基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，涉及一種魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律檢測(cè)裝置和方法，具體涉及一 種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律的判定主要是通過(guò)日攝食率法、腸道充塞度法和活動(dòng)檢測(cè)法， 前兩種方法需要大量人力資源的投入，以及需要對(duì)魚(yú)體進(jìn)行解刨，忽略了實(shí)驗(yàn)魚(yú)本身的福 利；活動(dòng)檢測(cè)法目前主要使用的是咬食觸動(dòng)監(jiān)測(cè)法，該監(jiān)測(cè)法實(shí)現(xiàn)了魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律判定的 半自動(dòng)化，但需要事先對(duì)實(shí)驗(yàn)魚(yú)進(jìn)行馴化，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；且魚(yú)的攝食節(jié)律受群體中周邊個(gè)體的 影響，因此利用魚(yú)群進(jìn)行攝食節(jié)律實(shí)驗(yàn)比利用單條魚(yú)進(jìn)行攝食節(jié)律實(shí)驗(yàn)更具有說(shuō)服力。本 發(fā)明提出的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)裝置及方法能實(shí)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)攝食節(jié) 律判定的自動(dòng)化(尤其適合魚(yú)群)，且無(wú)需事先對(duì)實(shí)驗(yàn)魚(yú)進(jìn)行馴化處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種高效便捷的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng) 檢測(cè)裝置及方法，為水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域針對(duì)不同種魚(yú)類(lèi)的合理化投飼提供理論依據(jù)和技術(shù)支 持。
[0004] 本發(fā)明的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)裝置，包括循環(huán)水養(yǎng)殖 池、糞便分離器、生物濾池、水泵、紫外殺菌器、流量控制閥、兩只LED燈、投餌器、攝像頭、月艮 務(wù)器、PLC、DSP(數(shù)字信號(hào)處理器）及顯示器； 循環(huán)水養(yǎng)殖池底部的地漏通過(guò)管道依次連接糞便分離器、生物濾池、水泵、紫外殺菌器 和流量控制閥，流量控制閥的出水端連接水管的一端，水管的另一端封堵并沿循環(huán)水養(yǎng)殖 池側(cè)壁堅(jiān)直伸入池中水體內(nèi)，伸入水體內(nèi)的水管上堅(jiān)直的開(kāi)有若干出水孔，出水孔與循環(huán) 水養(yǎng)殖池側(cè)壁切線方向呈15-30°角，出水孔直徑不大于5mm，出水孔間的間距為1/4的水 體高度； 攝像頭固定于循環(huán)水養(yǎng)殖池正上方，攝像頭上方固定有投餌器，投餌器的出料口朝向 循環(huán)水養(yǎng)殖池的中心位置，攝像頭與服務(wù)器的輸入端連接，服務(wù)器的一個(gè)輸出端與DSP的 輸入端相連，服務(wù)器的另一個(gè)輸出端與DSP的輸出端均與顯示器連接； 投餌器包括盒體及置于盒體內(nèi)的儲(chǔ)料倉(cāng)、過(guò)渡倉(cāng)和電機(jī)，儲(chǔ)料倉(cāng)底部具有出口，出口處 設(shè)有用于控制其開(kāi)啟閉合的電磁閥，過(guò)渡倉(cāng)為上部開(kāi)口的罐體，位于儲(chǔ)料倉(cāng)出口正下方，投 餌器出料口設(shè)在盒體底部，位于過(guò)渡倉(cāng)正下方，過(guò)渡倉(cāng)底部設(shè)有重力傳感器，電機(jī)的輸出軸 與過(guò)渡倉(cāng)的側(cè)壁固定，重力傳感器的信號(hào)輸出端與PLC的輸入端連接，PLC的兩個(gè)輸出端 分別與電機(jī)和電磁閥連接； 兩只LED燈對(duì)稱(chēng)固定于循環(huán)水養(yǎng)殖池上方，LED燈發(fā)光面并朝向水面，PLC的另兩個(gè)輸 出端分別與兩只LED燈連接。
[0005] 應(yīng)用上述的裝置進(jìn)行魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)的方法，包括如下步驟： 1) 通過(guò)PLC控制投餌器定時(shí)投餌，設(shè)定單次投料量為養(yǎng)殖池內(nèi)魚(yú)體總重的1% ; 2) 攝像頭拍攝單次投料后魚(yú)類(lèi)攝食的畫(huà)面，并將其傳輸至服務(wù)器； 3) 服務(wù)器對(duì)接收的畫(huà)面進(jìn)行預(yù)處理，提取前30秒內(nèi)的畫(huà)面在色彩模型RGB中的R分量 畫(huà)面，對(duì)其進(jìn)行高斯濾波處理，將處理后的幀畫(huà)面?zhèn)鬏斨罝SP; 4) DSP對(duì)接收的幀畫(huà)面進(jìn)行魚(yú)體攝食活躍程度分析，具體如下： ① 采用無(wú)邊界主動(dòng)輪廓模型的圖像分割方法圈出每幀畫(huà)面中的光斑區(qū)域和倒影區(qū) 域，對(duì)每幀畫(huà)面中除光斑區(qū)域和倒影區(qū)域外的部分，利用灰度圖像直方圖統(tǒng)計(jì)法得出其出 現(xiàn)概率由高到低的個(gè)像素值，《< 5,取這個(gè)像素值的平均值，用平均值取代相應(yīng)幀畫(huà)面 中的光斑區(qū)域和倒影區(qū)域； ② 利用OSTU算法將經(jīng)①處理后的每幀畫(huà)面二值化，并利用無(wú)邊界主動(dòng)輪廓模型的圖 像分割方法分割出當(dāng)前二值圖像中的目標(biāo)區(qū)域，并分別計(jì)算各個(gè)目標(biāo)區(qū)域的面積，去除其 中面積小于預(yù)先設(shè)定的最小面積閾值的區(qū)域； ③ 對(duì)經(jīng)②處理后的前三幀畫(huà)面采用Lucas-kanade光流法計(jì)算，對(duì)第一幀和第二幀畫(huà) 面計(jì)算得到一幅光流圖，對(duì)第二幀和第三幀畫(huà)面計(jì)算得到另一幅光流圖，對(duì)兩幅光流圖中 相應(yīng)位置像素點(diǎn)的幅值取平均值得到該位置像素點(diǎn)的瞬時(shí)速度a，計(jì)算兩幅光流圖相應(yīng)位 置的像素點(diǎn)的矢量夾角得到該位置像素點(diǎn)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)角表設(shè)兩幅光流圖中相應(yīng)位置的像素 點(diǎn)的矢量分別為/?和<7，則<3=(|/7| + |<7|)/2;/^11'(^〇8(>*<?/|/7||<7|); 統(tǒng)計(jì)a>c且辦啲像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并計(jì)算其占總像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的比值，得到聯(lián)合分布 概率e，其中C、￡/分別為預(yù)先設(shè)定的速度閾值和轉(zhuǎn)角閾值； ④ 對(duì)經(jīng)②處理后的每幀畫(huà)面進(jìn)行魚(yú)群的攝食面積計(jì)算： I計(jì)算出當(dāng)前幀畫(huà)面中每個(gè)目標(biāo)區(qū)域的質(zhì)心； II在當(dāng)前幀畫(huà)面內(nèi)所有橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)為最大或最小的質(zhì)心中，任取三個(gè)依次連接 構(gòu)成三角形w1;判斷其余質(zhì)心是否在W:內(nèi)，若在則標(biāo)記該質(zhì)心，并判斷下一質(zhì)心，若不在則 將該質(zhì)心與三角形Wi頂點(diǎn)中距其最近的兩個(gè)質(zhì)心相連，構(gòu)成四角形W2;再判斷其余未標(biāo)記 質(zhì)心是否在1內(nèi)，若在則標(biāo)記該質(zhì)心，并判斷下一質(zhì)心，若不在則將該質(zhì)心與四角形^頂點(diǎn) 中距其最近的兩個(gè)質(zhì)心相連，構(gòu)成五角形W3;以此類(lèi)推至所有質(zhì)心均被判斷過(guò)； III經(jīng)II處理最終得到的由個(gè)質(zhì)心構(gòu)成的角形，其面積即為當(dāng)前幀畫(huà)面對(duì)應(yīng)的魚(yú) 群攝食面積私n> 3 ; @對(duì)各幀畫(huà)面對(duì)應(yīng)的魚(yú)群攝食面積進(jìn)行比較，設(shè)最小面積對(duì)應(yīng)的幀畫(huà)面為第4貞，則 魚(yú)群攝食變化幀數(shù)/ =firl; f計(jì)算投料后魚(yú)體攝食活躍程度X 5) DSP將每次投料后的魚(yú)體攝食活躍程度T進(jìn)行對(duì)比，得出養(yǎng)殖池內(nèi)魚(yú)體的攝食節(jié)律 數(shù)據(jù)，并傳輸給顯示器進(jìn)行顯示。
[0006] 本發(fā)明的裝置采用循環(huán)水養(yǎng)殖池、糞便分離器、生物濾池、水泵、紫外殺菌器、流量 控制閥及具有若干出水孔的水管構(gòu)成一套循環(huán)系統(tǒng)，可保證養(yǎng)殖池中水體質(zhì)量及生態(tài)環(huán) 境，通過(guò)在沒(méi)于水體內(nèi)的水管上設(shè)置出水孔，出水孔直徑< 5mm以及其與池體側(cè)壁切線夾 角15-30°，這樣有利于使循環(huán)水養(yǎng)殖池內(nèi)形成更大的二次流，從而將魚(yú)類(lèi)的糞便和殘餌等 雜物及時(shí)旋出，保證水體質(zhì)量及魚(yú)類(lèi)健康； 采用LED燈可通過(guò)PLC準(zhǔn)確控制其開(kāi)關(guān)時(shí)間來(lái)模仿每天的光照周期；并且可通過(guò)調(diào)整PLC電壓模擬量輸出大小來(lái)控制LED燈的亮度，使其逐漸變亮或熄滅以模仿清晨或黃昏的 光照狀態(tài)； 本發(fā)明裝置的投餌器采用重力傳感器檢測(cè)餌料重量，并將該信號(hào)傳輸給PLC，PLC控制 電磁閥的開(kāi)啟關(guān)閉及電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)投餌器的定量投料。
[0007] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，所 采用的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)主要由DSP執(zhí)行，可在保證魚(yú)類(lèi)福利的前提下自動(dòng)對(duì)其攝食節(jié)律進(jìn) 行判斷。采用本發(fā)明的裝置進(jìn)行魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律檢測(cè)，方法簡(jiǎn)單，快捷高效，可極大程度上避 免人為活動(dòng)對(duì)魚(yú)類(lèi)攝食的干擾，且循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)能保證養(yǎng)殖水體質(zhì)量及魚(yú)類(lèi)良好生長(zhǎng)， 可以為針對(duì)不同種魚(yú)類(lèi)的合理化投飼提供理論依據(jù)。
[0008]
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魚(yú)類(lèi)攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是水管上出水孔與池體側(cè)壁切向夾角俯視示意圖； 圖3是投餌器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中：1-循環(huán)水養(yǎng)殖池；2_糞便分離器；3-生物濾池；4-紫外殺菌器；5-出水孔； 6_服務(wù)器；7-DSP;8_投餌器；9-顯示器；10-水泵；11-攝像頭；12-地漏；13-流量控制閥； 14-LED燈；15-PLC;16_電磁閥；17-重力傳感器；18-電機(jī)；19-儲(chǔ)料倉(cāng)；20-過(guò)渡倉(cāng)；21-出 料口。
[0010]
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0012] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的攝食節(jié)律自動(dòng)檢測(cè)裝置，包括循環(huán)水養(yǎng) 殖池1、糞便分離器2、生物濾池3、水泵10、紫外殺菌器4、流量控制閥13、兩只LED燈14、投 餌器8、攝像頭11、服務(wù)器6、PLC15、DSP7及顯示器9; 循環(huán)水養(yǎng)殖池1底部具有地漏12,地漏12通過(guò)管道依次連接糞便分離器2、生物濾池 3、水泵10、紫外殺菌器4和流量控制閥13,流量控制閥13的出水端連接水管的一端，水管 的另一端封堵并沿循環(huán)水養(yǎng)殖池1側(cè)壁堅(jiān)直伸入池中水體內(nèi)，伸入水體內(nèi)的水管上堅(jiān)直地 開(kāi)有若干出水孔5,出水孔與側(cè)壁切線方向呈15-30°角，如圖2所示，出水孔5直徑不大于 5mm，出水孔5間的間距為1/4的水體高度；采用這樣的出水孔有利于使養(yǎng)殖池內(nèi)形成更大 的二次流，從而將魚(yú)類(lèi)的糞便和殘餌等雜物及時(shí)旋出，保證水體質(zhì)量及魚(yú)類(lèi)健康； 攝像頭11固定于循環(huán)水養(yǎng)殖池1正上方，攝像頭11上方固定有投餌器8,投餌器8的 出料口 21朝向循環(huán)水養(yǎng)殖池1的中心，攝像頭11與服務(wù)器6的輸入端連接，服務(wù)器6的輸 出端與DSP7的輸入端相連，服務(wù)器6的另一個(gè)輸出端與DSP7的輸出端均與顯示器9連 接； 參照?qǐng)D3,投餌器8包括盒體及置于盒體內(nèi)的儲(chǔ)料倉(cāng)19、過(guò)渡倉(cāng)20和電機(jī)18,儲(chǔ)料倉(cāng) 19底部具有出口，出口處設(shè)有用于控制其開(kāi)啟閉合的電磁閥16,過(guò)渡倉(cāng)20為上部開(kāi)口的罐 體，位于儲(chǔ)料倉(cāng)19出口正下方，出料口21設(shè)在盒體底部，位于過(guò)渡倉(cāng)20正下方，過(guò)渡倉(cāng)20 底部設(shè)有重力傳感器17,電機(jī)18的輸出軸與過(guò)渡倉(cāng)20的側(cè)壁固定，重力傳感器17的信號(hào) 輸出端與PLC 15的輸入端連接，PLC 15的兩個(gè)輸出端分別與電機(jī)18和電磁閥16連接；PLC 15通過(guò)重力傳感器17傳回的模擬信號(hào)來(lái)控制電磁閥16的開(kāi)關(guān)以及電機(jī)18的轉(zhuǎn)動(dòng)：PLC控 制電磁閥16開(kāi)啟后，儲(chǔ)料倉(cāng)19向過(guò)渡倉(cāng)20中投放餌料，重力傳感器17持續(xù)地向PLC 15 傳遞與此時(shí)過(guò)渡倉(cāng)20內(nèi)的餌料重