CN107897112B - 一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法，包括视频采集模块、视频分析模块、饲料存储器模块、至少一个饲料投放器模块和计算机及控制模块；视频采集模块包括视频采集通道和主从旋转摄像头变焦系统，主从旋转摄像头变焦系统包括第一摄像头、第二摄像头和第三摄像头，第一摄像头用于监控设定好的目标区域，视频采集通道用于特定距离与角度的工作区域内目标青蛙的视频采集；视频分析模块用于检测采集到的视频中的青蛙存在状态(是否存在)及活动状态检测。本发明所提供的一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法，结构简单，操作步骤简单，能够实现对青蛙大面积的喂养。

Description

一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法

技术领域

本发明属于青蛙饲养技术领域，具体涉及一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法。

背景技术

目前，青蛙人工饲养中的一个主要问题就是：在青蛙幼小时期，需要大量人工在每天不同时段反复按照一条或者多条从青蛙生活池塘到岸上进食区的路线，投放饲料以进行青蛙进食习惯的训练，培养青蛙养成食用人工饲料的习惯，同时也藉此训练青蛙能够自主找到进食区。因为青蛙特殊的眼睛构成，只能够感受到运动的目标；因此，其进食习惯的训练，需要在其视力范围以内，让其感受到饲料的运动。现有青蛙人工饲料进食习惯训练期间的投放方法，就是投放人员不断的沿着青蛙生活池塘到岸上进食区的路线，每天按照一个频率，在不同的时间段，反复投放。同时，现有的青蛙饲料投放方式多为人工投放，需要人工不断的参与青蛙饲料投放。

现存技术的主要问题：需要较多的人工较长时间，进行饲料的反复投放，才能够训练出青蛙食用人工饲料的习惯；青蛙进食习惯训练期间，饲料投放的位置，需从青蛙生活区到进食区，不断往返；青蛙能否找到进食区，与投放人员的方法、频率、路线以及经验等都有关，这也是影响青蛙存活率的重要因素，而投放人员的不同、投放方法、频率、路线等参数的不同，其喂养青蛙的存活率也各不相同。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构简单，使用方便的一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种活塞式自动青蛙饲料投放器，包括包括视频采集模块、视频分析模块、饲料存储器模块、至少一个饲料投放器模块和计算机及控制模块；视频采集模块包括视频采集通道和主从旋转摄像头变焦系统，主从旋转摄像头变焦系统包括第一摄像头、第二摄像头和第三摄像头，第一摄像头、第二摄像头和第三摄像头用于监控设定好的目标区域，视频采集通道用于特定距离与角度的工作区域内目标青蛙的视频采集；视频分析模块用于检测采集到的视频中的青蛙存在状态及活动状态检测；饲料存储器模块包括饲料存储器，饲料存储器为瓶状结构，饲料存储器的顶部设有饲料存储器盖，饲料通过打开的饲料存储器盖进入饲料存储器内部，饲料存储器的底部开有饲料出口，饲料出口下部还设有可转动的饲料开关，饲料开关控制饲料从饲料出口漏出后进入饲料投放器模块。

优选地，所述饲料投放器模块包括水平放置的中空饲料管，中空饲料管的中部设有中空饲料管进口，中空饲料管的端部设有饲料出口；中空饲料管进口与饲料出口相连，饲料能从饲料出口出来后经过中空饲料管进口进入中空饲料管的内部；中空饲料管的内部安装有可往复运动的活塞，活塞一端与外部的动力源相连，中空饲料管与饲料存储器相连，中空饲料管内部与饲料存储器相连的位置安装有红外对管组，红外对管组用于检测活塞移动过程中是否挡住中空饲料管进口。

优选地，所述红外对管组从中空饲料管进口开始朝饲料出口的方向布置。

优选地，所述饲料出口下边还设有分料器，分料器为中空结构，分料器的顶部设有分料器入口，分料器的底部设有四个分料器出口，分料器的内部设有分料板，分料板将从分料器入口进入的饲料分配到不同的分料器出口，然后漏出分料器。

优选地，所述饲料存储器内部从上到下依次安装有高位红外对管、中位红外对管和低位红外对管，高位红外对管、中位红外对管和低位红外对管用于检测饲料存储器内部饲料的含量。

优选地，所述饲料开关的四周安装有检测红外对管，红外对管与计算机及控制模块相连，检测红外对管用于检测控制饲料出口的打开与关闭。

优选地，所述饲料开关包括叠加的第一开关叶片和第二开关叶片，第一开关叶片和的第二开关叶片呈扇形，第一开关叶片固定，第二开关叶片可绕自身圆弧所在的中心旋转。

本发明还公布了一种活塞式自动青蛙饲料投放器视频分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取若干不同角度、方位的青蛙样本图；

S2、将样本图进行预处理，首先将作为样本的青蛙图像中选取若干参考点组，保存参考点组的颜色与纹理信息；然后对于样本图中的青蛙图案，手工辅助选取较为精确的轮廓线；对青蛙背部若干较小的纹理及颜色特征，进行筛选消除；将保留下来较大区域的颜色与纹理，作为识别青蛙的主要颜色与纹理参数；对于样本图进行进一步处理，主要保留其大致的轮廓及最主要区域面积的颜色、纹理等参数信息；

S3、依靠时间的不同，对应运动区域的变化，捕捉多帧之间的运动特征，获得不同帧之间青蛙跳动的轨迹；

S4、将满足跳动条件的各个运动特征区域的形状与颜色，选取一个基本完全独立不与其他样本重叠的区域，获得一个独立的青蛙身体区域的大致尺寸，获取该物理尺寸参数后，结合摄像机标定的若干物理参数，计算出使用样本图的缩放参数，该缩放参数即作为该摄像头获取帧的图像的全局缩放尺度；参照样本图大小，进行尺度缩放、旋转等处理转化为样本图一样大小后，再和预处理后的不同样本图，进行模板匹配，判定是否为运动中的青蛙；

S5、对于模板不能够完全匹配的大面积运动区域，有多个青蛙在进行运动，则经过全局缩放尺度处理后，将该区域面积除以样本图面积，再乘以经验系数，进行该区域青蛙数量的估计；

S6、对于步骤S5中若干具有跳动的运动特征，其区域较模板更小的，将模板进行缩小，将缩小后的模板与其匹配，如面积与颜色组合误差小于阈值，即判定为运动中的一个青蛙；

结合不同时间序列的关联帧，辅以多个后台程序随机选定的、若干(数量可为3、5、7、9、11等)、具有跳动的运动特征的不同运动目标，进行青蛙运动方向的预估，以多数青蛙运动方向为结果方向，为计算机控制模块提供青蛙运动方向的辅助信息；

S7、如果运算量较大，即采用主从旋转摄像头搭配的方法，主摄像头进行是否有运动特征的计算，而从摄像头则固定检测一个距离、角度、面积已知的小区域，在该小区域内，采用前述算法，进行青蛙运动特征的精确匹配，以降低运算量；

S8、如果通过检测青蛙的运动，进行青蛙数量、运动方向的预估，打开相应满足条件的控制装置。

本发明的有益效果是：本发明所提供的一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法由机器取代人工，节约青蛙食用人工饲料的习惯训练期间需要的大量人力；实现可编程控制，保证饲料投放的位置，按照编程控制的要求，从青蛙生活区到进食区，采用多种路线、模式不断的往返；可按照程序设定的模式及线路，可根据青蛙的数量及运动的状态，进行饲料的数与量均可编程控制的自动投放；可二次开发，结合统计与优化的方法，进行饲料投放各种参数的优化，提高经济效益。

附图说明

图1是本发明一种活塞式自动青蛙饲料投放器及视频分析方法的原理示意图；

图2是本发明中空饲料管的结构示意图。

图3是本发明饲料开关的原理示意图；

图4是本发明分料器的结构原理示意图。

附图标记说明：1、视频采集模块；2、视频分析模块；3、饲料存储器模块；4、饲料投放器模块；5、计算机及控制模块；6、饲料板；11、视频采集通道；12、主从旋转摄像头变焦系统；31、饲料存储器；32、饲料存储器盖；33、饲料出口；34、饲料开关；41、中空饲料管；42、活塞；43、红外对管组；44、高位红外对管；45、中位红外对管；46、低位红外对管；48、检测红外对管；411、中空饲料管进口；412、饲料出口；50、分料器；51、分料器入口；52、分料器出口；53、分料板；531、第一分料板；532、第二分料板；533、第三分料板；341、第一开关叶片；342、第二开关叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图4所示，本发明提供的一种活塞式自动青蛙饲料投放器，包括视频采集模块1、视频分析模块2、饲料存储器模块3、至少一个饲料投放器模块4和计算机及控制模块5；计算机及控制模块5和视频分析模块2都由计算机控制，视频采集模块1包括视频采集通道11和主从旋转摄像头变焦系统12，主从旋转摄像头变焦系统12包括第一摄像头13、第二摄像头14和第三摄像头15，第一摄像头13、第二摄像头14和第三摄像头15用于监控设定好的目标区域，在本实施例中，第一摄像头13监控位于饲料投放器底部标记为A的区域，第二摄像头14监控位于饲料投放器底部标记为C的区域，第三摄像头15监控位于饲料投放器底部标记为B的区域，A区域的面积大于B区域，B区域的面积大于C区域，A区域预先进行测定，将其划分为若干个C区域，每一个C区域均可由第二摄像头14定点监控。监控时，第三摄像头15为主要监控设备，第一摄像头13(带云台大范围广角摄像头)和第二摄像头14(带云台可变焦高清摄像头)为辅助更高清视频监控与检测设备。当需要对区域内青蛙进行更精确的定位时，启用第一摄像头13和第二摄像头14,利用第一摄像头13进行大范围区域的搜索，该区域中有若干个可供候选的不同的C区域C1、C2、…、Ck，选取好第二摄像头14的工作区域Ci(1<＝i<＝k)后，第二摄像头14再转动云台、调焦对齐后，再进行该目标工作区域Ci内的视频采集。

视频采集通道11用于特定距离与角度的工作区域内目标青蛙的视频采集；视频分析模块2用于检测采集到的视频中的青蛙存在状态(是否存在)及活动状态检测。饲料存储器模块3包括饲料存储器31，饲料存储器31为瓶状结构，饲料存储器31的顶部设有饲料存储器盖32，饲料通过打开的饲料存储器盖32进入饲料存储器31内部，饲料存储器31的底部开有饲料出口33，饲料出口33下部还设有可转动的饲料开关34，饲料开关34控制饲料从饲料出口33漏出后进入饲料投放器模块4，饲料从饲料出口33进入饲料投放器模块4，饲料投放器模块4将饲料分送到特定区域。

饲料投放器模块4包括水平放置的中空饲料管41，中空饲料管41的中部设有中空饲料管进口411，中空饲料管41的端部设有饲料出口412；中空饲料管进口411与饲料出口33相连，饲料能从饲料出口33出来后经过中空饲料管进口411进入中空饲料管41的内部；中空饲料管41的内部安装有可往复运动的活塞42，活塞42一端与外部的动力源相连，中空饲料管41与饲料存储器31相连，中空饲料管41内部与饲料存储器31相连的位置安装有红外对管组43，红外对管组43用于检测活塞42移动过程中是否挡住中空饲料管进口411。

红外对管组43从中空饲料管进口411开始朝饲料出口412的方向布置，活塞42在往返运动过程中，经过红外对管组43时，活塞42的位置通过红外对管组43检测后，将位置信息返回到计算机及控制模块5，再通过计算机及控制模块5来控制饲料开关34的打开与关闭。

饲料存储器31内部从上到下依次安装有高位红外对管44、中位红外对管45和低位红外对管46，高位红外对管44、中位红外对管45和低位红外对管46用于检测饲料存储器31内部饲料的含量，高位红外对管44、中位红外对管45和低位红外对管46与计算机及控制模块5电连接。

饲料出口412的出口端还安装有分料器50，分料器50为中空结构，分料器50的顶部设有分料器入口51，分料器入口51与饲料出口412相对，饲料出口412内的饲料在重力的作用下能够进入分料器入口51，从而进入分料器50的内部。分料器50的底部设有四个分料器出口52，分料器的内部设有分料板53，分料板53包括第一分料板531，第二分料板532和第三分料板533，第一分料板531为折弯结构，第一分料板531短部竖直，长部向分料器50内部边缘倾斜，第二分料板532竖直布置。第一分料板531和第三分料板533为相同的结构，且关于第二分料板532对称布置。分料板53将从分料器入口51进入的饲料分配到不同的分料器出口52，然后漏出分料器50，饲料在通过分料器50之后漏出到特定区域，饲料在特定区域的量呈正态分布。

活塞42在往返运动过程中将位于中空饲料管41内部的饲料推到饲料出口412，饲料经过饲料出口412进入分料器50。分料器50将饲料经过分离后调入特定区域。

饲料开关34的四周安装有检测红外对管48，红外对管48与计算机及控制模块5相连，检测红外对管48用于检测控制饲料出口33的打开与关闭。饲料开关34包括叠加的第一开关叶片341和第二开关叶片342，第一开关叶片341和第二开关叶片342呈扇形，第一开关叶片341固定，第二开关叶片342可绕自身圆弧所在的中心旋转。

饲料投放器模块4可以根据实际使用情况，适当的增加数量，也可以根据不同的目标区域位置安装饲料投放器模块4。

饲料投放器模块4的底部还设有饲料板6，饲料板6位于分料器出口52的投射区域内，饲料从分料器出口52投射出后，掉在饲料板6之上。饲料板6具有一定的弹性，青蛙看到饲料掉落后，青蛙就会来到饲料板6之上，青蛙在跳动过程中会将饲料板6上的饲料弹起，由于青蛙视觉识别运动中的物体，所以饲料板6上的饲料也会被青蛙识别，从而大大的节省了物料成本，避免了饲料的浪费。

本发明还提供了一种活塞式自动青蛙饲料投放器视频分析方法，包括以下步骤：

S1、获取若干不同角度、方位的青蛙样本图；

S2、将样本图进行预处理，首先将作为样本的青蛙图像中选取若干参考点组，保存参考点组的颜色与纹理信息；然后对于样本图中的青蛙图案，手工辅助选取较为精确的轮廓线；对青蛙背部若干较小的纹理及颜色特征，进行筛选消除；将保留下来较大区域的颜色与纹理，作为识别青蛙的主要颜色与纹理参数；对于样本图进行进一步处理，主要保留其大致的轮廓及最主要区域面积的颜色、纹理等参数信息；

S3、依靠时间的不同，对应运动区域的变化，捕捉多帧之间的运动特征，获得不同帧之间青蛙跳动的轨迹；

S4、将满足跳动条件的各个运动特征区域的形状与颜色，选取一个基本完全独立不与其他样本重叠的区域，获得一个独立的青蛙身体区域的大致尺寸，获取该物理尺寸参数后，结合摄像机标定的若干物理参数，计算出使用样本图的缩放参数，该缩放参数即作为该摄像头获取帧的图像的全局缩放尺度；参照样本图大小，进行尺度缩放、旋转等处理转化为样本图一样大小后，和预处理后的不同样本图，进行模板匹配，判定是否为运动中的青蛙；

S5、对于模板不能够完全匹配的大面积运动区域，有多个青蛙在进行运动，则经过全局缩放尺度处理后，将该区域面积除以样本图面积，再乘以经验系数，进行该区域青蛙数量的估计；

S6、对于步骤S5中若干具有跳动的运动特征，其区域较模板更小的，将模板进行缩小，将缩小后的模板与其匹配，如面积与颜色组合误差小于阈值，即判定为运动中的一个青蛙；

结合不同时间序列的关联帧，辅以多个后台程序随机选定的、若干(数量可为3、5、7、9、11等)、具有跳动的运动特征的不同运动目标区域，进行青蛙运动方向的预估，以多数青蛙运动方向为结果方向，为计算机控制模块提供青蛙运动方向的辅助信息；

S7、如果运算量较大，即采用主从旋转摄像头搭配的方法，主摄像头进行是否有运动特征的计算，而从摄像头则固定检测一个距离、角度、面积已知的小区域，在该小区域内，采用前述算法，进行青蛙运动特征的精确匹配，以降低运算量；

S8、如果通过检测青蛙的运动，进行青蛙数量、运动方向的预估，打开相应满足条件的控制装置。

在步骤S1中，获取青蛙的样本图是通过主从旋转摄像头变焦系统12获得，获取的青蛙样本图包括青蛙的主视图，后视图，左视图、右视图、起跳状态图和落下状态图，图形的大小选取尺寸包括32X32、48X48、64X64，将获得的青蛙样本图用视频分析模块2进行分析。在步骤S2中，对于轮廓线以内的部分，采用腐蚀膨胀的方法，对青蛙背部若干较小的纹理及颜色特征，进行筛选消除；对比原来的参考点组，对保留下来较大区域的颜色与纹理，就作为识别青蛙的主要颜色与纹理参数；对青蛙样本图进行进一步处理，主要保留其大致的轮廓及最主要区域面积的颜色、纹理等参数信息。在步骤S3中依靠光流算法，提取运动区域，并且依靠时间的不同，对应运动区域的变化，捕捉多帧之间的运动特征，青蛙运动方式为跳动，不同帧之间，时间间隔适当，青蛙运动为朝一个方向，呈现低高低再到该低高的变化，这是识别青蛙的一个主要运动特征，对应青蛙一跳一跳运动，可获得不同帧之间青蛙跳动的轨迹。

在步骤S4中将满足跳动条件的各个运动特征区域的形状与颜色，选取一个基本完全独立不与其他样本重叠的区域，该区域是否完全独立，可参考摄像头的物理参数，以及青蛙喂养时间的长短，获得一个独立的青蛙身体区域的大致尺寸，该区域物理尺寸参数可由人工辅助测取；获取该物理尺寸参数后，结合摄像机标定的若干物理参数(距离、位置、角度、焦距、图像尺寸等)，即可计算出使用样本图的缩放参数，该缩放参数即作为该摄像头获取帧的图像的全局缩放尺度；参照样本图大小，进行尺度缩放转化为样本图一样大小后，和预处理后的不同样本图，结合朝左、朝右、起跳、落下这几种基本的体位，进行模板匹配，如面积与颜色组合误差小于阈值，即判定为运动中的一个青蛙。

步骤S6中进行模板的缩小可采用金字塔法，将缩小后的模板进行匹配。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种活塞式自动青蛙饲料投放器，其特征在于，包括视频采集模块(1)、视频分析模块(2)、饲料存储器模块(3)、至少一个饲料投放器模块(4)和计算机及控制模块(5)；视频采集模块(1)包括视频采集通道(11)和主从旋转摄像头变焦系统(12)，主从旋转摄像头变焦系统(12)包括第一摄像头(13)、第二摄像头(14)和第三摄像头(15)，第一摄像头(13)、第二摄像头(14)和第三摄像头(15)用于监控设定好的目标区域，视频采集通道(11)用于特定距离与角度的工作区域内目标青蛙的视频采集；视频分析模块(2)用于检测采集到的视频中的青蛙存在状态及活动状态检测；可根据青蛙的数量及运动的状态，进行饲料的数与量均可编程控制的自动投放；饲料存储器模块(3)包括饲料存储器(31)，饲料存储器(31)为瓶状结构，饲料存储器(31)的顶部设有饲料存储器盖(32)，饲料通过打开的饲料存储器盖(32)进入饲料存储器(31)内部，饲料存储器(31)的底部开有饲料出口(33)，饲料出口(33)下部还设有可转动的饲料开关(34)，饲料开关(34)控制饲料从饲料出口(33)漏出后进入饲料投放器模块(4)；

所述饲料投放器模块(4)包括水平放置的中空饲料管(41)，中空饲料管(41)的中部设有中空饲料管进口(411)，中空饲料管(41)的端部设有饲料出口(412)；中空饲料管进口(411)与饲料出口(33)相连，饲料能从饲料出口(33)出来后经过中空饲料管进口(411)进入中空饲料管(41)的内部；中空饲料管(41)的内部安装有可往复运动的活塞(42)，活塞(42)一端与外部的动力源相连，中空饲料管(41)与饲料存储器(31)相连，中空饲料管(41)内部与饲料存储器(31)相连的位置安装有红外对管组(43)，红外对管组(43)用于检测活塞(42)移动过程中是否挡住中空饲料管进口(411)；

饲料投放器模块4的底部还设有具有弹性的饲料板(6)，饲料板(6)位于分料器出口(52)的投射区域内，饲料从分料器出口(52)投射出后，掉在饲料板(6)之上；

所述饲料存储器(31)内部从上到下依次安装有高位红外对管(44)、中位红外对管(45)和低位红外对管(46)，高位红外对管(44)、中位红外对管(45)和低位红外对管(46)用于检测饲料存储器(31)内部饲料的含量；

所述饲料开关(34)的四周安装有检测红外对管(48)，红外对管(48)与计算机及控制模块(5)相连，检测红外对管(48)用于检测控制饲料出口(33)的打开与关闭；

所述饲料开关(34)包括叠加的第一开关叶片(341)和第二开关叶片(342)，第一开关叶片(341)和的第二开关叶片(342)呈扇形，第一开关叶片(341)固定，第二开关叶片(342)可绕自身圆弧所在的中心旋转；

饲料开关34的四周安装有检测红外对管(48)，红外对管(48)与计算机及控制模块(5)相连，检测红外对管(48)用于检测控制饲料出口(33)的打开与关闭；

所述红外对管组(43)从中空饲料管进口(411)开始朝饲料出口(412)的方向布置；

所述饲料出口(412)下边还设有分料器(50)，分料器(50)为中空结构，分料器(50)的顶部设有分料器入口(51)，分料器(50)的底部设有四个分料器出口(52)，分料器的内部设有分料板(53)，分料板(53)将从分料器入口(51)进入的饲料分配到不同的分料器出口(52)，然后漏出分料器(50)，分料板(53)包括第一分料板(531)，第二分料板(532)和第三分料板(533)，第一分料板(531)为折弯结构，第一分料板(531)短部竖直，长部向分料器(50)内部边缘倾斜，第二分料板(532)竖直布置；第一分料板(531)和第三分料板(533)为相同的结构，且关于第二分料板(532)对称布置；分料板(53)将从分料器入口(51)进入的饲料分配到不同的分料器出口(52)，然后漏出分料器(50)，饲料在通过分料器(50)之后漏出到特定区域，饲料在特定区域的量呈正态分布。

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