CN109169465B - 智能化测定水下活体对虾生长参数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化测定水下活体对虾生长参数的系统和方法，系统包括防水测试暗箱、摄像装置和控制装置，防水测试暗箱置于水下，防水测试暗箱设置有测试通道，测试通道贯穿防水测试暗箱，测试通道为透明通道，测试通道用于允许对虾从测试通道中依次通过；摄像装置位于防水测试暗箱内，用于拍摄所述测试通道内的对虾；控制装置用于接收摄像装置拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。本发明利用机器视觉技术替代人工测量方法，并且能够在多个时间点自动化进行对虾育种测试群体的家系识别和生长表型精确测量，覆盖对虾生长发育主要阶段进行纵向遗传评估，选择育种效率大幅度提高。

Description

智能化测定水下活体对虾生长参数的系统和方法

技术领域

本发明属于水产动物经济性状选育技术领域，具体地说，是涉及一种智能化测定水下活体对虾生长参数的系统和方法。

背景技术

对虾的生长参数作为重要的基础参数，为其良种选育过程的量化分析提供直接数据参考。这要求定期对个体生长表型如体长、全长、体节高度、厚度等指标进行测量。当前主流的测量方法是在虾体离水的状态下用直尺或游标卡尺等工具对虾体各个特征部位逐一进行测量，操作步骤单调重复。在实际的数据采集过程中，工作量大、耗时长，效率低下等问题尤为突出；单批次可采集的数据样本量有限，受人为因素影响，测量误差波动较大，数据精度难以保证。另外，在测量过程中，需要频繁触碰和翻转虾体，造成对虾强烈的应激反应，有可能导致个体受伤甚至死亡。

由于对虾不同发育阶段间生长性状的遗传相关系数变化幅度非常大，通常阶段间隔变长，相关系数降低。因而，仅通过测定和评估一个或几个特定的生长发育阶段来执行选择，将会降低选择的准确度和遗传进展。因此，全程监控对虾育种核心群体的生长状态，在较多时间点获得不同家系个体的生长表型信息，利用多性状模型或随机回归模型进行动态遗传评估，将会大幅度提高选择育种的准确度。然而，通过人工测量手段能够监控的时间点有限，测量次数过多会严重影响育种核心群体的生长速度和存活率。因而，实现智能化自动测量，是开展对虾育种核心群体生长表型动态监测和遗传评估的基础条件。

发明内容

本发明的目的在于针对上述对虾生长参数采集过程中存在的问题，通过开发自动化的采集装置，结合机器视觉、数字图像处理等技术，实现对虾规模化养殖过程中个体生长参数的周期性、连续性、准确性、便捷性地测量。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，包括：

置于水下的防水测试暗箱，所述防水测试暗箱设置有测试通道，所述测试通道贯穿所述防水测试暗箱，所述测试通道为透明通道，所述测试通道用于允许对虾从所述测试通道中依次通过；

摄像装置，位于所述防水测试暗箱内，用于拍摄所述测试通道内的对虾；

控制装置，用于接收所述摄像装置拍摄的对虾图像，对所述对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。

如上所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，所述摄像装置包括四个相机，其中，两个相机位于所述测试通道的左右两侧并与所述测试通道位于同一水平面上，另外两个相机位于所述测试通道的上下两侧并与所述测试通道位于同一铅垂面上。

如上所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，所述防水测试暗箱内设置有辅助光源。

如上所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，所述防水测试暗箱内壁上设置有反光层。

如上所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，所述系统包括测试池，所述防水测试暗箱位于所述测试池内的水下，所述测试池内设置有拦网和锥形收缩网，所述拦网和锥形收缩网之间具有一定的容纳空间，所述容纳空间内放置待测定对虾，所述锥形收缩网的收缩端口与所述测试通道连通。

如上所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，所述系统包括对虾诱导装置，所述对虾诱导装置用于诱导所述对虾依次通过所述测试通道。

如上所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，所述对虾诱导装置为水流控制器，所述水流控制器用于控制水流方向。

如上所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，所述测试池为环状池。

一种基于上述系统的测定方法：

将所有待测试对虾集中在拦网和锥形收缩网之间的容纳空间，对虾依次通过测试通道，在观察周期内，待90%以上的对虾通过测试通道为止；

在对虾进入测试通道并经过摄像装置时，通过摄像装置采集对虾图像并上传至控制装置；

控制装置接收摄像装置拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。

一种基于上述系统的测定方法：

将所有待测试对虾集中在拦网和锥形收缩网之间的容纳空间，通过水流控制器控制水流方向从锥形收缩网流向拦网，引导对虾逆水流方向游动，聚集到锥形收缩网，对虾依次通过测试通道，在观察周期内，待90%以上的对虾通过测试通道为止；

在对虾进入测试通道并经过摄像装置时，通过摄像装置采集对虾图像并上传至控制装置；

控制装置接收摄像装置拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明利用允许对虾依次通过的透明测试通道，在对虾自主通过测试通道的过程中，利用机器视觉技术对对虾信息进行采集，并通过控制装置进行分析。本发明利用机器视觉技术替代人工测量方法，并且能够在多个时间点自动化进行对虾育种测试群体的家系识别和生长表型精确测量，覆盖对虾生长发育主要阶段进行纵向遗传评估，可以大幅度提高选择育种效率。本发明完全在对虾自主游动的过程中即可对对虾信息进行采集，无需人为接触对虾，不会对对虾造成损害。并且，通过机器视觉技术配合多角度图像识别能够使测量更加精确。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明具体实施例防水测试暗箱的示意图。

图2是本发明具体实施例智能化测定水下活体对虾生长参数系统的示意图。

图3是本发明具体实施例对虾表型数据示意图。

图4是本发明具体实施例对虾表型数据示意图。

图5是本发明另一具体实施例智能化测定水下活体对虾生长参数系统的示意图。

图6是本发明具体实施例水流控制器的示意图。

1、防水测试暗箱；11、测试通道；12、辅助光源；13、摄像装置；2、控制装置；3、水流控制器；4、锥形收缩网；5、拦网；6、测试池。其中，箭头代表水流方向。7、气石；8、挡板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例智能化测定水下活体对虾生长参数的系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括测试暗箱、辅助光源、摄像装置和控制装置，其中，摄像装置一般采用工业相机，控制装置一般采用便携式工控机。软件部分包括图像采集模块、图像处理模块、图像识别模块、数据储存模块，其中，软件部分由控制装置完成。

如图1、2所示，下面对测定系统的各个部分进行具体说明：

（1） 防水测试暗箱1：防水测试暗箱1为置于水下的防水测试暗箱1。

防水的作用是防止水进入防水测试暗箱1内部，对防水测试暗箱1内的设备造成损坏。

防水测试暗箱1设置有测试通道11，测试通道11贯穿防水测试暗箱1，允许对虾从测试通道11中通过，为了保证测量结果的精确性，测试通道11的入口配有孔径调节装置，可以根据不同生长阶段对虾的体型调节大小，每次仅允许一尾虾进入入口，并从测试通道11中依次通过。本实施例正是考虑到不同生长阶段的对虾大小差别较大，如果测试通道11入口孔径固定不变的话，测定小规格的虾时会存在几尾虾同时进入通道的情况，而本实施例根据待测对虾的规格相应地调节通道入口孔径就可以保证每次仅能进入通道一尾虾，保证测量结果的精确。其中，孔径调节装置可以是设置在测试通道11入口处的可调节网孔，可调节网孔的孔径可以调大或缩小，以满足孔径调节需求。

测试通道11优选位于防水测试暗箱1的中部。

暗箱用于保障对虾图像采集环境不受杂散的环境光干扰，内部采用反光涂料，即在防水测试暗箱内壁上设置有反光层，为辅助光源的混光提供良好的反射条件。

（2）辅助光源12：位于防水测试暗箱1内。由于尽量提高采集速度，所以曝光时间较短，需要额外补充光照。辅助光源12采用带状LED照明，光照通过暗箱内壁多次反射，保证均匀混光，为图像采集提供良好照明。

（3）摄像装置13：位于防水测试暗箱1内，用于拍摄测试通道11内的对虾。考虑到对虾表型多角度测试要求，摄像装置13包括四个相机，在暗箱的水平方向及垂直方向各放置两个相机，其中，两个相机位于测试通道11的左右两侧并与测试通道11位于同一水平面上，另外两个相机位于测试通道11的上下两侧并与测试通道11位于同一铅垂面上。即总共四个机位，分别拍摄对虾的背部、腹部、左右侧面。

（4）控制装置2：用于接收摄像装置13拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。所有采集的数据通过数据线传送至计算机主机，并通过软件部分的程序进行处理计算，及相关显示工作，图像数据存储在计算机硬盘内。

（5）测试池6：防水测试暗箱1位于测试池6内的水下，测试池6内设置有拦网5和锥形收缩网4，拦网5和锥形收缩网4之间具有一定的容纳空间，容纳空间内放置待测定对虾，锥形收缩网4的收缩端口与测试通道11连通，以保证对虾能够从锥形收缩网4进入到测试通道11。

优选的，测试池6为长条状测试池。

软件部分具体模块功能：

（1）图像采集模块：通过多个工业相机机位对对虾进行图像采集，相机通过采集数据线和计算机主机连接，实现采集图像的实时传输。

（2）图像处理模块：对采集到的原始图像进行预处理，为后续处理打下基础。在此模块中，主要采用背景差分、阈值分割等算法。

（3）图像识别模块：主要包括两个功能，一是针对不同家系对虾尾部的荧光标记颜色进行识别，判断其属于常用荧光染料颜色（绿色、红色、蓝色、橙色）中的哪几种，属于哪个家系。二是针对对虾生长表型进行识别，保证获取长（AL、BL、CL）、宽（CW、A1W、A2W、A3W、A4W、A5W、A6W）、高（CH、A1H、A2H、A3H、A4H、A5H、A6H），如图3、4所示。

（4）数据储存模块：将上述测量数据批量导入Access数据库，并自动显示在计算机主机上，主要字段包括：颜色特征、生长表型数据、采集时间、采集图像路径。

本实施例还提出了一种基于智能化测定水下活体对虾生长参数的系统的测定方法，包括下述步骤：

将所有待测试对虾集中在拦网和锥形收缩网之间的容纳空间，对虾依次通过测试通道，在观察周期内，一般以1-2天为一个观察周期，待90%以上的对虾通过测试通道为止；

在对虾进入测试通道并经过摄像装置时，通过摄像装置采集对虾图像并上传至控制装置；具体的，由左右两个机位采集个体侧面图像，由上机位采集个体背面图像，由下机位采集个体腹面图像，采集的原始图像上传到计算机主机进行预处理。

考虑到实际物理长度测量及光学成像因素，必须对整个系统进行标定。采用带标准刻度的钢尺放置于测试通道内，通过成像系统进行测试，建立采集图像的像素单位和实际物理尺寸直接的对应关系。

控制装置接收摄像装置拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的参数。基于个体左右两个侧面的图像和背面的图像读取标记颜色并识别个体的家系编号，基于个体腹面的图像识别个体性别，基于个体左右两个侧面的图像和背面的图像精确测量个体的生长表型参数。

实施例2

本实施例智能化测定水下活体对虾生长参数的系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括测试暗箱、辅助光源、摄像装置和控制装置，其中，摄像装置一般采用工业相机，控制装置一般采用便携式工控机。软件部分包括图像采集模块、图像处理模块、图像识别模块、数据储存模块，其中，软件部分由控制装置完成。

如图1、5所示，下面对测定系统的各个部分进行具体说明：

（1）防水测试暗箱1：防水测试暗箱1为置于水下的防水测试暗箱1。

防水的作用是防止水进入防水测试暗箱1内部，对防水测试暗箱1内的设备造成损坏。

防水测试暗箱1设置有测试通道11，测试通道11贯穿防水测试暗箱1，允许对虾从测试通道11中通过，为了保证测量结果的精确性，测试通道11与对虾的体型相匹配或者略微大于对虾的体型，以允许对虾从测试通道11中依次通过。测试通道11优选位于防水测试暗箱1的中部。

暗箱用于保障对虾图像采集环境不受杂散的环境光干扰，内部采用反光涂料，即在防水测试暗箱内壁上设置有反光层，为辅助光源的混光提供良好的反射条件。

（2）辅助光源12：由于尽量提高采集速度，所以曝光时间较短，需要额外补充光照。辅助光源12采用带状LED照明，光照通过暗箱内壁多次反射，保证均匀混光，为图像采集提供良好照明。

（3）摄像装置13：位于防水测试暗箱1内，用于拍摄测试通道11内的对虾。考虑到对虾表型多角度测试要求，摄像装置13包括四个相机，在暗箱的水平方向及垂直方向各放置两个相机，其中，两个相机位于测试通道11的左右两侧并与测试通道11位于同一水平面上，另外两个相机位于测试通道11的上下两侧并与测试通道11位于同一铅垂面上。即总共四个机位，分别拍摄对虾的背部、腹部、左右侧面。

（4）控制装置2：用于接收所述摄像装置13拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。所有采集数据通过数据线传送至计算机主机，并通过软件部分的程序进行处理计算，及相关显示工作，图像数据存储在计算机硬盘内。

（5）测试池6：防水测试暗箱1位于测试池6内的水下，测试池6内设置有拦网5和锥形收缩网4，拦网5和锥形收缩网4之间具有一定的容纳空间，容纳空间内放置待测定对虾，锥形收缩网4的收缩端口与测试通道11连通，以保证对虾能够从锥形收缩网4进入到测试通道11。

优选的，测试池6为长条状环形池。

（6）对虾诱导装置：为了提高对虾通过测试通道11的效率，本实施例系统包括对虾诱导装置，用于诱导对虾依次通过测试通道11。

对虾诱导装置为水流控制器3，水流控制器用于控制水流方向从锥形收缩网4流向拦网5，引导对虾逆水流方向游动。如图6所示，本实施例的水流控制器包括气石7和弧形挡板8，气石7位于弧形挡板8的底端，可设置有多个。气石7充气使水上涌，经弧形的挡板8反弹后形成一个水平方向的水流，本实施例中形成从锥形收缩网4流向拦网5的水流。优选的，挡板8上下两端所在的平面与底面成45-70度夹角，以利于水流方向的调节。其中，可以通过控制气石7的充气量控制水流大小。当然，本发明的水流控制器并不限定在上述方案，凡是能够使水流形成从锥形收缩网4流向拦网5的设备，例如潜水泵、水流喷射泵等设备，均在本发明的保护范围之内。

软件部分具体模块功能：

（1）图像采集模块：通过多个工业相机机位对对虾进行图像采集，相机通过采集数据线和计算机主机连接，实现采集图像的实时传输。

（2）图像处理模块：对采集到的原始图像进行预处理，为后续处理打下基础。

在此模块中，主要采用背景差分、阈值分割等算法。

（3）图像识别模块：主要包括两个功能，一是针对不同家系对虾尾部的荧光标记颜色进行识别，判断其属于常用荧光染料颜色（绿色、红色、蓝色、橙色）中的哪几种，属于哪个家系。二是针对对虾生长表型进行识别，保证获取长（AL、BL、CL）、宽（CW、A1W、A2W、A3W、A4W、A5W、A6W）、高（CH、A1H、A2H、A3H、A4H、A5H、A6H），如图3、4所示。

（4）数据储存模块：将上述测量数据批量导入Access数据库，并自动显示在计算机主机上，主要字段包括：颜色特征、生长表型数据、采集时间、采集图像路径。

本实施例还提出了一种基于智能化测定水下活体对虾生长参数的系统的测定方法，本实施例的测定方法包括下述步骤：

将所有待测试对虾集中在拦网和锥形收缩网之间的容纳空间，通过水流控制器控制水流方向从锥形收缩网流向拦网，引导对虾逆水流方向游动，聚集到锥形收缩网，对虾依次通过测试通道，在观察周期内，一般以1-2天为一个观察周期，待90%以上的对虾通过测试通道为止；

在对虾进入测试通道并经过摄像装置时，通过摄像装置采集对虾图像并上传至控制装置；具体的，由左右两个机位采集个体侧面图像，由上机位采集个体背面图像，由下机位采集个体腹面图像，采集的原始图像上传到计算机主机进行预处理。

考虑到实际物理长度测量及光学成像因素，必须对整个系统进行标定。采用带标准刻度的钢尺放置于测试通道内，通过成像系统进行测试，建立采集图像的像素单位和实际物理尺寸直接的对应关系。

控制装置接收摄像装置拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的参数。基于个体左右两个侧面的图像和背面的图像读取标记颜色并识别个体的家系编号，基于个体腹面的图像识别个体性别，基于个体左右两个侧面的图像和背面的图像精确测量个体的生长表型参数。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，其特征在于，所述系统包括：

环状测试池，所述测试池内设置有拦网和锥形收缩网，所述拦网和锥形收缩网之间具有一定的容纳空间，所述容纳空间内放置待测定对虾；

置于所述测试池水下的防水测试暗箱，所述防水测试暗箱设置有测试通道，所述测试通道贯穿所述防水测试暗箱，所述锥形收缩网的收缩端口与所述测试通道连通；所述测试通道为透明通道，所述测试通道用于允许对虾从所述测试通道中依次通过；

对虾诱导装置，所述对虾诱导装置用于诱导所述对虾依次通过所述测试通道；所述对虾诱导装置为水流控制器，所述水流控制器用于控制水流方向；

摄像装置，位于所述防水测试暗箱内，用于拍摄所述测试通道内的对虾；

控制装置，用于接收所述摄像装置拍摄的对虾图像，对所述对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。

2.根据权利要求1所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，其特征在于，所述摄像装置包括四个相机，其中，两个相机位于所述测试通道的左右两侧并与所述测试通道位于同一水平面上，另外两个相机位于所述测试通道的上下两侧并与所述测试通道位于同一铅垂面上。

3.根据权利要求1所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，其特征在于，所述防水测试暗箱内设置有辅助光源。

4.根据权利要求1所述的智能化测定水下活体对虾生长参数的系统，其特征在于，所述防水测试暗箱内壁上设置有反光层。

5.根据权利要求1所述的系统的测定方法，其特征在于，所述方法为：

将所有待测试对虾集中在拦网和锥形收缩网之间的容纳空间，通过水流控制器控制水流方向从锥形收缩网流向拦网，引导对虾逆水流方向游动，聚集到锥形收缩网，对虾依次通过测试通道，在观察周期内，待90%以上的对虾通过测试通道为止；

在对虾进入测试通道并经过摄像装置时，通过摄像装置采集对虾图像并上传至控制装置；

控制装置接收摄像装置拍摄的对虾图像，对对虾图像进行处理识别，获取对虾的生长参数。

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