Видеорегистратор зоопланктона
ZOOPLANKTON VIDEO RECORDER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области морского приборостроения, а именно к автоматизированным системам изучения зоопланктона.
Уровень техники
Изучение особей зоопланктона обычно происходит в лабораторных условиях. Для отбора проб традиционно используют планктонные мелкоячеистые сети. Все взвешенные частицы, задержанные такой сетью, собирают в специальный стакан. Его содержимое затем исследуют в лаборатории с помощью микроскопа. Так определяют видовой состав и распределение зоопланктона по горизонтам [Sameoto D., Wiebe P., Runge J., Postel L., Dunn J., Miller C, Coombs S., 2000. Collecting zooplankton. In: Harris R.P., Wiebe P.H., Lenz J., Skjoldal,H.R., Huntley M. (Eds.), ICES Zooplankton Methodology Manual. Academic Press, London, UK, 55-81].
Однако кроме этого, необходимы детальные наблюдения за поведением особей зоопланктона, находящихся в различных, и постоянно меняющихся условиях среды (глубина, нисходящая освещенность, соленость, химический состав воды, концентрация растворенного кислорода и прочих газов, и т.п.). Это необходимо, в частности, для изучения поведенческой активности, стимулируемой или ингибируемой различными внешними воздействиями в первую очередь светом, теплом и степенью насыщения кислородом, например, в процессе онтогенетических вертикальных миграций зоопланктона, когда погружение может происходить пассивно, а подъем - за счет активных движений. Традиционный лабораторный способ для решения этой задачи не подходит, так как особи исследуются не в естественной среде обитания в водной толще, а только после подъема на поверхность.
Наиболее перспективными представляются устройства подводного видеонаблюдения, позволяющие регистрировать зоопланктон непосредственно в местах его обитания. Например, известна система, которая может осуществлять видеосъемку частиц в составе океанологического зонда-розетты. Частицы регистрируются при их проходе через измерительную камеру прибора [М. Picheral, L. Guidi, L. Stemmann, D. M. Karl, G. Iddaoud, G. Gorsky, The Underwater Vision Profiler 5: An advanced instrument for high spatial resolution studies of particle size spectra and zooplankton. Limnol. Oceanogr.: Methods, 8, 2010, 462-473].
Известна также система для определения вертикального распределения и размерной структуры зоопланктона, состоящая из погружаемого блока, включающего: цифровую цветную видеокамеру, лазерный модуль, гидростатический датчик глубины, и регистрирующего компьютера [RU 2495451 от 10.10.2013]. Элементы погружаемого блока закреплены на треножном штативе. В верхней части штатива располагается направленная вниз видеокамера, помещенная в водонепроницаемый бокс с обзорным окном. Опоры штатива служат для крепления гидростатического датчика глубины и лазерного модуля, которые располагаются на одном уровне. Видеокамера и датчик глубины соединены с регистрирующим компьютером комбинированным кабелем. По кабелю осуществляется передача видеоданных и управление видеокамерой, передача сигнала с датчика глубины, а также электропитание видеокамеры и лазерного модуля. Лазерный модуль крепится на штативе таким образом, чтобы генерируемая лазерная плоскость была перпендикулярна главной оптической оси объектива видеокамеры, а зона видимости камеры находилась внутри границ лазерной плоскости. Расстояние от объектива камеры до лазерной плоскости выбирается с таким расчетом, чтобы исследуемые объекты, находящиеся на этом расстоянии, были достаточно хорошо различимы на видеокадрах с целью последующего определения их размера.
Описанные выше устройства подводного видеонаблюдения предназначены в основном для регистрации частиц размером менее 2 см, к которым относятся пикопланктон, нанопланктон, микропланктон и мезопланктон - организмы размером, соответственно, 0.2 - 2, 2 - 20, 20 - 200, 200 - 2000 мкм [Lenz J., 2000. Introduction. In: Harris R.P., Wiebe P.H., Lenz J., Skjoldal H.R., Huntley M. (Eds.), ICES Zooplankton Methodology Manual. Academic Press, London, UK, 1-32]. Недостаток перечисленных устройств заключен в невозможности наблюдать интересующие экземпляры зоопланктона во всем диапазоне глубин и изменения внешних условий, так как в поле зрения камеры из-за движения зондирующего прибора попадают каждый раз новые частицы, а прежние уплывают или уносятся потоком воды.
Этого недостатка отчасти лишено устройство для регистрации двигательной активности гидробионтов Фролова Н.С.[RU 148670 от 10.12.2014]. В нем гидробионты (например, рыбы) помещаются в бассейн с водой, которая подсвечивается внешним источником света. Гидробионты регистрируются установленной около бассейна видеокамерой. Недостатком устройства является то, что гидробионты находятся в лабораторных условиях, а не в натуральных условиях исследуемого горизонта глубины. Данное устройство рассмотрено в качестве ближайшего аналога.
Сущность изобретения
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение видеорегистрации двигательной и физиологической активности конкретных особей зоопланктона in situ на различных глубинах в естественных гидрофизических, гидрооптических и гидрохимических условиях с высокой достоверностью.
Технический результат достигается тем, что создан видеорегистратор зоопланктона, содержащий камеру видеонаблюдения, при этом он содержит раму, в нижней части которой закреплены насос, не менее двух герметичных глубоководных боксов, между которыми размещена прозрачная емкость, снабженная одним и более оптическими окнами, двумя или более патрубками, содержащими сетчатые фильтры, размер ячеек которых меньше размеров частиц зоопланктона, и шлангом, а в глубоководных боксах размещены электронные блоки, камера видеонаблюдения, осветители и иллюминаторы, при этом осветители и камера видеонаблюдения размещены непосредственно вблизи оптических окон прозрачной емкости, причем поле зрения и глубина резко изображаемого пространства камеры видеонаблюдения больше или равны соответствующим размерам внутренней полости прозрачной емкости, в верхней части рамы закреплены блок управления, гидрофизический, гидрооптический и гидрохимический датчики водной среды, а полость прозрачной емкости последовательно соединена через патрубок с сетчатым фильтром и шлангом с первым входом насоса, а через другой патрубок с сетчатым фильтром полость через второй вход насоса сообщается с окружающим пространством, причем блок управления выполнен с возможностью принятия команд управления по кабель-тросу, выработки команд управления, сбора и обработки видеоданных от камеры видеонаблюдения, гидрофизических, гидрооптических и гидрохимических датчиков и передачи собранных данных по кабель-тросу при этом блок управления электрически соединен с электронными блоками, датчиками водной среды и насосом, а электронные блоки электрически соединены с камерой видеонаблюдения и осветителями.
В предпочтительном варианте в качестве камеры видеонаблюдения используют телевизионную IP-камеру с объективом для макросъемки.
В предпочтительном варианте в качестве камеры видеонаблюдения используют установку стереоскопической макросъемки.
В предпочтительном варианте в качестве камеры видеонаблюдения используют камеру светового поля.
В предпочтительном варианте в качестве датчиков водной среды используют гидрофизические, гидрооптические и гидрохимические датчики.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид видеорегистратора зоопланктона.
На фиг. 2 представлены глубоководные боксы и прозрачная емкость видеорегистратора зоопланктона в разрезе.
На фиг. 3 представлен видеорегистратор в разрезе с глубоководным боксом и прозрачной емкостью с особью зоопланктона.
На фиг. 4 представлена общая схема макросъемки особи зоопланктона, реализованная в видеорегистраторе зоопланктона с помощью телевизионной IP-камеры с объективом для макросъемки.
На фиг. 5 представлена схема стереоскопической макросъемки особи зоопланктона.
На фиг. 6 представлена схема съемки особи зоопланктона при помощи камеры светового поля.
Видеорегистратор зоопланктона (см. фиг. 1 и 2) содержит, подвешиваемую на кабель-тросе, раму (1), в верхней части которой закреплен блок управления (2) и датчики водной среды (гидрофизический (14), гидрооптический (15), гидрохимический (16)). В нижней части рамы (1) закреплены насос (13), два герметичных глубоководных бокса (3), между которыми подвижно размещена прозрачная емкость (8), снабженная одним и более оптическими окнами (9), двумя или более патрубками (11), содержащими сетчатые фильтры (10), размер ячеек которых меньше размеров частиц зоопланктона. В глубоководных боксах (3) размещены камера видеонаблюдения (5), электронные блоки (4), предназначенные для преобразования данных с видеокамеры, осветители (6), выполненные, например, в виде светодиодов и коллимирующей оптической системы, формирующей световой пучок заданной конфигурации. Стороны глубоководных боксов (3), которые обращены к соответствующему оптическому окну (9) прозрачной емкости (8) герметично оснащены иллюминаторами (7), из оптически прозрачного материала, выдерживающего внешнее гидростатическое давление. При этом осветители (6) и камера видеонаблюдения (5) размещены непосредственно вблизи оптических окон (9) прозрачной емкости (8), предназначенной для размещения в ней особи зоопланктона (17) (см. фиг. 3). Полость прозрачной емкости (8) последовательно соединена через патрубок (И) с сетчатым фильтром (10) и гибким шлангом (12) с первым входом насоса (13). Гибкий шланг (12) используют для обеспечения более удобного размещения насоса (13) на раме (1) и для уменьшения воздействия его вибрации и шума на особь зоопланктона (17). Через другой патрубок (11) с сетчатым фильтром (10) полость прозрачной емкости (8) сообщается с окружающим пространством. Блок управления (2) выполнен с возможностью принятия команд управления по кабель-тросу (19), выработки команд управления, сбора и обработки видеоданных от камеры видеонаблюдения (5), гидрофизических, гидрооптических и гидрохимических датчиков (14, 15 и 16) и передачи собранных данных по кабель-тросу (19). Блок управления (2) содержит в себе блок питания (на фигурах не показано) и электрически посредством информационных кабелей (18) соединен с электронными блоками (4), размещенными в глубоководных боксах (3) и датчиками водной среды (14,15,16) и насосом (13), а электронные блоки (4) в свою очередь соединены с камерой видеонаблюдения (5) и осветителями (6).
Подробное описание осуществления изобретения
Видеорегистратор зоопланктона функционирует следующим образом. Внутрь прозрачной емкости (8) наливают воду с поверхности исследуемой акватории, помещают в нее одну или несколько особей зоопланктона (17), после чего прозрачную емкость (8) закрепляют на раме (1). Раму (1) с закрепленными на ней конструктивными элементами видеорегистратора зоопланктона погружают в исследуемую водную среду на кабель-тросе (19). Включают насос (13). В результате этого окружающая вода засасывается через патрубок (11) с сетчатым фильтром (10) в прозрачную емкость (8). Затем вода проходит через второй патрубок (11) с сетчатым фильтром (10) и шлангом (12) и поступает на первый вход насоса (13) и далее через второй вход насоса (13) выбрасывается в окружающую воду. Сетчатые фильтры (10) имеют размеры ячеек меньше, чем особь зоопланктона (17) и поэтому она не может покинуть прозрачную емкость (8). Кроме того, внешние помеховые частицы из окружающей воды с размерами больше, чем ячеи сетчатого фильтра (10) патрубка (11), через который засасывается вода, задерживаются им и не могут попасть в прозрачную емкость (8). При этом вода, с растворенными в ней примесями и газами, свободно прокачивается насосом (13) через прозрачную емкость (8). Гидростатическое давление в полости прозрачной емкости (8) практически равно таковому в окружающей воде, с поправкой на гидравлический напор от насоса (13). Стенки прозрачной емкости (8) пропускают внешнее освещение от естественного подводного светового поля. Таким образом, особь зоопланктона (17) находится в гидрофизических, гидрооптических и гидрохимических условиях, идентичных таковым в точке нахождения видеорегистратора зоопланктона. Далее осветители (6), установленные внутри глубоководного бокса (3), через иллюминатор (7) освещают особь зоопланктона (17). Одновременно с этим камера видеонаблюдения (5) (либо телевизионная IP-камера с объективом для макросъемки, либо установка стереоскопической макросъемки, либо камера светового поля) установленная в глубоководном корпусе (3), через иллюминатор (7), окружающую воду, оптическое окно (9) регистрирует видеоизображение особи зоопланктона (17), находящейся внутри прозрачной емкости (8). На фиг. (4) представлена общая схема регистрации телевизионной IP-камерой с объективом для макросъемки. При этом параметры оптической схемы регистрации подобраны так, что регистрируется поле зрения размером А и глубиной резко изображаемого пространства около особи зоопланктона равной В.
Работа видеорегистратора зоопланктона с размещенной в глубоководных боксах (3) камерой видеонаблюдения (5) (телевизионная IP-камера, либо камера стереоскопической макросъемки, либо камера светового поля) осуществляется, как описано выше. Разница заключается только в возможностях получения различной информации двигательной и физиологической активности особи зоопланктона (17) в зависимости от технических особенностей съемки той или иной камеры видеонаблюдения (5). Например, стереоскопическая макросъемка камерой видеонаблюдения (5) обеспечивает реализацию эффекта бинокулярного зрения посредством просмотра двух изображений искомого объекта с двух разных ракурсов (см. фиг.5). Бинокулярное (стереоскопическое) зрение, то есть способность одновременно четко видеть изображение предмета обоими глазами, позволяет оператору видеть одно изображение предмета, на который он смотрит двумя глазами, с подсознательным соединением в зрительном анализаторе (коре головного мозга) изображений, полученных каждым глазом в единый образ. Созданное объемное изображение с двух разных ракурсов проецируют на экран или просматривают в стереоочках. Изображения для правого и левого глаза на экране могут выводиться либо двумя разными цветами и просмотром их оператором через очки с правым и левым стеклом с соответствующим светофильтром, либо методом быстрого чередования правого и левого изображений. Этот принцип может быть реализован с использованием для установки в глубоководных боксах (3), видеорегистратора зоопланктона, выполненного, например, в виде отечественной установки для макроскопической стереосъемки [Мелкумов А.. Технология макроскопической стереокиносъемки // Мир техники кино. №2017-1(11)].
Камера видеонаблюдения (5) в виде камеры светового поля создана для осуществления съемки одиночных кадров через оптическую систему с очень большим, по сравнению с обычными матрицами для цифровой съемки, количеством пикселей (см. фиг.6). Полученный двумерный цифровой массив кадра обрабатывается специальным программным обеспечением так, что возможно последующее получение из него резких цифровых изображений в любой выбранной плоскости фокусировки и в большом диапазоне глубины резкости. В специальной оптической системе в фокальной плоскости основного объектива помещается решетка (растр), состоящая из сферических микролинз. В прозрачных растрах чередуются прозрачные и непрозрачные элементы, отражательные растры состоят из зеркально отражающих и поглощающих (или рассеивающих) элементов. ПЗС-матрица находится позади растра и каждый микрообъектив строит на ее поверхности элементарное изображение выходного зрачка съемочного объектива. При дешифровке полученной совокупности изображений создается виртуальная векторная модель светового поля, описывающая направление и интенсивность световых пучков, исходящих из объектива. В результате на основе этой модели может быть воссоздана картина распределения освещенности в любой из сопряженных фокальных плоскостей. Для такой съемки можно использовать камеру, описанную в статье [R. Ng, М. Levoy, М. Bredif, G. Duval, М. Horowitz, and P. Hanrahan. Light Field Photography with a Hand-Held Plenoptic Camera. Stanford University Computer Science Tech Report CSTR 2005-02, Апрель 2005 года]. На фигуре 6 показана схема съемки особи зоопланктона (17) при помощи камеры светового поля. Особь зоопланктона (17) находится внутри прозрачной емкости (8) и освещается осветителем (6). Камера видеонаблюдения (5) в виде камеры светового поля строит векторное поле световых лучей (световое поле) от всего объема прозрачной емкости (8), а именно воды, прошедшей внутрь прозрачной емкости (8), оптического окна (9), воды перед иллюминатором (7) и иллюминатора (7) на многоэлементной матрице. На основе картины светового поля воссоздается наиболее полная информация об изображении, набор плоскостей с восстановленными резкими изображениями с линейным полем А и по всей требуемой глубине резко изображаемого пространства В. Полученные изображения передаются по кабель-тросу (19).
Таким образом, результат обеспечения регистрации двигательной и физиологической активности конкретных особей зоопланктона in situ на различных глубинах при соответствующих гидрофизических, гидрооптических и гидрохимических условиях с высокой достоверностью достигается тем, что в устройстве реализовано профилирование водной толщи на разных горизонтах глубины с помощью погружаемого видеорегистратора зоопланктона с установленными на нем датчиками гидрофизических, гидрооптических и гидрохимических параметров, прозрачной емкостью с водой, герметичной камерой видеонаблюдения, при этом особи зоопланктона помещаются внутрь прозрачной емкости, подсвечиваются осветителями и регистрируются камерой видеонаблюдения, при этом ее параметры выбраны так, что поле ее зрения и глубина резко изображаемого пространства равны или больше соответствующих размеров внутренней полости прозрачной емкости, вода в прозрачной емкости заменяется на окружающую, с помощью насоса, через сетчатые фильтры, не позволяющие особям зоопланктона покинуть прозрачную емкость и препятствующие проникновению помеховых частиц извне, при этом давление в емкости в момент регистрации камерой видеонаблюдения равно окружающему.