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光学ステレオカメラによる魚の計測

魚を対象とする漁業や養殖業の研究では、さまざまな場面で対象魚の魚群行動や魚体をモニタリングする必要があります。観察手法としては、目視、音響、バイオロギング、画像解析など多様なアプローチがありますが、本研究室では画像・映像を用いた計測手法の開発に取り組んでいます。

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​ステレオカメラによる計測

魚は水中を三次元的に遊泳するため、行動計測においても三次元空間での動きを把握できるようにデータを取得する必要があります。例えば、養殖生簀を周回するマグロの遊泳速度を単眼カメラで計測した場合、奥行き方向の位置情報が得られないため、魚が奥行き方向に移動すると遊泳速度を過小評価してしまいます。

このような問題を解決するために、異なる視点から撮影した複数のカメラ画像を用いて三次元情報を復元する手法をステレオビジョンと呼びます。光学カメラによるステレオビジョンでは、各カメラ画像上で対応する対象魚の特徴点を通る視線を用い、三角測量の原理に基づいて対象の三次元位置を推定します。カメラが固定されている場合には、対象魚の三次元位置を時系列で追跡することで遊泳軌跡が得られます。さらに、その軌跡を時間微分することで、三次元空間における遊泳速度を算出することが可能となります。

市販の防水カメラで実装するステレオカメラ

ステレオカメラによる3次元計測では、複数のカメラ間で撮影時刻が正確に同期されていることが不可欠です。時間同期が取れていない場合、各カメラで撮影された動画フレームの中から同一時刻のシーンを対応付けることができず、対象を3次元的に計測することはできません。そのため、水中用のステレオカメラは、カメラ間を接続する同期ユニットや防水構造の構築が必要となり、高価になるという印象があります。しかし実際には、防水仕様のアクションカメラを2台用意することで、比較的容易にステレオカメラシステムを構築することが可能です。時間同期については、音声信号を用いることでカメラ間の時刻を揃えることができます。その上で、各カメラ画像上の対応点を通る視線の交点を求める、すなわち三角測量の原理に基づいて、対象の3次元位置を推定します。

多眼ステレオカメラを用いた計測の高度化

三角測量の原理に基づいて対象を計測するステレオカメラでは、カメラ間の基線長が短い場合、対象が奥行き方向に遠ざかるほど計測精度が低下します。養殖生簀において養成魚を計測する際には、魚が常にステレオカメラで高精度に計測可能な空間を通過するとは限りません。そのため、遠方を遊泳する個体も正確に計測できることが、実用上重要となります。ステレオ画像計測における奥行き方向の誤差を低減するためには、カメラ間の距離（基線長）を広げる、あるいはカメラの光軸を直交させるといった方法が有効です。しかし、これらの手法は広い撮影空間を必要とし、透視度や装置サイズといった運用上の制約を受けやすくなります。そのため、魚体長計測を目的とした可搬式ステレオカメラでは、基線長が比較的短い構成が一般的であり、その結果、奥行き方向の計測誤差が大きくなるという課題があります。このような基線長の短いステレオカメラにおいて奥行き方向の誤差を低減するため、当研究室では、従来の2眼ステレオカメラを4眼に拡張し、カメラの視線数を増やすことで、対象が奥行き方向に離れるに従って生じる計測のばらつきを抑制する手法を検討しています。その結果、2眼および3眼ステレオカメラと比較して、4眼ステレオカメラでは精度（ばらつき）および正確度（偏り）の両面において大幅な改善が確認されました。今後は、本手法を魚群行動計測や魚体長計測への応用へ展開していく予定です。

光学ステレオカメラによる魚の計測に関する成果

  1. Yuto Sasaki, Rin Nishikawa, Kazuyoshi Komeyama, Non-invasive swimming speed estimation method based on tail beat frequency determined from fish length measurement using stereo cameras, Fisheries Science (in Press)

  2. 池田龍之介，田中達也，池上温史，中村悟史 ，米山和良，音声同期手法におけるステレオ画像計測へのフレームレートおよびシャッター速の影響，水産工学，56，pp85-89 (2019).　https://doi.org/10.18903/fisheng.56.2_85

  3. 田中達也, 米山和良, 山口武治, 浅海 茂, 鳥澤眞介, 髙木 力, 多眼ステレオ画像計測による養魚体測システムの精度向上 ,  日本水産学会誌，85, pp314-320 (2019). https://doi.org/10.2331/suisan.18-00034

  4. Kazuyoshi Komeyama, Jin Mugita, Osamu Tamaru, Tsutomu Takagi, Comparison of fish shoals of Japanese mackerel and Chub mackerel: Monitoring behaviour of fish schools using a stereo vision camera. Contributions on the Theory of Fishing Gears and Related Marine Systems, 10,  pp.261-269. (2017)

​北海道大学大学院水産科学院・水産科学研究院

水産工学講座・行動計測工学研究室（米山研究室）

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