Год издания: 2023
Ключевые слова: зоопланктон, подводные аппараты, флуоресценция, анализ изображений
Аннотация: Основной задачей предлагаемого проекта является разработка уникальной погружной проточной видеосистемы для анализа численности, состава и пространственного распределения сообществ зоопланктона. Создаваемая технология основана на трехмерной видеорегистрации организмов внутри проточной камеры в обычном и флуоресцентном свете. РегистрПоказать полностьюация флуоресцентного сигнала даст возможность получать дополнительные сведения о питании и физиологическом состоянии представителей зоопланктона. Технология включает собственно разработку проточной системы (конструирование аппаратной части) и первичную обработки изображений (сегментация, трекинг частиц, снятие геометрических и текстурных характеристик), а также предварительную классификацию объектов с помощью методов машинного обучения. Апробация системы будет проводиться на естественных сообществах зоопланктона различного видового состава в нескольких озерах. Научная значимость проекта заключается в расширении исследовательских возможностей, автоматизации, эффективности и повышении статистической надежности собираемых данных в исследованиях зоопланктона. Разработка погружной проточной видеосистемы анализа зоопланктона на основе оптико-флуоресцентных характеристик является новой задачей. Опыт использования открытых погружных видеосистем показал существенные ограничения этой методики, особенно в турбулентной среде. Кроме того, в открытой системе невозможно регистрировать флуоресцентный сигнал объектов на фоне естественного освещения. Применение видеозаписи внутри погружной проточной камеры, позволит решить проблемы турбулентности и контролируемого освещения и позволит регистрировать дополнительные параметры зоопланктеров в виде флуоресцентных сигналов, что до настоящего времени не реализовано ни в одной из разработок подобного рода. В рамках проекта предлагается разработать и апробировать новую технологию, сочетающую принципы проточной цитометрии применительно к зоопланктону, где аппаратная часть является погружным элементом. Дополнительной и важной особенностью системы является запись флуоресцентных сигналов. Ближайшим конкурентом является система SAO Imager - Imaging and classification system for Small Aquatic Organisms (SAO) (https://www.oceanspacesensors.org/saoimager). В этом проекте регистрирующая аппаратная часть находится на борту судна, а забор воды осуществляется с помощью шланга с нужной глубины. Однако в данной системе регистрирующая аппаратная часть не является погружной, что является значительным минусом. Поскольку проба воды доставляется до места видеофиксации по шлангу, следует ожидать разрушения хрупких организмов в результате кавитации. Кроме того, образующие при закачке воды по шлангу пузыри создают существенные шумы при анализе изображений. Таким образом, ни одно из существующих на сегодня решений в области цифровых систем анализа сообществ зоопланктона не сочетает в себе предлагаемые при реализации данного проекта качества: регистрация изображений in situ, проточность, погружная система, контроль турбулентности, возможность контролировать освещенность и фиксировать флуоресцентный сигнал. Для обработки видеоизображений будет создана специальная компьютерная программа. Реализация программы не требует написания сложных алгоритмов обработки изображений и может быть осуществлена с помощью готовых библиотек анализа изображений и методов машинного обучения на языке R или, альтернативно, Python, Julia. Обучающая выборка может быть получена на тестовом составе зоопланктона, который параллельно будет контролироваться методом обычной микроскопии. Разработка погружной проточной видеосистемы анализа зоопланктона будет включать три этапа общего плана работ: 1) создание и тестирование аппаратной части; 2) написание программы первичной обработки видеоматериала; 3) апробация системы на естественных сообществах зоопланктона.