基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置，包括循环水养殖系统、DSP、服务器、PLC、显示器、LED灯、投饵器和摄像头；采用该装置进行鱼类摄食节律检测的方法是采用PLC控制投饵器定时定量投饵，摄像头将每次饵料投喂后的视频画面传输至服务器，服务器对视频画面进行预处理，继而DSP对鱼类摄食活跃程度进行分析；在实验周期内，对每次投喂后鱼类摄食活跃程度进行分析即可获得鱼类的摄食节律数据。采用本发明的装置进行鱼类摄食节律检测的工序简单，快捷高效，可极大程度上避免人为活动对鱼类摄食的干扰，再且循环水养殖系统能保证养殖水体质量及鱼类良好生长，为鱼类长期的摄食节律的检测提供较佳的福利条件。

主权项

应用基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置自动检测鱼类摄食节律的方法，所述的装置包括循环水养殖池（1）、粪便分离器（2）、生物滤池（3）、水泵（10）、紫外杀菌器（4）、流量控制阀（13）、两只LED灯（14）、投饵器（8）、摄像头（11）、服务器（6）、PLC （15）、DSP （7）及显示器（9）；循环水养殖池（1）底部的地漏（12）通过管道依次连接粪便分离器（2）、生物滤池（3）、水泵（10）、紫外杀菌器（4）和流量控制阀（13），流量控制阀（13）的出水端连接水管的一端，水管的另一端封堵并沿循环水养殖池（1）侧壁竖直伸入池中水体内，伸入水体内的水管上竖直的开有若干出水孔（5），出水孔与循环水养殖池侧壁切线方向呈15‑30°角，出水孔（5）直径≤5mm，出水孔（5）间的间距为1/4的水体高度；摄像头（11）固定于循环水养殖池（1）正上方，摄像头（11）上方固定有投饵器（8），投饵器（8）的出料口（21）朝向循环水养殖池（1）的中心位置，摄像头（11）与服务器（6）的输入端连接，服务器（6）的一个输出端与DSP （7）的输入端相连，服务器（6）的另一个输出端和DSP （7）的输出端均与显示器（9）连接；投饵器（8）包括盒体及置于盒体内的储料仓（19）、过渡仓（20）和电机（18），储料仓（19）底部具有出口，出口处设有用于控制其开启闭合的电磁阀（16），过渡仓（20）为上部开口的罐体，位于储料仓（19）出口正下方，投饵器出料口（21）设在盒体底部，位于过渡仓（20）正下方，过渡仓（20）底部设有重力传感器（17），电机（18）的转轴与过渡仓（20）的侧壁固定，重力传感器（17）的信号输出端与PLC （15）的输入端连接，PLC （15）的两个输出端分别与电机（18）和电磁阀（16）连接；两只LED灯（14）对称固定于循环水养殖池（1）上方，LED灯（14）的发光面朝向水面，PLC （15）的另两个输出端分别与两只LED灯（14）连接；其特征在于，方法包括如下步骤：1）通过PLC （15）控制投饵器（8）定时投饵，设定单次投料量为养殖池（1）内鱼体总重的1%；2）摄像头（11）拍摄单次投料后鱼类摄食的画面，并将其传输至服务器（6）；3）服务器（6）对接收的画面进行预处理，提取前30秒内的画面在色彩模型RGB中的R分量画面，对其进行高斯滤波处理，将处理后的帧画面传输至DSP （7）；4）DSP （7）对接收的帧画面进行鱼体摄食活跃程度分析，具体如下：① 采用无边界主动轮廓模型的图像分割方法圈出每帧画面中的光斑区域和倒影区域，对每帧画面中除光斑区域和倒影区域外的部分，利用灰度图像直方图统计法得出其出现概率由高到低的k个像素值，k＜5，取这k个像素值的平均值，用平均值取代相应帧画面中的光斑区域和倒影区域；② 利用OSTU算法将经①处理后的每帧画面二值化，并利用无边界主动轮廓模型的图像分割方法分割出当前二值图像中的目标区域，并分别计算各个目标区域的面积，去除其中面积小于预先设定的最小面积阈值的区域；③ 对经②处理后的前三帧画面采用Lucas‑kanade光流法计算，对第一帧和第二帧画面计算得到一幅光流图，对第二帧和第三帧画面计算得到另一幅光流图，对两幅光流图中相应位置像素点的幅值取平均值得到该位置像素点的瞬时速度a，计算两幅光流图相应位置的像素点的矢量夹角得到该位置像素点的瞬时转角b，设两幅光流图中相应位置的像素点的矢量分别为p和q，则a=(|p|+|q|)/2；b=arccos(p_*q/|p||q|)；统计a＞c且b＞d的像素点的个数，并计算其占总像素点个数的比值，得到联合分布概率e，其中c、d分别为预先设定的速度阈值和转角阈值；④ 对经②处理后的每帧画面进行鱼群的摄食面积计算：Ⅰ计算出当前帧画面中每个目标区域的质心；Ⅱ在当前帧画面内所有横坐标或纵坐标为最大或最小的质心中，任取三个依次连接构成三角形W₁；判断其余质心是否在W₁内，若在则标记该质心，并判断下一质心，若不在则将该质心与三角形W₁顶点中距其最近的两个质心相连，构成四角形W₂；再判断其余未标记质心是否在W₂内，若在则标记该质心，并判断下一质心，若不在则将该质心与四角形W₂顶点中距其最近的两个质心相连，构成五角形W₃；以此类推至所有质心均被判断过；Ⅲ经Ⅱ处理最终得到的由n个质心构成的n角形W_n‑2，其面积即为当前帧画面对应的鱼群摄食面积M，n≥3；对各帧画面对应的鱼群摄食面积进行比较，设最小面积对应的帧画面为第m帧，则鱼群摄食变化帧数f = m‑1；计算投料后鱼体摄食活跃程度X，X=e/f；5）DSP（7）将每次投料后的鱼体摄食活跃程度X进行对比，得出养殖池内鱼体的摄食节律数据，并传输给显示器（9）进行显示。