加博邊緣混隱比率法在研究動(dòng)物混隱色中的應(yīng)用

肖繁榮，卜榮平，黃婷婷，史海濤

(海南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，熱帶島嶼生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南省熱帶動(dòng)植物生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海口571158)

偽裝體色普遍存在于動(dòng)物界，其作用是減少被天敵檢測和識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)(Stevens &Merilaita，2011；肖繁榮等，2015)。混隱色(disruptive coloration)是一種重要偽裝策略，獵物體表高亮度的條紋或斑紋破壞身體輪廓而產(chǎn)生虛假邊緣，妨礙天敵檢測其真實(shí)邊緣，從而很難被發(fā)現(xiàn)(Thayer，1909；Cott，1940；Stevens &Merilaita，2011)。如斑點(diǎn)草蛙Limnodynastestasmaniensis體表具有黑白相間的斑塊，這些斑塊使其捕食者束帶蛇Thamnophissirtali不能區(qū)分自然背景的邊界和蛙身體的輪廓(Osorio &Srinivasan，1991)。除動(dòng)物自身斑紋的顏色和排列方式外，混隱色的混隱程度與微生境基質(zhì)密切相關(guān)。一般認(rèn)為，微生境中的基質(zhì)組成及顏色越復(fù)雜，混隱程度越高，偽裝就越有效(Stevens &Merilaita，2011；Priceetal.，2019)。

混隱色的研究可追溯到Poulton(1890)觀察具有高對(duì)比度斑紋的鱗翅目Lepidoptera幼蟲。隨后，Thayer(1909)認(rèn)為動(dòng)物可能利用這種斑紋破壞身體的外貌和輪廓，從而達(dá)到偽裝目的。Cott(1940)正式提出混隱色概念，并提出了一系列關(guān)于混隱色的外貌特征及其功能的假說。然而，此時(shí)期及以后很長一段時(shí)間，混隱色的研究僅僅停留在定性描述層面，缺乏定量研究。Osorio和Srinivasan(1991)在數(shù)碼攝影技術(shù)基礎(chǔ)上，首次使用計(jì)算機(jī)控制的幀捕捉器將照片數(shù)字化，并通過掃描照片中斑點(diǎn)草蛙的身體輪廓量化混隱色。然而，該研究并未量化邊緣檢測的難易程度。Lovell等(2013)使用Matlab中的Canny邊緣檢測子測量日本鵪鶉Coturnixjaponica邊緣可見率，結(jié)果表明，斑點(diǎn)較多的卵產(chǎn)在顏色較深的基質(zhì)中時(shí)，其可見率較低，邊緣檢測難度較大。Kang等(2014)使用ImageJ的多邊形和波段選擇工具選擇蛾(Hypomecisroboraia和Jankowskiafuscaria)的身體輪廓，通過計(jì)算輪廓邊緣與身體邊緣的比值來確定混隱比率，以此量化混隱色。然而，這2種方法均未考慮動(dòng)物感知邊緣的方向，因此無法區(qū)分獵物的虛假邊緣和連貫邊緣(相當(dāng)于真實(shí)邊緣)。虛假邊緣使獵物具有的最大混隱程度，而連貫邊緣使獵物更容易被檢測(Trosciankoetal.，2009)。為了區(qū)分虛假邊緣和連貫邊緣，進(jìn)而計(jì)算混隱比率，Troscianko等(2017)創(chuàng)立加博邊緣混隱比率法(Gabor edge disruption ratio method，GabRat法)來量化混隱色。該方法是基于生物(人類)視覺的新方法，比基于計(jì)算機(jī)視覺的Canny邊緣檢測法更適合用于研究動(dòng)物的混隱色。然而，目前該方法僅用于量化無脊椎動(dòng)物的混隱色(如海濱蟹Carcinusmaenas；Priceetal.，2019)，需進(jìn)一步在不同動(dòng)物類群中檢驗(yàn)其有效性。

黃額閉殼龜Cuoragalbinifrons為條紋體色，背甲頂部(脊盾)具寬而色深的縱帶，向兩側(cè)(肋盾)為黃色縱帶，再向下到邊緣(緣盾)顏色又變深(Shietal.，2013；圖1)，屬于典型的混隱色。黃額閉殼龜棲息于熱帶林下的陸地生境中，常出現(xiàn)在倒木和落葉基質(zhì)上，極少出現(xiàn)在石質(zhì)和裸地基質(zhì)上(Xiaoetal.，2017)。推測黃額閉殼龜在倒木和落葉基質(zhì)上的混隱比率應(yīng)比在石質(zhì)和裸地上的高。因此，本文以黃額閉殼龜為研究實(shí)例，詳細(xì)闡述如何利用GabRat法對(duì)動(dòng)物的混隱色進(jìn)行量化，并比較混隱比率在不同微生境基質(zhì)中的差異，以期為國內(nèi)的混隱色研究提供方法參考，推動(dòng)動(dòng)物偽裝研究的發(fā)展。

1 拍攝照片

采用攝影技術(shù)對(duì)動(dòng)物及其選擇的基質(zhì)進(jìn)行拍照。相機(jī)鏡頭設(shè)置為手動(dòng)模式，照片格式設(shè)置為非壓縮的RAW格式，保持相機(jī)的參數(shù)一致，拍照時(shí)利用三腳架保持相機(jī)鏡頭與樣方垂直(Xiaoetal.，2016)。拍照前用灰度卡對(duì)相機(jī)進(jìn)行白平衡校正，拍照時(shí)將多個(gè)灰度標(biāo)準(zhǔn)的比色卡(或灰度卡)放置在樣方內(nèi)進(jìn)行拍攝，后期再對(duì)照片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校正(Trosciankoetal.，2015)。本研究在海南吊羅山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)拍攝黃額閉殼龜在不同微生境基質(zhì)中的照片。根據(jù)Xiao等(2017)的微生境選擇研究結(jié)果，以黃額閉殼龜偏好的落葉基質(zhì)和較偏好的倒木微生境作為實(shí)驗(yàn)組，以黃閉殼龜極少出現(xiàn)的裸地和石質(zhì)基質(zhì)為對(duì)照組。設(shè)置基質(zhì)樣方大小約50 cm×50 cm，然后將黃額閉殼龜放入樣方中，使用佳能相機(jī)(EF-S24-70mm f/2.8，1 800萬像素)對(duì)龜和基質(zhì)進(jìn)行拍照。拍照時(shí)間段為晴天的10∶00—16∶00。

2 顏色校正

數(shù)碼相機(jī)已成為眾多學(xué)科測量顏色和圖案的強(qiáng)大工具。然而，在普通的未校準(zhǔn)的電子照片中，像素值并不會(huì)隨著傳感器測量的光量線性縮放，這就不能在同一水平比較不同時(shí)間拍攝的照片(Stevensetal.，2007；Trosciankoetal.，2015)。因此，在進(jìn)行圖像分析之前需要進(jìn)行線性標(biāo)準(zhǔn)化校正。在ImageJ中使用“Generate multispectral image”校準(zhǔn)圖像。首先，設(shè)置相機(jī)參數(shù)為“Visible”，灰度標(biāo)準(zhǔn)為18%，圖像輸出格式設(shè)置為“Linear color image”，然后，打開RAW格式圖像后，在圖像中選擇18%灰度卡，即可完成校準(zhǔn)。

3 測量加博邊緣混隱比率

GabRat是測量身體輪廓的虛假邊緣與其真實(shí)邊緣的比率，可表示身體輪廓被色斑破壞的程度。GabRat值在0～1之間，值越大，身體輪廓被破壞的越嚴(yán)重，混隱程度就越高，身體輪廓就越難被天敵檢測出來;值越小，身體輪廓就越容易被檢測出來。GabRat值超過0.4被認(rèn)為具有高混隱程度，而低于0.2則表示混隱程度低(Priceetal.，2019)。

GabRat值可使用ImageJ中新開發(fā)的GabRat測量工具進(jìn)行測量(Trosciankoetal.，2017)。主要測量步驟是先將RAW格式的圖像轉(zhuǎn)為TIFF格式的二值掩模圖像，然后使用“Freehand selections”工具選擇動(dòng)物身體輪廓，再通過“mica Toolbox”中的“GabRat Disruption Measurement”窗口，設(shè)置“sigma”(濾波器大小)后，即可得出GabRat值。本研究設(shè)置sigma=10以測量黃額閉殼龜背甲的混隱比率。

4 結(jié)果與分析

測量結(jié)果顯示，黃額閉殼龜(n=4)無論在何種基質(zhì)中，其體色具有明顯的混隱作用(GabRat值均大于0.38；表1)。單因素方差分析表明，黃額閉殼龜在這4種不同基質(zhì)中的混隱比率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=17.427，P<0.000 1)，在落葉基質(zhì)中的混隱比率最高，倒木基質(zhì)次之，裸地和石質(zhì)最低(表1)。此外，本研究發(fā)現(xiàn)黃額閉殼龜在落葉和倒木基質(zhì)上的GabRat值均超過了0.4(表1)，表明其在這2種基質(zhì)上屬于高混隱程度，能提高其偽裝效果，從而降低被天敵檢測身體輪廓的概率。這些結(jié)果從偽裝的角度解釋了黃額閉殼龜偏好落葉微生境，但極少出現(xiàn)在石質(zhì)和裸地的行為生態(tài)學(xué)原因。

表1 黃額閉殼龜在不同基質(zhì)類型中的加博邊緣混隱比率Table 1 GabRat values of Cuora galbinifrons in different substrates

5 結(jié)語

虛假邊緣在動(dòng)物的混隱色偽裝中具有非常重要的作用，它決定了動(dòng)物的混隱程度。因此，量化動(dòng)物輪廓周圍的虛假邊緣與連貫邊緣的比例(混隱比率)是研究混隱色的最佳方法。本研究使用GabRat法測量的結(jié)果表明，黃額閉殼龜?shù)谋臣左w色產(chǎn)生的虛假邊緣具有明顯的混隱作用。以往研究發(fā)現(xiàn)，混隱色動(dòng)物的混隱作用受微生境基質(zhì)影響(Stevens &Merilaita，2011)，而使用加博過濾器測量圖像中動(dòng)物身體輪廓時(shí)是在基質(zhì)背景中進(jìn)行，能很好地體現(xiàn)動(dòng)物與基質(zhì)背景之間的相互作用。本研究發(fā)現(xiàn)黃額閉殼龜在其偏好的微生境基質(zhì)中具有較高的混隱比率，符合預(yù)期假設(shè)，表明了GabRat法的生物學(xué)合理性，這不僅有助于理解混隱色的定義和機(jī)制，也有利于解釋混隱色的生態(tài)適應(yīng)性。因此，利用GabRat法量化脊椎動(dòng)物的混隱色是有效可行的，這對(duì)推動(dòng)動(dòng)物混隱色研究發(fā)展具有重要意義。此外，GabRat法簡便易行，通過攝影和ImageJ處理后就能快速獲取混隱比率，有利于在野外開展動(dòng)物的混隱色研究。然而，GabRat法是模擬人類的視覺系統(tǒng)，研究混隱色時(shí)需要弄清具體捕食者的視覺系統(tǒng)。加博濾波器與人類視覺皮層的二維(形狀)感受野剖面非常相似，具有良好的空間局部性和方向選擇性(許偉等，2015)，當(dāng)捕食者視覺為類似的二維模式時(shí)，使用GabRat法研究獵物的混隱色會(huì)更加客觀合理。同時(shí)，混隱色涉及斑紋的顏色，基于人類色覺的GabRat法適合研究三色視覺捕食者的混隱色獵物。