Neues Hochgeschwindigkeits-Videosystem nutzt Sensoren und Infrarotbeleuchtung, um Insekten in großen Wildgebieten zu verfolgen

Unsere Fähigkeit, mehr über das Verhalten von Insekten zu erfahren, das weltweit Auswirkungen auf Ökologie, Gesundheit und Wirtschaft hat, hängt weitgehend von einer geeigneten Aufzeichnungstechnologie ab. Bisher waren diese Tools jedoch erheblich begrenzt.

Um dieses Problem anzugehen, hat ein Forscherteam der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg in Deutschland ein anpassungsfähiges System entwickelt, das mit verschiedenen Arten von Hardware kombiniert werden kann, um Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen des Flugverhaltens von Insekten zu erstellen und diese über große Entfernungen zu verfolgen , ihre Flugbahnen in freier Wildbahn.

Das Team beschreibt diese Technologie in ein Papier mit dem Titel „High Resolution Outdoor Videography of Insects Using Fast Lock-On Tracking“, veröffentlicht am bioRxiv Preprint-Server. Dieses neue Werk ist eine Fortsetzung ihres frühere Forschung zu diesem Thema, veröffentlicht im Jahr 2020.

Bestehende Aufnahmemethoden und ihre Grenzen

In der Vergangenheit haben sich Verhaltensforscher von Insekten auf die direkte Beobachtung verlassen, um neue Erkenntnisse zu gewinnen, und in jüngerer Zeit haben sie die harmonische Radarverfolgung eingesetzt, um Informationen über die Flugbahnen von Insekten, insbesondere von Bienen, zu erhalten. Allerdings ist die Auflösung dieses Radartyps sowohl räumlich als auch zeitlich begrenzt.

In Laboren haben Forscher Kameras mit höherer Auflösung verwendet, um Details des Flugverhaltens von Insekten zu untersuchen. Der Nutzen solcher Kameras erstreckt sich jedoch nicht auf natürliche Insektenumgebungen, in denen eine Vielzahl von Variablen die Flugfunktion beeinflussen können.

Forscher haben mit einigem Erfolg auch die Videografie mit stationären Kameras eingesetzt (bei der die Kamera automatisch den Bewegungen der Motive folgen kann), aber diese Methode lässt sich am effektivsten mit einer begrenzten Anzahl von Pixeln für eine bestimmte Feldbreite einsetzen. Die Anwendung dieser Methode auf ein größeres Feld führt zu einer geringeren Winkelauflösung, während das Hinzufügen von Pixeln die Bewegung des Motivs verwischt. Das Vergrößern des Motivs bei gleichzeitiger manueller kontinuierlicher Anpassung der Kameraausrichtung an Bewegungen war nicht möglich.

Mittlerweile funktioniert die Kombination von hochvergrößernder Optik und Hochgeschwindigkeits-Bildverfolgung bei größeren Motiven wie Vögeln, Drohnen und Sportbällen, bei kleinen Motiven wie Insekten ist jedoch eine geringe Latenz erforderlich. Das Umzingeln fliegender Insekten mit mehreren Kameras oder die Verwendung vereinfachter Hintergründe in Innenräumen könnte hilfreich sein, aber diese Methoden weisen auch offensichtliche Einschränkungen auf.

Retroreflektoren stellen jedoch eine potenzielle Lösung für eine effektive und detaillierte Insektenverfolgung dar. Basierend auf Studien, bei denen eine zuvor entwickelte Methode zur Verfolgung von Insekten zum Einsatz kam, hat das Forschungsteam hinter dieser neuesten Arbeit die Lösung „Fast Lock-On (FLO) Tracking“ genannt und berichtet über ihre Bemühungen, damit den Flug von Insekten im Freien zu verfolgen.

FLO-Tracking mit Insekten

Um die FLO-Verfolgung bei fliegenden Insekten zu nutzen, wird ein winziger, leichter retroreflektierender Marker an einem Motiv angebracht. Wenn sich das Motiv bewegt, sendet der Marker ein Signal an einen optischen Sensor, der die optische Achse des Sensors steuert und gleichzeitig die Abweichung des Motivs vom Mittelpunkt des Sensors minimiert. In dieser Studie bauten die Forscher eine Infrarotbeleuchtung nahe der optischen Achse des Sensors ein und schwenkten und neigten die optische Achse, um die Flugbahnen ihrer Testpersonen nachzubilden – darunter Heuschrecken (Schistocerca gregaria), Hummeln (Bombus terrestris) und Honigbienen (Apis mellifera) – über vom FLO-System erkannte Winkel.

In ihrem Artikel heißt es: „Eine geringe Latenz vom Sensoreingang zum Motorausgang verbessert die Systemleistung und ermöglicht eine stärker vergrößernde Optik, was wiederum zu weiteren Leistungssteigerungen führen kann. Aus Steuerungssicht handelt es sich bei FLO um ein Design mit geschlossenem Regelkreis, bei dem die Verschiebung erfolgt.“ des Zielbildes von der Sensormitte ist ein Fehlerwinkel zwischen dem Insektenwinkel und der Winkelposition des optischen Pfades unter Kontrolle.“

Die Testvideos des Teams erfassten erfolgreich den Flug der Versuchsperson „vom Start bis zur Landung mit hoher Vergrößerung und geringer Bewegungsunschärfe“, und die Gliedmaßen der Insekten blieben während des Fluges im Fokus.

Darüber hinaus ist die Erstellung des Systems nicht teuer und kann einfach mit einem Computer, einer Digitalkamera mit geringer Latenz und einem Schwenk-Neige-Motorsystem aufgebaut werden. Der Artikel beschreibt detailliert Hardware, Berechnungen für Winkelrekonstruktionen und Implementierungsmethoden.

Möglichkeiten zur Systemverbesserung

Das Team erkennt an, dass die Verfolgung von Insektenflügen im Freien ein wichtiges Problem ist, das noch nicht vollständig gelöst ist. Mindestens drei große Schwächen bleiben bestehen. Erstens könnte ein vorübergehender Verlust der Nachverfolgung innerhalb des FLO-Regelkreissystems zu einem vollständigen Ausfall der Nachverfolgung führen.

Darüber hinaus „schätzt das System die Entfernung zum Motiv nicht direkt“, heißt es in dem Papier. Während für einen erfolgreichen Tracking-Prozess selbst keine präzise Kalibrierung erforderlich ist, ist eine solche zum Extrahieren und genauen Bestimmen der endgültigen 3D-Koordinaten erforderlich.

Zu den vorgeschlagenen Verbesserungen gehören die Verwendung mehrerer FLO-Systeme, die zusammenarbeiten, um die Berechnung durch Triangulation zu verbessern, und die Beseitigung der Notwendigkeit von Retroreflektoren durch die Entwicklung fortschrittlicher Computer-Vision-Techniken zur Erkennung von Objekten auf Insekten.

Die Forscher bleiben jedoch optimistisch, dass die FLO-Verfolgung zur Untersuchung zahlreicher Aspekte des Flugverhaltens von Insekten genutzt werden könnte, darunter mehrere, die sich direkt auf größere ökologische Probleme beziehen, wie etwa die Reaktionen von Insekten auf künstliches Nachtlicht, den Verlust ihrer Lebensräume und die Behandlung mit Pestiziden ihre Nahrungsgebiete.

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