摄像机的新用途：用科技共同保护野生动物和人类的安全

远距离测量动物的心率和呼吸频率可以保证动物和人类的安全。

几年前，南澳大学(University of South Australia)的遥感工程师贾万·查尔(Javaan Chahl)一边喝咖啡，一边研究生命体征。具体来说，他和他的几个同事正在讨论如何使用摄像机来精确测量人们的呼吸和心率。工程师们相信他们能制造出这样一种工具，但对它的应用前景不是很确定。毕竟，有人开玩笑说，当医生给人们戴上听诊器时，他们是不会咬人的。

但这一评论让查尔想到:许多动物确实会咬人，这就是为什么研究人员和兽医经常在记录动物的生命体征之前要诱捕或麻醉它们。查尔联系动物园管理员了解到，对动物进行基本的健康检查——通过捕获和控制或者用麻醉枪射击——确实会对动物导致压力甚至伤害，这“实际上是相当大的事情”。饲养员还告诉他，他们非常欢迎一种能够远程、非侵入性地读取动物生命体征的技术。

受到这些对话的启发，查尔和他的同事们构建了一个原型设备，包括一个高分辨率的数码摄像机，一个长焦镜头和一个他们在计算软件MATLAB中编写的信号处理程序。该程序分析传入的图像，以确定动物的呼吸和心率，其依据是一些微小的变化，如胸部的扩张和整个身体所表现的较小而有节奏的运动。

去年12月，澳大利亚阿德莱德动物园(Adelaide Zoo)的《传感器》(Sensors)杂志报道称，研究人员成功地在10个物种上测试了这种方法，包括狮子、熊猫、苏门答腊虎、猩猩和小蓝企鹅。查尔相信这种方法几乎可以用于任何物种，包括非常小的物种。他说:“与雷达或热像机相比，光学成像的好处在于，你可以通过只改变镜头，就可以大到观察月球或小到观察细菌。”他指出，海龟可能是个例外，因为它们胸腔藏在壳里。

基于光学图像的另一个优势是它的高分辨率，这使得查尔和他的同事可以在10到130英尺远的地方监视动物。他们编写的计算机程序可以过滤掉动物自然运动产生的大部分“噪音”，但如果一个动物在跑步，这个程序就不起作用了。它在明亮、直接的光线下，从上方或侧面倾斜时效果最好。查尔说:“想象一下，一张非常糟糕的自拍照会暴露出你所有的缺点。所以那就是技巧发挥最佳效果的时候。”

英国普利茅斯大学(University of Plymouth)雷达与电信专业的讲师克里斯托弗·莱弗斯(Christopher Lavers)没有参与这项研究，但他同意新方法可以提高动物和人类的安全性。他回忆起他使用其他一些技术检查动物生命体征时的几次死里逃生。举个例子，当莱弗斯试图使用一个热成像相机——它的分辨率很低，而且需要靠近拍摄对象——通过笼子的栅栏来监视一只老虎时，动物园的工作人员必须仔细观察，以确保这只动物不会从他身上跑过去抓他。还有一次，他不得不进入水牛的围栏来使用他的设备，因为太过于专注他的热成像工作，所以好一会儿才反应过来“马上出去！”是针对他的。

莱弗斯说，有一种方法可以在安全的距离之外对野生动物进行准确的、非侵入性的健康测量，“为做以前不能做的事情打开了一扇全新的门。”

接下来，查尔计划走出动物园，在野生动物种群上测试他的方法，看看它是否能成为一种潜在的保护工具。他还可以想象人类对这项技术的应用。例如，在机场，它可以用于在疾病爆发期间对乘客的呼吸和心率进行大规模健康筛查。在新生儿病房里，它有可能成为电极的替代品，电极通常贴在新生儿娇嫩的皮肤上，很容易造成轻微伤害。人们也可能希望在家里、养老中心或健身房安装被动健康和健身监测器等设备。

查尔说:“能够做到这一点的相机已经出现很长时间了，但是在此之前没有人尝试过。如果我们足够仔细、足够近、足够长时间地观察，许多微妙的运动和变化都是可以被探测到的，而这些变化预示着生命体征的变化。”

参考：

A Pilot Study for Estimating the Cardiopulmonary Signals of Diverse Exotic Animals Using a Digital Camera.
NCBI 2019