D2 3D-Schwimmverfolgung

Thema

3D-Schwimmverfolgung ist ein Verfahren, das die dreidimensionalen Schwimmbahnen einzelner Fische oder Fischschwärme aus Bildsequenzen rekonstruiert, die gleichzeitig von mehreren synchronisierten Kameras aufgenommen werden. Jede Kamera beobachtet den Fisch aus einer anderen Perspektive. Das physikalische Prinzip dieser Rekonstruktion ist die stereoskopische Triangulation: Die dreidimensionale Position eines Punktes auf dem Fischkörper wird ermittelt, indem die optischen Strahlen, die die Projektion dieses Punktes auf mindestens zwei kalibrierte Kameras definieren, mithilfe der Epipolargeometrie – der Geometrie, die die Bilder beider Kameras verknüpft – und den Projektionsmatrizen, die jede Kamera in einem vorherigen Kalibrierungsprozess anhand eines Zielsystems mit bekannten Positionen ermittelt hat, geschnitten werden.

Wird die 3D-Schwimmverfolgung auf einen Fischschwarm anstatt auf einen einzelnen Fisch angewendet, entsteht zusätzlich ein Zuordnungsproblem: In jedem Paar aufeinanderfolgender Bilder muss das Verfahren jede im aktuellen Moment erfasste Position dem entsprechenden Fisch im vorherigen Moment zuordnen. Diese Zuordnung wird durch Minimierung eines Gesamtkostenfaktors gelöst, der den Abstand zwischen den Positionen und die Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit jedes Fisches berücksichtigt. Um diese Aufgabe auch unter Berücksichtigung des dem Detektionsprozess inhärenten Rauschens optimal zu lösen, wird ein Kalman-Filter eingesetzt. Dieser Filter prognostiziert die zukünftige Position jedes Fisches anhand seiner geschätzten Geschwindigkeit und korrigiert diese Prognose anschließend mit den neuen Messwerten. Dabei wird der Prognose oder der Messung je nach deren aktueller Zuverlässigkeit mehr oder weniger Gewicht beigemessen.

Die rekonstruierten dreidimensionalen Trajektorien ermöglichen die direkte Berechnung der kinematischen Parameter der Schwimmbewegung jedes einzelnen Fisches – seiner Geschwindigkeit, Beschleunigung, seines Drehwinkels und des Radius der beschriebenen Kurve – sowie, im Falle eines Fischschwarms, der kinematischen Parameter der gesamten Gruppe: den Grad der Ausrichtung des Schwarms, die Verteilung der Relativgeschwindigkeiten benachbarter Fische und die Funktionen, die beschreiben, wie die Bewegung eines Fisches mit der Bewegung benachbarter Fische korreliert. Durch die Kombination dieser dreidimensionalen Trajektorien mit Beschleunigungsmessungen ist es zudem möglich, die Sinuosität und die Transportkosten der Fische direkt in ihrer natürlichen Umgebung zu bestimmen, ohne die kontrollierten Bedingungen eines Laborkanals zu benötigen.

Der Hauptvorteil der dreidimensionalen Trajektorienrekonstruktion liegt darin, dass sie Unterschiede zwischen der vom Fisch zurückgelegten Nettobahn – der geraden Linie zwischen Start- und Zielpunkt – und der tatsächlich zurückgelegten Bahn aufzeigt. Diese Unterschiede bleiben bei zweidimensionaler Verfolgung unberücksichtigt, da Tiefenänderungen nicht erfasst werden. Besonders deutlich wird dieser Unterschied bei Arten, die ihre Schwimmtiefe stark verändern. Hier erweist sich die 3D-Schwimmverfolgung, die zu Beginn dieses Modells als Technik zur Rekonstruktion dreidimensionaler Trajektorien beschrieben wurde, als unerlässlich, um Ausmaß und Art der tatsächlichen Fischbewegung nicht zu unterschätzen.

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