers博士说,“在窥探模式下,蚊子只是简单地飞行通过区域;而在访问模式下,蚊子断续接触蚊帐然后飞走;在休息方式下,蚊子已经疲劳,在蚊帐上休息,如果时间超过30秒,蚊子便被杀虫剂杀灭。也许该研究之前尚未广为人知的是:通常蚊子处于跳跃模式,在这种模式下,蚊子会接近蚊帐,然后经常多次冲过蚊帐。”

  根据该知识,英国医学研究理事会已经批准给予研究人员一项Confidence in Concept基金,建立一种创新性的新蚊帐,将证明比目前的方式更有效。今后,Towers博士和同事们计划不仅绘制睡觉区域,而是使用八台相机绘制整个小屋内的轨迹,收集高达每小时10TB的数据。随着该团队日益接近目标,他们将有望完全描绘蚊子的行为。

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