CC BY
19
DOI 10.37614/2307-5228.2021.13.1.003 УДК 624.131.41
ФОТОДОКУМЕНТАЦИЯ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ У РЫБ
А.В. Мелехин1, Н.А. Бочкарев2, Н.А. Кашулин3, Е.М. Зубова3, П.М. Терентьев3
1Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина Кольского научного центра РАН, melihen@yandex.ru
2Институт систематики и экологии животных Сибирского отделения РАН, nikson_1960@mail.ru 3Институт проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН, seelewolf84@yandex.ru, pterentjev@mail.ru
Сбор морфологических данных рыб в полевых условиях обычно сопряжен со значительными трудностями и занимает много времени. Метод цифровой фотографии с дальнейшей компьютерной обработкой в настоящее время широко применяется в биологии и облегчает получение морфологических данных у рыб. В статье даются рекомендации по получению качественной цифровой фотографии рыб, проверенные нами опытным путем на большом ихтиологическом материале. Проведенные исследования морфологической изменчивости рыб с использованием данных рекомендаций показали несколько положительных моментов: ускорение сбора морфологического материала, повышение точности получаемых данных, организация материала в виде банка данных, возможность неоднократного обращения к фотографии объекта, быстрый обмен материалом.
Ключевые слова:
фотодокументация, рыбы,
морфологические данные.
HOW TO COLLECT THE PICTURES ON THE FISH MORPHOLOGY
A.V. Melekhin1, N.A. Bochkarev2, N.A. Kashulin3, E.M. Zubova3, P.M. Terentjev3
''Polar Alpine Botanical Garden Institute of the Kola Science Center of Russian Academy of Sciences, melihen@yandex.ru
institute of Systematic and Ecology of Animals of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, nikson_1960@mail.ru
institute of the Industrial Ecology Problems of the North of the Kola Science Center of Russian Academy of Sciences, seelewolf84@yandex.ru, pterentjev@mail.ru
Collecting fish morphology data in the field is usually difficult and time-consuming. The method of digital photography with further computer processing is currently widely used in biology and facilitates the acquisition of morphological data of fish. The article gives recommendations for obtaining high-quality digital photographs of fish, which we have tested empirically on a large ichthyological material. The studies of the morphological variability of fish following these recommendations showed several positive aspects: accelerating the collection of morphological material, increase of the accuracy of the data obtained, organizing the material in the form of a data bank, the ability to repeatedly refer to a photograph of an object, and a quick exchange of material.
Keywords:
photo collection, fish, morphological data.
Введение
Морфометрия включает анализ формы тела или формы отдельных морфологических структур, особенностей и различий размеров или частей тела. Сбор морфологических данных рыб в полевых условиях обычно сопряжен со значительными трудностями и занимает много времени. Учитывая необходимость проведения морфопатологического анализа [Кашулин и др., 1999; Кашулин, 2004], сбора воз-растрегистрирующих структур (чешуи, отолитов, жаберных крышек, клейтрума и др.), взятие навески икры и фиксации желудка, взятие проб на генетический и биохимический анализ и т. д., время обработки одной особи может достигать получаса и более. При этом время на обработку пробы рыб, в том числе и для морфологического анализа, ограничено 0,53 ч после ее вылова, в зависимости от условий хранения и вида анализа. В дальнейшем рыба пригодна лишь для измерения линейно-весовых характеристик, поскольку с момента гибели в организмах рыб происходят необратимые процессы, изменяющие не только физиологические и биохимические, но и морфологические характеристики. В связи с этим вызывают большие сомнения результаты измерений фиксированных образцов [Мандрица, 2007]. Наиболее затратные промеры рыб небольших размеров и ранних стадий онтогенеза. В то же время сравнительный анализ морфологических данных рыб предполагает их статистическую обработку, достоверность результатов которых при повторяющийся измерениях во многом определяется объемами выборок и единообразием методов измерений.
Одним из решений возникающих противоречий может стать использование цифровой фотографии рыб в стандартизованных условиях съемки с дальнейшей обработкой изображений в лабораторных условиях. Анализ изображений способствует быстрому сбору данных больших объемов, что имеет решающее значение, поскольку стабильность многомерного анализа зависит от отношения наблюдений (п) к переменным (р); п должно быть больше р — аналитическая мощность растет с увеличени-
ем числа наблюдений. В целях идентификации и разделения группировок быстрая обработка живых образцов также может устранить необходимость «приносить в жертву» или покупать образцы [Cadrin, Friedland, 1999]. Кроме того, полученная цифровая информация позволяет формировать единые базы данных, охватывающие весь ареал обитания вида, и доступные широкому кругу исследователей. К сожалению, огромный объем уникальной первичной ихтиологической информации, собранный исследователями в XIX-XX вв., безвозвратно утерян и не может быть применен для анализа произошедших изменений. Нередко после проведения морфологического или молеку-лярно-генетического анализа к некоторым образцам рыб, например относящимся к таким сложным в таксономическом плане «комплексным видам» Coregonus lavaretus sensu lato, Salvelinus alplnus sensu lato, необходимо возвращаться повторно для уточнения принадлежности к той или иной «форме» или «расе», оценки морфологии особей, имеющих гибридный генотип и т. д. В случае отсутствия фотографий этих образцов дополнительную информацию получить невозможно. Тщательное фотодокументирование материала предоставляет такую возможность [Бочкарев, Зуйкова, 2007].
За последние десятилетия разработка методов захвата и обработки цифровых изображений произвела революцию в морфоме-трических исследованиях. Метод цифровой фотографии с дальнейшей компьютерной обработкой в настоящее время широко применяется в биологии и облегчает получение морфологических данных рыб [Бочкарев, Зуйкова 2007]; [Бочкарев и др., 2013]; [Munoz-Munoz, Perpinan, 2010]. Он используется как один из методов полевого анализа ихтиологического материала, позволяющий зафиксировать в относительно короткий период большой объем первичной информации, пригодной для дальнейшей обработки и хранения. В данной статье даются рекомендации по использованию цифровой фотографии для морфологических исследований рыб, которые позволяют с минимальными материальными затратами стандартизировать данный метод. Эти рекоменда-
ции дадут возможность непрофессиональным фотографам получать качественные изображения ихтиологических объектов.
Результаты и обсуждение
Фотокамера. Для получения кадров приемлемого (для дальнейших измерений) качества стоит использовать камеры со сменной оптикой (желательно макро). Под «качеством» мы понимаем техническое качество — высокие разрешение и резкость, малые искажения и низкая шумность. Зеркальную камеру желательно выбирать с режимом предподъема зеркала, который можно заменить режимом LiveView — он превращает зеркальную камеру в беззеркальную. Беззеркальная камера — хороший вариант: зеркало добавляет ненужные сотрясения во время съемки, что и решается предподъемом зеркала. Пока беззеркальная техника более дорогая по оптике и неудобна в условиях яркого освещения (что решается в дорогих моделях наличием цифрового видоискателя). Матрица желательна без антимуарового фильтра, так как последний уменьшает резкость. Размер матрицы имеет значение, но так называемый «кроп» (у разных производителей он имеет разные значения) — вполне пригодный вариант для съемки рыб. Больший размер матрицы, с одной стороны, увеличивает свободу действий и возможное качество кадров, с другой — усложняет съемку, особенно для начинающих. В целом же техника не обязательно должна быть дорогой: неплохой вариант — дешевый Nikon с «кропну-той» матрицей и самым дешевым «хоботным» макрообъективом.
Оптика. Объектив — любой с хорошей разрешающей способностью, но лучше макрообъектив с фиксированным фокусным расстоянием («фикс»). Самый дешевый «фикс» даст лучшее качество картинки, чем самый дорогой зум-объектив («зум»). Макрообъективы со средним фокусным расстоянием (50-60 мм) в средней ценовой категории практически полностью исправляют сферические искажения кадра. Длиннофокусный объектив (100 мм и более) предпочтительнее (он даст еще меньше искажений), но дороже. В случае с «зумом»,
фокусное расстояние в средней части диапазона объектива даст наилучшее качество снимка. Бленда необязательна. Фильтры необязательны, но лучше поставить так называемый «защитный» фильтр — при случайном повреждении сменить фильтр намного дешевле. Не стоит использовать кольца и насадки (линзы), лучше купить специализированный, пусть и самый дешевый макрообъектив.
Штатив. Подойдет любой, выдерживающий вес камеры. Удобнее использовать специализированный макроштатив или хотя бы штатив с переворачиваемой штангой — так удобнее изменять расстояние от камеры до объекта. Наличие отделяемой от штатива головы необязательно, но желательно. Удобнее всего использовать шаровую голову с длинными фокусировочными рельсами: шаровый шарнир обеспечивает большую свободу, точность и удобство позиционирования, а наличие рельсов (имеются в виду простые встроенные рельсы, а не дорогие устройства для так называемого «стекинга») позволит достаточно тонко и при этом быстро задавать высоту объектива.
Пульт дистанционного управления. Лучший вариант съемки — съемка с дистанционным управлением. Подойдет любой совместимый ИК-пульт. Если пульта нет, то придется вести съемку в режиме «задержка спуска».
Настройка камеры и оптики. Если есть функция «подавление вибраций», ее надо отключить, на штативе она не работает и может ухудшить результат. В большинстве случаев подойдет режим «приоритет диафрагмы», в случае необходимости рассеивать вспышку — «ручной». ISO — лучше не более 100-200. Большие значения приведут к шуму. Диафрагма — не менее 14, лучше — 18. На «кропнутой» матрице значения выше 18 дадут уже заметное размытие. Меньшие значения не будут спопобствовать необходимой глубине резкости. Формат файлов — внутренний JPG + RAW. Если место не позволяет (находитесь в длительной экспедиции и взяли всего одну карту памяти), лучше только RAW, чем только JPG. При низкой освещенности возможны большие выдержки. Если съемка происходит в помещении, в городе, то вибрации здания (от людей или техники на улице) приведут к
микросмазам при выдержках больше 1/60 сек. В данном случае стоит прибегнуть к увеличению освещенности. В условиях отсутствия тряски (в поле, без ветра, когда штатив и объект ничего не сотрясает) допустима выдержка до нескольких секунд, однако выдержек более 1 сек. лучше избегать: при длинных выдержках увеличивается шумность кадра. Режим фокусировки на камере и в объективе должен быть выставлен на «ручной».
Свет. На улице в солнечную погоду надо снимать или в светлой палатке,или закрыв объект небольшим куском любого рассеивающего материала (белый зонт, тент, кусок тонкого пенополиэтилена и т. п., неокрашенные материалы). В облачную погоду можно снимать без ухищрений. В сумерках или ночью, а также в помещении даже штативная съемка должна вестись с дополнительным освещением. Можно использовать вспышку, но тогда ее надо рассеивать (куском бумаги или пенополиэтилена, примотанным на скотч на вспышку). В этом случае режим съемки должен быть ручной, опытным путем надо будет подобрать необходимую выдержку (так как камера «не знает», как сильно рассеиватель затемняет вспышку). Лучше организовать внешнее дополнительное освещение: бытовой светодиодной лампы или фонарика с рассеивателем (обычные бытовые лампы — уже с рассеивателем) на 2040 Вт будет достаточно. Лучше, когда лампы две. Располагать лампы надо так, чтобы они находились чуть выше нижней границы объектива (то есть не светили в объектив), при этом
как можно ближе к объекту (чтобы свет не терялся). В случае с рыбой темную спинку стоит освещать сильнее, чем светлое брюшко.
Фотографирование рыбы. Рыба выкладывается на однотонный пенополипропилено-вый коврик (или кусок пенополипропилена, покрытого однотонной матовой «плащевкой») левым боком вверх. Рыба (или ее часть, которую фотографируют) должна занимать большую часть кадра, с «запасом» 1-2 см от левого и правого краев кадра (рис. 1). То есть расстояние от объектива должно быть минимальным из возможных: это дает наибольшую детальность из возможных для данной оптики (с наибольшими сферическими искажениями, но, как уже было отмечено, все современные макрообъективы даже в средней ценовой категории эти искажения исправляют). Конечно, большое расстояние до объекта дает проекцию ближе к теоретически идеальной, однако даже на объективах с фокусным расстоянием в 60 мм, с условием покрытия объектом большей части кадра, получается достаточно «правильная» проекция. Фокусировка (лучше ручная, автофокус на таких расстояниях обычно работает некорректно) в случае съемки целой рыбы производится на рыбий глаз, части рыбы — на самый выступающий, верхний участок объекта. Под отклоняющиеся от горизонтали голову и хвостовой стебель подкладываются какие-либо подходящие по высоте предметы. Плавники расправляются и при необходимости фиксируются булавками. Оптическая ось объектива должна быть перпендикулярна пло-
Рис. 1.
Позиционирование рыбы, линейки и номерка («1234») в кадре. Красным выделена граница кадра, желтым — центр кадра
+
и
X
<u
CQ
Рис. 2. Пример процесса фотографирования рыбы. Фото П. Терентьева
скости подложки. Центр кадра должен находиться примерно в точке пересечения линий, проходящих через половины длины и высоты рыбы. Рядом выкладывается мерная линейка и карточка с номером рыбы. Как правило, делается несколько фотографий, в частности: общий вид, голова (в том числе и с максимально открытым ртом). Для некоторых видов нужно делать кадры головы с вентральной и дор-зальной сторон. При необходимости фотографируются хвостовой стебель, плавники, жаберная дуга и другие диагностические органы. Проверенные варианты наборов техники для макросъемки и много другой полезной информации, касающейся фотографирования биологических объектов, на русском языке можно найти, например, в Макроклубе (http:// macroclub.ru). Сравнения наших наборов техники для полевой съемки неподвижных объектов можно найти по ссылке: http://macroclub.ru/ club/viewtopic.php?f=10&t=9903.
На рисунках 2 и 3 показаны пример процесса фотографирования рыбы и его результат.
Подготовка полученных снимков. Если снимки получились приемлемые по свету
и их не надо готовить к выставке в формате А0, то для измерений рыбы внутрикамерного JPG будет достаточно. Массовая конвертация RAW в JPG с увеличением резкости и локального контраста возможна в любых современных программах типа Lightroom или Darktable, а также без графического интерфейса программами типа UFRaw.
Измерения. Измерения цифровых изображений рыб проводятся в программе Image J, либо аналогичной ей. Перед измерением каждой рыбы в программе Image J производится масштабирование фотографии — пиксели переводятся в миллиметры или сантиметры.
При «натурном» измерении пластических признаков часто проявляются объективные (условия полевых работ, состояние ихтиологического материала) и субъективные (индивидуальные навыки операторов, усталость) ошибки измерений, которые в дальнейшем исправить невозможно. К должным образом организованной библиотеке цифровых изображений всегда можно вернуться и выполнить недостающие или дополнительные, описывающие ту или иную морфологическую
Рис. 3. Пример результата штативной натурной съемки рыбы. Фото Е. Зубовой
структуру, промеры повторно. В результате такого сбора и обработки морфологических данных мы получаем более точные размерные показатели признаков и исключаем случайное попадание ошибочных данных. Использование для измерений штангенциркуля, по существу, сводит измеряемое тело рыбы к плоской линейной модели, поскольку не учитываются объемные искажения, что нивелирует все преимущества «натурных измерений» над цифровыми.
Заключение
Таким образом, проведенные нами исследования морфологической изменчивости на разных группах животных, включая рыб, с использованием данного подхода показали несколько положительных моментов:
1. Значительно ускоряется сбор морфологического материала.
2. Создаются библиотеки цифровых изображений видов рыб и других животных из различных регионов.
3. Возможна организация материала в виде банка данных.
4. Возможен сбор дополнительных морфологических признаков.
6. 7.
8.
9.
5. Возможность неоднократного обращения к фотографии объекта. Быстрый обмен материалом с коллегами. Любой автор может самостоятельно обработать любой образец, имеющийся в банке данных.
Повышается точность получаемых данных.
Возможность обработки данных методами геометрической морфометрии.
10. Привлекательность морфологических работ за счет упрощения первичной обработки материала.
11. Возможность согласования морфологических исследований, выполненных разными операторами.
К минусам данного метода можно отнести искажения, которые неизбежно присутствуют в фотографии, однако при должной тщательности и однообразном выполнении фотографирования их можно минимизировать.
Работа выполнена в рамках темы НИР № 0226-2019-0045 (введение) и частично поддержана из средств гранта РФФИ 18-05-60125 Арктика (результаты и обсуждение) и гранта РНФ № 19-77-10007 (заключение).
Литература
1. Бочкарев Н.А., Зуйкова Е.И. Дополнительные возможности сбора морфологических данных у рыб // Биологические аспекты рационального использования и охраны водоемов Сибири: материалы всерос. конф.; под ред. В.И. Романова. Томск: Лито-Принт, 2007. С. 24-25.
2. Бочкарев Н.А., Зуйкова Е.И., Политов Д.В. Дополнительные возможности сбора и регистрации морфологических данных у рыб // Биология, биотехника разведения и состояние запасов сиговых рыб: материалы международ. конф. Тюмень: Госрыбцентр, 2013. С. 32-36.
3. Кашулин Н.А., Лукин А.А. Амундсен П.-А. Рыбы пресных вод Субарктики как биоиндикаторы техногенного загрязнения. Апатиты: И-о КНЦ РАН, 1999. 142 с.
4. Кашулин Н.А. Рыбы малых озер Северной Фенноскандии в условиях аэротехногенного загрязнения. Апатиты: Изд-во КнЦ РАН, 2004. 130 с.
5. Мандрица СА. К использованию геометрической морфометрии в ихтиологии // Вестник Пермского университета. Серия Биология. 2007. Вып. 5 (10). С. 38-52.
6. Cadrin S.X., Friedland K.D. The utility of image processing techniques for morphometric analysis and stock identification // Fisheries Research. 1999. Vol. 43, P. 129-139. https://doi.org/10.1016/S0165-7836(99)00070-3
7. Muñoz-Muñoz F., Perpiñán D. Measurement error in morphometric studies: comparison between manual and computerized methods // Ann. Zool. Fennici. 2010. Vol. 47. P. 46-56.
