CN101543400A - 动物行为学检测与自动分析系统和动物行为学分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动物行为学检测与自动分析系统，包括信号源获取装置和处理分析装置，所述信号源获取装置用于捕获动物的行为产生相应的加速度采样信号并将所述加速度采样信号发送给所述处理分析装置，所述处理分析装置对所述加速度采样信号进行处理分析获得动物行为信息。利用该系统不仅能够满足动物行为学领域对于信息采集自动化、高效率要求，而且能够克服传统的利用摄像头采集动物运动信息受限于视频分辨率、观察角度产生的盲区及照明环境等诸多不利影响。成本也低廉。

Description

动物行为学检测与自动分析系统和动物行为学分析方法

【技术领域】

本发明涉及一种动物行为学实验系统，尤其是涉及一种动物行为学检测与自动分析系统。

【背景技术】

动物行为学研究动物对环境和其他生物的互动，是以其沟通行为、情绪表达、社交行为、学习行为、繁殖行为等为研究对象的学科。相对于微观研究，动物行为学能反映出多因素混合作用下的动物的整体状态。因此行为学评估所用的记录分析系统的开发越来越受到人们的关注。

传统的动物行为学采用人工观察记录，耗时、耗力，且实验误差大。为了解决该问题，开发出了采用摄像头记录动物行为，再通过计算机分析数据的新一代动物行为学记录分析系统。该系统可以针对不同的实验目的设计实验方案，用摄像头采集视频信息，记录并自动分析实验数据，满足了现代生命科学研究的自动化、高效率要求。

采用摄像头记录动物行为时精度受视频分辨率、观察角度产生的盲区、照明环境、上位机分析模块算法对微小运动行为的检测能力等因素的影响，同时购买摄像头较高的增加了动物行为学设备的成本。

【发明内容】

有鉴于此，有必要针对现有技术采用摄像头记录动物行为时受例如视频分辨率、观察角度产生的盲区等诸多因素的影响的不足，提供一种动物行为学检测与自动分析系统。

此外，还提供一种动物行为学分析方法。

一种动物行为学检测与自动分析系统，包括信号源获取装置和处理分析装置，所述信号源获取装置用于捕获动物的行为产生相应的加速度采样信号并将所述加速度采样信号发送给所述处理分析装置，所述处理分析装置对所述加速度采样信号进行处理分析获得动物行为信息。

在优选的实施例中，所述信号源包括采集模块和发送模块，所述采集模块采集动物加速度采样值获得加速度采样信号后传输给发送模块，加速度采样信号由发送模块发送给处理分析装置。

在优选的实施例中，所述处理分析装置包括接收模块、处理模块和分析模块，所述接收模块接收由发送模块发送的加速度采样信号，并传输给处理模块，处理模块根据加速度采样信号计算运动参数后将运动参数传递给分析模块分析获得动物行为信息。

在优选的实施例中，所述处理模块包括滤波模块、重采样模块、加速度阈值检测模块和运动参数计算模块，所述滤波模块从接收模块获得采样信号后滤除对后续计算无用的信号，经滤波处理后，所述重采样模块对加速度采样信号进行重采样并计算加速度平均值，所述加速度平均值与设定阈值比较后决定是否由运动参数计算模块来计算运动参数。

一种动物行为学分析方法，包括以下步骤：

按照设定的频率采集动物运动的加速度采样值，获得加速度采样信号；

将加速度采样信号通过发送模块发给接收模块；

接收模块接收发送模块发送的加速度采样信号；

处理加速度采样信号得到运动参数；

对运动参数进行计算和统计，基于计算和统计结果做出动物行为分析。

其中，所述的处理步骤包括：

输入由接收模块传递的一段时间内的加速度采样值；

滤波处理，滤除由于动物呼吸导致胸腔位置变化产生的可能低频干扰和50Hz工频干扰；

计算加速度平均值；

将计算所得的单位时间内加速度平均值与设定阈值比较，如果计算所得的加速度平均值高于设定阈值，则视为动物开始活动，进行运动参数计算并记录；在动物开始活动后，如果连续较长时间内计算所得的加速度平均值低于设定阈值，则视为动物本次活动结束。

其中，所述运动参数由加速度采样值计算所得，所述运动参数包括直立动作、上跳动作、活动次数及位移，其中，

所述直立动作是指动物身体在所处空间内相对于与其正常爬行姿势发生近似90度改变；

所述上跳动作是指动物在直立姿态下克服重力向与地心相反的方向产生加速度；

所述活动次数是指动物单位时间内发生自主运动的次数；

所述位移是指动物在一段动物近似直线运动的时间内爬行的距离。

其中，所述分析步骤进行的计算和统计包括：

统计动物直立和上跳次数；

统计动物自主运动活动频率；

计算动物在一段时间内运动的路径总长度。

其中，以动物直立和上跳次数评定动物的自发探究性活动，以动物单位时间内活动状态和静止状态切换的频率和一段时间内运动路径的总长度评定动物的自发性习惯性活动。

利用加速度检测模块检测动物的运动信息不仅能够满足动物行为学领域对于信息采集自动化、高效率要求，而且能够克服传统的利用摄像头采集动物运动信息时受限于视频分辨率、观察角度产生的盲区及照明环境等诸多不利影响。成本也低廉。

【附图说明】

图1为动物行为学检测与自动分析系统的模块图；

图2为处理模块的处理流程图；

下面结合附图进行进一步的说明。

【具体实施方式】

如图1所示，为动物行为学检测与自动分析系统的模块图。动物行为学检测与自动分析系统100包括信号源获取装置110和处理分析装置120。信号源获取装置110用于捕获动物的行为产生相应的加速度采样信号并将加速度采样信号发送给处理分析装置120，处理分析装置120对加速度采样信号进行处理分析获得动物行为信息。

其中信号源获取装置110包括采集模块112和发送模块114，处理分析装置120包括接收模块122、处理模块124及分析模块126。采集模块112采集动物加速度采样值获得加速度采样信号后传输给发送模块114，加速度采样信号由发送模块114发送给接收模块122后传输给处理模块124，处理模块124将加速度采样信号处理成运动参数后传递给分析模块126，分析模块126模块对运动参数进行统计和计算，并基于上述统计和计算分析得到动物行为信息。

下面以动物移动轨迹侦测为一个应用实例具体描述各模块的工作情况。

动物移动轨迹侦测，即在开放空间里让动物自由移动测量动物的移动轨迹及动物于各区域的移动情况。它用以测试动物的活动水平及频率，一般与实验药物同时进行，观察用药后的影响。

采集模块112是一个加速度传感器，用于在设定频率下获得加速度采样信号。在本实施例中，加速度传感器实时检测空间欧式坐标(X，YZ)三个方向上的加速度值，记录1s内以50ms为间隔的20个采样点值：ax(n)，ay(n)，az(n)n＝1...20。ax(n)，ay(n)，az(n)分别代表X，Y，Z方向上的第n个采样点的加速度值，并转换为数字信号的形式。加速度传感器以合适的方式固定在动物身上，初始的X，Y，Z方向上的加速度值分别设定为0，0，-1g。

发送模块114采用无线射频发送电路，在本实施例中，发送电路通过以主控芯片为cc2430的控制电路配合一个2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级8051控制器将采样值无线发射给接收模块122。在实验室环境下，信号无线收发的距离不会超过10米。选用使用2.4GHz ISM波段的Zigbee无线传输协议即可完成加速度采样信号的无线通信要求。

接收模块122同步接收由发送模块114发送的加速度采样信号，并传输给处理模块124。

处理模块124的处理流程如图2所示，包括以下步骤：

S202：输入1s内加速度采样信号。

S204：将加速度采样信号通过滤波器，优选地通过2-50Hz的数字带通滤波器，滤除由于动物呼吸导致胸腔位置变化产生的可能低频干扰和50Hz工频干扰。

S206：将1s分为以100ms为周期的10个时间间隔，并将通过步骤S204滤波的数据以20Hz的频率进行采样，并计算采样时间内的平均加速度。

S208：阈值检测，设定理论上动物克服阻力产生运动所需要的最大加速度，并将步骤S206中的计算结果与设定阈值比较，如果计算结果高于阈值，则转入步骤S210；如果计算结果低于阈值，则转入步骤S212。

S210：运动参数计算，计算与实验相关的各参数。本实施例中，需要计算的参数包括直立动作、上跳动作、活动次数及位移。

S212：判断是否连续2s内平均加速度值低于阈值，如果是，则转入步骤S214；如果否，则转入步骤S202。

S214：本次运动结束。

在步骤S210中，有关本实施例的各参数的计算方法如下：

①直立动作：啮齿类动物处于直立姿态时，相当于与其正常爬行姿势发生近似90度改变。水平固定于动物体上的加速度传感器在动物处于爬行姿势时其Z轴指向地心反方向，保持-1g的常重力加速度；当动物变为直立姿势时，变为X轴指向地心反方向，因此常重力加速度移至于X轴上。重力加速度值在两路信号上的改变可以被认为是动物姿势的变化。需要注意的是，动物在从直立回到爬行姿态才能被认为是一次完整的直立活动，可以通过记录重力加速度在两路信号中切换的时间差来测量动物进行直立活动的时间。

如果ax(n1)＝-1g且az(n1)＝0，即在n1时刻，x轴方向的加速度为-1g，z轴方向的加速度为0时，被测动物视在直立状态；

如果az(n2)＝-1g且ax(n2)＝0，即在n2时刻，z轴方向的加速度为-1g，x轴方向的加速度为0时，被测动物视为在爬行状态；

T＝n2-n1为被测动物直立动作的时间。

②上跳动作：上跳动作是动物克服自身重力离地的活动，当动物处于直立姿势时，X轴上有-1g的常重力加速度。动物如果想克服重力作用上跳，就必须产生大于1g的初始运动加速度，因此

如果ax(n-1)＝-1g且ax(n)≥0，即在n-1时刻，x轴方向上的加速度为-1g，表明动物处于直立状态，而在一个单位时间后的下一时刻n，x轴方向上的加速度大于或等于0，则视为被测动物发生一次上跳动作。

③活动次数：活动次数是指动物单位时间内发生自主运动的次数，动物在开放空间中的活动主要包括动物的自主爬行运动，动物在1s的爬行运动可近似认为是直线运动，只选取始终保持与动物运动方向相同的X轴中的加速度运动信号进行分析。当动物从静止变为运动时，首先需要克服的是地面静摩擦力，即ax≥(g.μs)/m，m表示动物质量，μs为静摩擦系数，依据实验地面条件而定，一般可取经验值0.005。当ax超过设定阈值，即代表动物可能发生爬行运动；ax值在超过阈值之后可能重新归零，代表动物可能停止运动或者保持匀速运动状态，考虑到实际实验环境中动物不可能一直保持匀速状态，因此只当ax值恢复为零并持续2s才认为动物已经停止运动。动物的一次活动时间因至少维持2s才能被记为一次有效的爬行活动，否则认为只是偶然发生的姿势变化。

ax(n1)≥(g.μs)/m且ax(n2)＝0，T＝n2-n1，T≥2s，即在x轴方向，在n1时刻，加速度超过阈值，而在连续测量中n2时刻加速度未超过阈值，且这两个时刻相隔时间超过2s，则视为被测动物发生一次爬行活动。

④位移：动物在开放空间中的自主爬行运动是平面内随机的曲线运动，动物运动的方向随时间改变，加速度传感器的敏感轴随动物运动方向的改变转动一定角度，因此实际加速度运动平面坐标系随着敏感轴的转动而变化。但在1s内的运动轨迹可近似认为是在同一坐标系内的变速直线运动，通过以1s为周期不断修正坐标系，完成对动物曲线运动的近似拟合。

具体方法为：

step1：将前1s末速度分解至当前1s内的坐标系中作为初速度坐标分量，由当前1s内的加速度值可计算当前1s的末速度和位移距离；

step2：在每1s末的两个采样间隔内，通过加速度值的改变量估计动物转动的角度，将当前1s末速度矢量在当前坐标系中与横坐标轴的夹角与转角估计值叠加，得到当前1s末速度矢量在下1s坐标系中与横坐标轴的夹角，完成对平面坐标系的修正，进而重复步骤1。

step3：将一段连续时间序列内各1s时间间隔内的位移量加和，得到动物总位移的估计，连续时间序列长度可由研究人员自行设定。

下面是算法的具体描述：

step1：

$\mathrm{Vx}\left(T\right)=\mathrm{Vx}0+\underset{n=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ax}\left(n\right)\mathrm{\Δt};\mathrm{Vy}\left(T\right)=\mathrm{Vy}0+\underset{n=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ay}\left(n\right)\mathrm{\Δt}$

$V\left(T\right)=\sqrt{{\left(\mathrm{Vx}\left(T\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{Vy}\left(T\right)\right)}^2};\mathrm{\θ}\left(T\right)=\arctan \left(\frac{\mathrm{Vx}\left(T\right)}{\mathrm{Vy}\left(T\right)}\right)$

$\mathrm{Sx}\left(T\right)=\mathrm{Vx}0\mathrm{\ΔT}+\underset{n=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{Vx}0+\underset{s=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ax}\left(n\right)\mathrm{\Δt})\mathrm{\Δt};$

$\mathrm{Sy}\left(T\right)=\mathrm{Vy}0\mathrm{\ΔT}+\underset{n=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{Vy}0+\underset{s=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{ay}\left(n\right)\mathrm{\Δt})\mathrm{\Δt};$

$S\left(T\right)=\sqrt{{\left(\mathrm{Sx}\left(T\right)\right)}^2+{\left(\mathrm{Sy}\left(T\right)\right)}^2};$

n为1s内加速度采样样本点个数，k＝20；Δt为采样间隔，Δt＝100ms；T为运算步长计数器，每加1表示进行下1s的计算，T＝0～length(Time)，length(Time)表示连续时间序列的总长度(按秒计算)；V表示速度标量，S表示位移标量，Vx，Vy表示速度坐标分量，Sx，Sy表示位移坐标分量，θ表示速度与横坐标轴夹角，T＝0时，以上7个量均为0；Vx0，Vy0表示当前1s的初速度坐标分量。

step2：

Vx′(T)＝V(T)cos(θ(T)′)；Vy′(T)＝V(T)sin(θ(T)′)；

Tk表示当前1s内最后一个加速度采样样本，则Tk+1表示下1s第一个加速度采样样本，

表示转角，θ′表示当前1s末速度与下1s坐标系中横坐标轴夹角。Vx′(T)，Vy′(T)表示当前1s末速度在下1s坐标系两坐标轴上的分量。

step3：

Vx0＝Vx′(T)；Vy0＝Vy′(T)；

T＝T+1；

$S_{\mathrm{total}}=\underset{T=0}{\overset{\mathrm{length}\left(\mathrm{Time}\right)}{\mathrm{\Σ}}}S\left(T\right);$

step3中，Vx′(T)，Vy′(T)被赋为下1s的初速度坐标分量，步长计数器加1，返回step1进入下1s的运算，最后将一段连续时间序列内各1s时间间隔内的位移量加和，得到动物总位移的估计。

在各运动参数计算完成后，分析模块126根据各运动参数的计算和统计来分析动物行为。

动物的活动可以分为自发探究性活动和自发习惯性活动，自发探究性活动源自动物对周围事物的新鲜感，测定这种活动时，所记录的直立与上跳次数较多，故用这两种运动发生的次数评定动物的探究活动；自发习惯性活动可以通过测定动物单位时间内的运动路径长度与活动频率，即单位时间内动物在静止与运动之间切换的频段测定。分析模块126根据所得的运动参数分析动物的行为，例如，如果对动物在陌生或新鲜的环境中统计到动物直立与上跳次数较在熟悉的环境中多，则可以认定动物具有自发性探究活动。如果动物活动状态和静止状态间切换过于频繁，动物可能处于比较紧张或兴奋的状态，若动物活动状态和静止状态间切换很少或基本没有，且行进的路径长度也很小，动物可能比较疲倦。由此可以对动物行为学的研究提供信息。

本系统除了用于上述实施例的动物移动轨迹侦测，还可以用于很多其他有关于动物行为学的实验，比如物体辨认分析实验、水迷宫实验、强迫游泳实验、悬尾实验、饲养笼内行为侦测、神经退化实验侦测、用药反应侦测、从属关系实验、社交行为实验、惧怕行为实验及癫痫实验等。主要的不同在于如何设计实验过程及如何利用加速度传感器产生的采样值达到分析动物行为的目的。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种动物行为学检测与自动分析系统，其特征在于，包括信号源获取装置和处理分析装置，所述信号源获取装置用于捕获动物的行为产生相应的加速度采样信号并将所述加速度采样信号发送给所述处理分析装置，所述处理分析装置对所述加速度采样信号进行处理分析获得动物行为信息。

2.如权利要求1所述的动物行为学检测与自动分析系统，其特征在于，所述信号源获取装置包括采集模块和发送模块，所述采集模块采集动物加速度采样值获得加速度采样信号后传输给发送模块，加速度采样信号由发送模块发送给处理分析装置。

3.如权利要求2所述的动物行为学检测与自动分析系统，其特征在于，所述处理分析装置包括接收模块、处理模块和分析模块，所述接收模块接收由发送模块发送的加速度采样信号，并传输给处理模块，处理模块根据加速度采样信号计算运动参数后将运动参数传递给所述分析模块，分析模块分析获得动物行为信息。

4.如权利要求3所述的动物行为学检测与自动分析系统，其特征在于，所述处理模块用于从接收模块获得采样信号后经滤波处理，再对加速度采样信号进行重采样并计算单位时间内加速度平均值，将所述单位时间内加速度平均值与设定阈值比较后决定是否由运动参数计算模块来计算运动参数。

5.一种动物行为学分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照设定的频率采集动物运动的加速度采样值，获得加速度采样信号；

将加速度采样信号通过发送模块发给接收模块；

接收模块接收发送模块发送的加速度采样信号；

处理加速度采样信号得到运动参数；

对运动参数进行计算和统计，基于计算和统计结果做出动物行为分析。

6.如权利要求5所述的动物行为学分析方法，其特征在于，所述的处理步骤包括：

输入由接收模块传递的一段时间内的加速度采样值；

滤波处理，滤除由于动物呼吸导致胸腔位置变化产生的可能低频干扰和50Hz工频干扰；

计算单位时间内加速度平均值；

将计算所得的单位时间内加速度平均值与设定阈值比较，如果计算所得的加速度平均值高于设定阈值，则视为动物开始活动，进行运动参数计算并记录；在动物开始活动后，如果连续较长时间内计算所得的加速度平均值低于设定阈值，则视为动物本次活动结束。

7.如权利要求6所述的动物行为学分析方法，其特征在于，所述运动参数由加速度采样值计算所得，所述运动参数包括直立动作、上跳动作、活动次数及位移，其中，

所述直立动作是指动物身体在所处空间内相对于与其正常爬行姿势发生近似90度改变；

所述上跳动作是指动物在直立姿态下克服重力向与地心相反的方向产生加速度；

所述活动次数是指动物单位时间内发生自主运动的次数；

所述位移是指动物在一段动物近似直线运动的时间内爬行的距离。

8.如权利要求7所述的动物行为学分析方法，其特征在于，所述分析步骤进行的计算和统计包括：

统计动物直立和上跳次数；

统计动物自主运动活动频率；

计算动物在一段时间内运动的路径总长度。

9.如权利要求8所述的动物行为学分析方法，其特征在于，以动物直立和上跳次数评定动物的自发探究性活动，以动物单位时间内活动状态和静止状态切换的频率和一段时间内运动路径的总长度评定动物的自发性习惯性活动。

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