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.pdf

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。

权利要求书
1.   一种基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置，其特征在于包括循环水养殖池（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。

2.   应用如权利要求1所述的装置自动检测鱼类摄食节律的方法，其特征在于包括如下步骤：
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n个像素值，n＜5，取这n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Wn，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。

说明书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
技术领域
本发明属于水产养殖领域，涉及一种鱼类摄食节律检测装置和方法，具体涉及一种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。
背景技术
目前鱼类摄食节律的判定主要是通过日摄食率法、肠道充塞度法和活动检测法，前两种方法需要大量人力资源的投入，以及需要对鱼体进行解刨，忽略了实验鱼本身的福利；活动检测法目前主要使用的是咬食触动监测法，该监测法实现了鱼类摄食节律判定的半自动化，但需要事先对实验鱼进行驯化，费时费力；且鱼的摄食节律受群体中周边个体的影响，因此利用鱼群进行摄食节律实验比利用单条鱼进行摄食节律实验更具有说服力。本发明提出的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能实现鱼类摄食节律判定的自动化（尤其适合鱼群），且无需事先对实验鱼进行驯化处理。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效便捷的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，为水产养殖领域针对不同种鱼类的合理化投饲提供理论依据和技术支持。
本发明的基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置，包括循环水养殖池、粪便分离器、生物滤池、水泵、紫外杀菌器、流量控制阀、两只LED灯、投饵器、摄像头、服务器、PLC 、DSP（数字信号处理器）及显示器；
循环水养殖池底部的地漏通过管道依次连接粪便分离器、生物滤池、水泵、紫外杀菌器和流量控制阀，流量控制阀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，出水孔与循环水养殖池侧壁切线方向呈15-30°角，出水孔直径不大于5mm，出水孔间的间距为1/4的水体高度；
摄像头固定于循环水养殖池正上方，摄像头上方固定有投饵器，投饵器的出料口朝向循环水养殖池的中心位置，摄像头与服务器的输入端连接，服务器的一个输出端与DSP 的输入端相连，服务器的另一个输出端与DSP 的输出端均与显示器连接；
投饵器包括盒体及置于盒体内的储料仓、过渡仓和电机，储料仓底部具有出口，出口处设有用于控制其开启闭合的电磁阀，过渡仓为上部开口的罐体，位于储料仓出口正下方，投饵器出料口设在盒体底部，位于过渡仓正下方，过渡仓底部设有重力传感器，电机的输出轴与过渡仓的侧壁固定，重力传感器的信号输出端与PLC 的输入端连接，PLC 的两个输出端分别与电机和电磁阀连接；
两只LED灯对称固定于循环水养殖池上方，LED灯发光面并朝向水面，PLC 的另两个输出端分别与两只LED灯连接。
应用上述的装置进行鱼类摄食节律自动检测的方法，包括如下步骤：
1）通过PLC 控制投饵器定时投饵，设定单次投料量为养殖池内鱼体总重的1%；
2）摄像头拍摄单次投料后鱼类摄食的画面，并将其传输至服务器；
3）服务器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 ；
4）DSP 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n个像素值，n＜5，取这n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Wn，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 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，并传输给显示器进行显示。
本发明的装置采用循环水养殖池、粪便分离器、生物滤池、水泵、紫外杀菌器、流量控制阀及具有若干出水孔的水管构成一套循环系统，可保证养殖池中水体质量及生态环境，通过在没于水体内的水管上设置出水孔，出水孔直径＜5mm以及其与池体侧壁切线夹角15-30°，这样有利于使循环水养殖池内形成更大的二次流，从而将鱼类的粪便和残饵等杂物及时旋出，保证水体质量及鱼类健康；
采用LED灯可通过PLC准确控制其开关时间来模仿每天的光照周期；并且可通过调整PLC电压模拟量输出大小来控制LED灯的亮度，使其逐渐变亮或熄灭以模仿清晨或黄昏的光照状态；
本发明装置的投饵器采用重力传感器检测饵料重量，并将该信号传输给PLC，PLC控制电磁阀的开启关闭及电机的转动，从而实现投饵器的定量投料。
本发明的有益效果是：
本发明的基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置，结构简单，操作方便，所采用的计算机视觉技术主要由DSP执行，可在保证鱼类福利的前提下自动对其摄食节律进行判断。采用本发明的装置进行鱼类摄食节律检测，方法简单，快捷高效，可极大程度上避免人为活动对鱼类摄食的干扰，且循环水养殖系统能保证养殖水体质量及鱼类良好生长，可以为针对不同种鱼类的合理化投饲提供理论依据。

附图说明
图1是基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置的结构示意图；
图2是水管上出水孔与池体侧壁切向夹角俯视示意图；
图3是投饵器的内部结构示意图；
图中：1-循环水养殖池；2-粪便分离器；3-生物滤池；4-紫外杀菌器；5-出水孔；6-服务器；7-DSP；8-投饵器；9-显示器；10-水泵；11-摄像头；12-地漏；13-流量控制阀；14-LED灯；15-PLC；16-电磁阀；17-重力传感器；18-电机；19-储料仓；20-过渡仓；21-出料口。

具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的基于计算机视觉技术的摄食节律自动检测装置，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底部具有地漏12，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地开有若干出水孔5，出水孔与侧壁切线方向呈15-30°角，如图2所示，出水孔5直径不大于5mm，出水孔5间的间距为1/4的水体高度；采用这样的出水孔有利于使养殖池内形成更大的二次流，从而将鱼类的粪便和残饵等杂物及时旋出，保证水体质量及鱼类健康；
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，摄像头11与服务器6的输入端连接，服务器6的输出端与DSP 7的输入端相连，服务器6的另一个输出端与DSP 7的输出端均与显示器9连接；
参照图3，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，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的输出轴与过渡仓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；PLC 15通过重力传感器17传回的模拟信号来控制电磁阀16的开关以及电机18的转动：PLC控制电磁阀16开启后，储料仓19向过渡仓20中投放饵料，重力传感器17持续地向PLC 15传递与此时过渡仓20内的饵料重量相对应的模拟信号，当过渡仓20内的饵料重量达到预设值后，PLC 15控制电磁阀16关闭停止投料，并触发电机18转动180°，将过渡仓20中的饵料倒入投饵器8底部的出料口21进行投饵，PLC控制电机停顿5-20秒，再转动180°回到起始位置，完成一次投饵动作。
两只LED灯14对称固定于循环水养殖池1上方，LED灯发光面并朝向水面，PLC 15的另两个输出端分别与两只LED灯14连接。通过PLC可以准确控制LED的开和关来模仿每天的光照周期；并且可通过调整PLC电压模拟量输出大小来控制LED灯的亮度，使其逐渐变亮或熄灭以模仿清晨或黄昏的光照状态；
应用上述的装置自动检测鱼类摄食节律的方法，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 在无LED光照的条件下，摄像头的红外灯会在水面形成光斑，在采用LED光照的条件下，LED灯会在水面形成倒影，因此采用无边界主动轮廓模型的图像分割方法（ACWE）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n个像素值，n＜5，取这n个像素值的平均值，用平均值取代相应帧画面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ACWE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Wn，其面积即为当前帧画面对应的鱼群摄食面积M，n≥3，此面积M可以采用如下公式进行计算：

x i 、yi分别为第i个质心对应的横坐标与纵坐标；
 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。
采用本发明的基于计算机视觉技术的鱼类摄食节律自动检测装置和方法对新吉富罗非鱼的摄食节律进行检测，为避免鱼群中不同大小的鱼由于争食而影响其摄食节律的检测，本实例中循环水养殖池中的新吉富罗非鱼个体间重量相差在5%以内，实验罗非鱼数量为128条，平均质量为14.91g；采用LED灯模仿光照周期及清晨黄昏状况，06:00－18:00 LED灯亮，模仿白天；18:00－06:00 LED灯不亮，模仿夜间；06:00－06:30 LED灯亮度由弱到强，模仿清晨；05:30－06:00 LED灯亮度由强到弱，模仿黄昏；从00:00开始每间隔4小时进行一次饱食性投喂，即单次投饵量为池内鱼体总重的1%；循环水养殖池内的氨氮含量基本维持在0.6mg/L之下；流量维持在550－600L/h；溶氧量在5.5mg/L以上；试验周期为1个月，最终得出该鱼龄段的新吉富罗非鱼呈现出明显的夜间摄食节律；本例设置的平行组实验，在相同条件下采用收集残饵的方法，最终亦得出该鱼龄段的罗非鱼呈现出明显的夜间摄食节律。
以上公开的仅为本专利的具体实施例，但本专利并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。