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一种基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统 Download PDF

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Abstract

一种基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，包括：图像采集平台，采用两个呈正交姿态的摄像机拍摄双目视觉图像并将其传输至图像处理平台；图像处理平台对接收的图像通过图像处理算法进行分析，实现三维运动信息重建，其中，图像处理算法过程：先分别完成两个相机采集图像的运动目标检测与追踪，得到二维运动信息；然后将二维信息利用立体匹配得到运动目标的三维运动信息；再对三维运动信息进行轨迹三维重建，得到运动参数，并将其显示出来；本发明可获取昆虫行为研究实验过程中全部运动信息，并实现轨迹重建和运动参数可视化；定量、精确地描述昆虫的三维空间运动，其结构简单、使用方便、变化灵活。

Description

一种基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，涉及基于双目视觉的图像采集技术、运动目标追踪与检测技术、三维重建技术，特别涉及一种基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统。
背景技术
目前，大多数昆虫行为学研究只是得到最终的昆虫行为结果，而对昆虫行为过程缺乏观测。为了更为准确地分析昆虫行为，需要对昆虫行为全过程进行观测和记录。传统的研究方法大多是基于人工观察、手工记录的方式，耗时、费力、效率低下，还容易惊扰昆虫正常运动，使实验结果可信度大大下降。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，采用两个摄像机正交上下放置的系统支架，搭建基于双目视觉的图像采集平台，通过两个摄像机获取不同角度昆虫运动的双目视觉图像，在图像处理软件平台上通过图像处理的相关算法，获取昆虫行为研究实验过程中昆虫的全部运动信息，并实现轨迹重建和运动参数可视化；从而彻底改变传统的人工观察方式，克服已有双目视觉平台在昆虫行为学研究环境中不适用的问题，定量、精确地描述昆虫的三维空间运动，其结构简单、使用方便、变化灵活。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，包括：
图像采集平台，采用两个呈上下正交姿态的摄像机拍摄双目视觉图像并将其传输至图像处理平台；
图像处理平台对接收的图像通过图像处理算法进行分析，实现三维运动信息重建，其中，所述图像处理算法过程如下：
先分别完成两个相机采集图像的运动目标检测与追踪，得到二维运动信息；然后将二维信息利用立体匹配得到运动目标的三维运动信息；再对三维运动信息进行轨迹三维重建，得到运动参数，并将其显示出来。
所述图像采集平台包括位于昆虫运动区域上方的支架13，支架13包括水平支架和竖直支架，水平支架上设置有可沿水平支架活动的上侧相机托板1，竖直支架上设置有可竖直支架活动的下侧相机托板12，上侧相机托板1上搭载有从上方对昆虫运动区域进行图像采集的上侧CCD相机2，下侧相机托板12上搭载有从侧面对昆虫运动区域进行图像采集的下侧CCD相机11，所述上侧CCD相机2和下侧CCD相机11连接触发器9和PC机14实现同步采集。
所述水平支架上设置有上侧水平尺3，竖直支架上设置有下侧水平尺10，水平支架和竖直支架的各个连接处设置有角件4，通过观察上侧水平尺3、下侧水平尺10，调整角件4，使得上侧CCD相机2和下侧CCD相机11处于正交状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用密度较小的铝合金型材作为双目视觉支架材料，重量轻，安装拆卸简单方便，且变化灵活。
2、克服现有双目视觉支架上两个相机位置固定，无法进行调整的缺点。
3、采用上下正交放置双目摄像机，降低立体匹配算法难度，降低系统复杂性。
4、不干扰昆虫行为学实验正常进行，系统可靠性较高，可以作为昆虫行为学研究的辅助系统。
附图说明
图1为本发明基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统结构示意图。
图2为本发明双目视觉系统的图像处理平台的图像处理工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明采用非接触式的计算机视觉技术，单目摄像机只能记录昆虫的二维运动信息，丢失了深度信息，在轨迹重建时常常需要借助于经验知识，不能完整准确地记录和分析出昆虫行为。而双目视觉技术借助2台摄像机可以定量、精确描述昆虫在三维空间的运动信息，对包括昆虫气味嗜好性等行为分析具有重要应用价值。
本发明基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，其包括基于双目视觉的图像采集平台和图像处理平台，图像采集平台借助两个摄像机拍摄双目视觉图像并将其传输至图像处理平台，图像处理平台接收双目视觉图像图像并借助图像处理算法对其进行分析，实现三维运动信息重建。
具体地，如图1所示，图像采集平台包括借助铝合金等密度较小材料和角件连接件组装支架3，支架13包括水平支架和竖直支架，型材为型号OB.8-3030(30×30mm)的铝合金方管框架型材。水平支架位于昆虫运动区域上方，竖直支架支架位于昆虫运动区域右侧，昆虫运动区域的左侧为墙壁。水平支架上设置有可沿水平支架活动的上侧相机托板1，竖直支架上设置有可竖直支架活动的下侧相机托板12，上侧相机托板1和下侧相机托板12根据使用相机规格专门设计，并借助3D打印制作，打印用可粘合材料为塑料。
上侧相机托板1上搭载有从上方对昆虫运动区域进行图像采集的上侧CCD相机2，下侧相机托板12上搭载有从侧面对昆虫运动区域进行图像采集的下侧CCD相机11。上侧CCD相机2和下侧CCD相机11型号相同，均为RS-A2300-GM60，配套镜头型号均为KOWA LM3NC1M。
上侧CCD相机2通过触发器上侧连接线5连接触发器9，通过上侧RJ45网线7连接PC机14，下侧CCD相机11通过触发器下侧连接线6连接触发器9，通过下侧RJ45网线8连接PC机14。触发器9的型号选择为MVM-B-0008-S00-V0001，上侧RJ45网线7和下侧RJ45网线8均为SSTP屏蔽网线，其型号为RJ45B-RJ45C-CAB。水平支架上设置有上侧水平尺3， 竖直支架上设置有下侧水平尺10，水平支架和竖直支架的各个连接处设置有角件4，角件4为3030铝型材专用角件。通过观察上侧水平尺3、下侧水平尺10判断上侧CCD相机2和下侧CCD相机11是否处于正交位，再通过调整角件4，使得上侧CCD相机2和下侧CCD相机11处于正交状态，然后利用触发器9和相机控制软件实现两个相机同步采集，借助带有RJ45接口的SSTP屏蔽网线实现双目视觉图像从摄像机到图像处理平台的传输，实现方式是使用IP配置工具找到两个相机并为之分别设置不同的静态IP，然后访问相应IP通过对应网口传输数据。图像接收网卡为千兆双端口RJ-45服务器网卡，型号为PRO/1000PT EXPI9402PT。
图像处理平台是在PC机14上实现，图像采集平台采集的双目视觉图像传输至PC机固态硬盘中，实时存储图像固态硬盘型号选择为SSDSC2BW240H601。图像处理平台读取图像并利用相关图像处理分析算法处理视频，实现运动目标的检测、追踪和立体匹配，完成运动目标三维运动信息的重建和显示。
为了进一步了解本发明的发明内容、特点以及功效。列举以下实例，其工作过程如下：
根据实际相机位置需求使用支架型材组装成图1所示的支架13，每一根3030铝型材相接处均有两个专用角件4连接固定；在支架水平和竖直方向铝型材上分别固定上侧相机托板1和下侧相机托板12，根据实际情况可通过调整支架连接部分的上下前后移动来调整托板的位置；通过侧水平尺3、下侧水平尺10判断两个托板处于正交位置关系之后，安装上侧CCD相机2和下侧CCD相机11；在昆虫行为研究实验开始时，接入两个平台之间的上侧RJ45网线7和下侧RJ45网线8，通过PC机14寻找两个相机并配置静态IP；相机后部6针IO连接器为相机供电并提供触发输入与触发输出；利用触发器9和相机控制软件实现两个相机的图像同步采集，并利用RJ45屏蔽网线以访问两个相机相对应网口IP的方式将图像传输到PC机硬盘中；然后图像处理平台读取并分析。
图像处理平台的工作流程图如图2所示，先是利用图像处理相关算法完成上下相机采集图像的分别处理，即运动目标检测与追踪，得到二维运动信息；然后将二维信息利用立体匹配得到运动目标的三维运动信息；再对三维运动信息进行轨迹三维重建，得到运动参数，并将其显示出来。
具体地，首先用张正友标定法利用棋盘格分别对两个相机进行标定，得到相机的内外参数；然后对两个相机采集图像进行运动目标的检测追踪，考虑到昆虫行为学研究实验中运动目标是在静态黑白背景下进行的，主要搜索算法采用的是Camshift算法，当帧间目标大小发生改变时可以自适应调整目标区域，再结合Kalman滤波预测算法，对运动目标下一帧可能出现的位置状态进行预测估计，实现运动目标的检测与追踪，得到视频图像序列中每一帧的运动目标质心坐标变化，实现二维运动信息获取；通过相机标定得到的参数矩阵将图像坐标系转化成世界坐标系，得到相应世界坐标系下运动目标每一帧的坐标值；通过事先记录的位置距离信息再对两个相机采集图像对应的世界坐标系的坐标原点进行统一，因为两个相机是正交位置关系，坐标系原点统一之后直接将两个相机视频序列中对应帧的二维坐标进行叠加，就可匹配得到运动目标的三维坐标，实现三维运动信息的获取；最后通过MATLAB函数工具箱绘制目标运动轨迹实现三维重建和完成可视化界面的设计。
与一般的双目视觉支架相比，本双目视觉辅助研究系统重量更轻，安装拆卸更简单方便且组装方式变化灵活，两个相机位置也可以根据实际情况进行调整，适用范围更广；与一般的双目视觉匹配算法相比，本系统采用上下正交放置双目摄像机可以降低匹配算法难度，降低系统复杂性；与传统昆虫行为学研究方式相比，本辅助研究系统不干扰昆虫正常行为且能准确记录运动过程中的运动信息，可靠性和说服力更高。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的修改、等同变化和修饰等都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，其特征在于，包括：
图像采集平台，采用两个呈上下正交姿态的摄像机拍摄双目视觉图像并将其传输至图像处理平台；
图像处理平台对接收的图像通过图像处理算法进行分析，实现三维运动信息重建，其中，所述图像处理算法过程如下：
先分别完成两个相机采集图像的运动目标检测与追踪，得到二维运动信息；然后将二维信息利用立体匹配得到运动目标的三维运动信息；再对三维运动信息进行轨迹三维重建，得到运动参数，并将其显示出来。
2.根据权利要求1所述基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，其特征在于，所述图像采集平台包括位于昆虫运动区域上方的支架(13)，支架(13)包括水平支架和竖直支架，水平支架上设置有可沿水平支架活动的上侧相机托板(1)，竖直支架上设置有可竖直支架活动的下侧相机托板(12)，上侧相机托板(1)上搭载有从上方对昆虫运动区域进行图像采集的上侧CCD相机(2)，下侧相机托板(12)上搭载有从侧面对昆虫运动区域进行图像采集的下侧CCD相机(11)，所述上侧CCD相机(2)和下侧CCD相机(11)连接触发器(9)和PC机(14)实现同步采集。
3.根据权利要求2所述基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，其特征在于，所述水平支架上设置有上侧水平尺(3)，竖直支架上设置有下侧水平尺(10)，水平支架和竖直支架的各个连接处设置有角件(4)，通过观察上侧水平尺(3)、下侧水平尺(10)，调整角件(4)，使得上侧CCD相机(2)和下侧CCD相机(11)处于正交状态。
4.根据权利要求1所述基于双目视觉的昆虫行为学研究辅助系统，其特征在于，所述图像处理算法具体包括如下过程：
首先，基于张正友标定法利用棋盘格分别对两个相机进行标定，得到相机的内外参数；
然后，对两个相机采集图像进行运动目标的检测追踪，搜索算法采用Camshift算法，再结合Kalman滤波预测算法，对运动目标下一帧可能出现的位置状态进行预测估计，实现运动目标的检测与追踪，得到视频图像序列中每一帧的运动目标质心坐标变化，实现二维运动信息获取；
其次，通过相机标定得到的参数矩阵将图像坐标系转化成世界坐标系，得到相应世界坐标系下运动目标每一帧的坐标值；
接着，通过事先记录的位置距离信息再对两个相机采集图像对应的世界坐标系的坐标原点进行统一，因为两个相机是正交位置关系，坐标系原点统一之后直接将两个相机视频序列中对应帧的二维坐标进行叠加，就可匹配得到运动目标的三维坐标，实现三维运动信息的获取；
最后，通过MATLAB函数工具箱绘制目标运动轨迹实现三维重建和完成可视化界面的设计。
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