D2 Rastreamento de natação 3D

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O rastreamento de natação em 3D é a técnica que reconstrói as trajetórias tridimensionais de peixes individuais ou grupos de peixes nadando em cardumes, a partir de sequências de imagens capturadas simultaneamente por várias câmeras sincronizadas, cada uma observando o peixe de uma perspectiva diferente. O princípio físico por trás dessa reconstrução é a triangulação estereoscópica: a posição tridimensional de um ponto no corpo do peixe é obtida pela interseção dos raios ópticos que definem a projeção desse ponto em pelo menos duas câmeras calibradas, usando a geometria que relaciona as imagens de ambas as câmeras — a geometria epipolar — juntamente com as matrizes de projeção que cada câmera obteve durante um processo de calibração prévio em relação a um alvo de pontos de posição conhecida.

Quando o rastreamento de natação em 3D é aplicado a um cardume de peixes em vez de um único peixe, a reconstrução também enfrenta um problema de atribuição: em cada par de quadros consecutivos, a técnica deve atribuir cada detecção no momento atual ao peixe correspondente no momento anterior. Essa atribuição é resolvida minimizando um custo geral que combina a distância entre as posições e a consistência com a velocidade de cada peixe. Para otimizar essa atribuição, mesmo com o ruído inerente ao processo de detecção, utiliza-se um filtro de Kalman. Esse filtro prevê a posição futura de cada peixe com base em sua velocidade estimada e, em seguida, corrige essa previsão com a nova detecção, atribuindo maior ou menor peso à previsão ou à medição, dependendo de qual for mais confiável naquele momento.

Uma vez reconstruídas, essas trajetórias tridimensionais permitem o cálculo direto dos parâmetros cinemáticos da natação de cada peixe — sua velocidade, aceleração, ângulo de giro e raio da curva que descreve — e, no caso de um cardume, também os parâmetros cinemáticos de todo o grupo: o grau de alinhamento do cardume, a distribuição das velocidades relativas entre os vizinhos e as funções que descrevem como o movimento de um peixe se correlaciona com o de peixes próximos. Combinando essas trajetórias tridimensionais com medições de acelerômetro, também é possível estimar a sinuosidade e o custo de transporte do peixe diretamente em seu ambiente natural, sem a necessidade das condições controladas de um canal de laboratório.

A principal vantagem de reconstruir a trajetória em três dimensões é revelar as diferenças entre o caminho líquido seguido pelo peixe — a linha reta que conectaria seu ponto de partida ao ponto de chegada — e o caminho real percorrido, diferenças que o rastreamento bidimensional não consegue detectar porque ignora as mudanças de profundidade. Essa diferença é especialmente marcante em espécies que mudam de profundidade significativamente enquanto nadam, onde o rastreamento de natação em 3D, descrito no início deste modelo como uma técnica para reconstruir trajetórias tridimensionais, acaba sendo indispensável para não subestimar o quanto e como o peixe realmente se move.

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