魚を撮りに海に行こう
大型定置網（南さつま市）
北海道大学大学院水産科学院
海洋生物資源科学専攻・水産工学講座
行動計測工学研究室（米山研究室）
光学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。
市販の防水カメラで実装するステレオカメラ
魚類は水中を3次元的に遊泳するため、行動解析では奥行きを含めた3次元計測が重要となります。例えば、単眼カメラのみで魚の遊泳速度を計測すると、奥行き方向の移動を捉えられず、実際よりも速度を過小評価してしまう場合があります。この問題を解決する方法が、異なる視点から撮影した複数の画像を用いて対象の3次元位置を復元するステレオビジョンです。
ステレオカメラでは、各画像上で対応する特徴点を結び、三角測量の原理に基づいて対象魚の3次元位置を推定します。さらに、時系列で位置を追跡することで、遊泳軌跡や3次元遊泳速度を解析することが可能になります。一般に、水中用ステレオカメラは高価な印象がありますが、当研究室では市販の防水アクションカメラを利用した低コストなステレオカメラシステムを構築しています。カメラ間の時間同期には音声信号を利用し、専用同期装置を用いずに撮影時刻を揃えることで、研究や現場観測に利用可能な3次元画像計測を実現しています。
光学カメラで魚体・魚群計測
試験魚の成長過程を把握するために、試験魚を一時的に捕獲して、歪み補正とカメラキャリブレーションされた固定カメラにより、魚体の大きさを計測するほか、魚体色や体形、体高、肥満度、模様の変化などを画像解析によって定量化し、対象魚の形態的特徴を評価します。
また、固定カメラで魚の動きを連続的に計測することで、遊泳速度、尾鰭振動数、行動発現頻度、摂餌行動、個体間距離、同調性などの魚群行動指標の解析を行い、成長や飼育環境に伴う行動変化を把握しています。
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。
水中生物画像計測システム SALMO++
SALMO++（System for Aquatic Life Measurement and Observation Increment）は、当研究室の学生がプログラミング作業に多くの時間を費やし、魚群行動の分析や考察に十分な時間を割けていないという課題を解決するために開発した、水中映像上の魚類の体サイズや魚群行動を定量化する画像計測システムです。本システムは研究用途に特化した設計となっており、教師データが存在せずAIの適用が難しい新規養殖種や、詳細な行動解析を対象とした研究にも対応できるよう、手動計測を基本とした画像解析機能を備えています。ステレオカメラによる3次元計測に加え、単眼カメラによる2次元画像計測にも対応しており、魚体長、個体間距離、対物距離、遊泳速度、尾鰭振動周波数、利用空間、空間密度など、多様な魚群行動指標を解析することが可能です。さらに、クラウド上で動画・計測データ・プロジェクトを一元管理することで、共同研究におけるデータ共有や研究の引継ぎを容易にしました。専門的なプログラミング知識を必要としない操作性を重視した設計により、初学者でも扱いやすく、研究現場における画像計測のハードルを大きく低減することで、魚群行動研究の効率化と高度化に貢献しています。
光学カメラによる魚の計測に関する成果
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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)
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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
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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
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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)