CN110181174A - 基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及鱼体标记技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法。利用摄像头拍摄处于拍摄位的水下有鳞鱼鱼体照片；对鱼体照片进行分析处理，构建鱼体坐标系并获取鱼体中心点坐标；在鱼体中心点坐标附近选取若干鳞片作为标记鳞片，再在标记鳞片上选择合适的区域作为标记区域，并计算出鱼体坐标系下每个打标区域的坐标。构建和计算激光打标机坐标系、设备装置空间坐标系和鱼体坐标系的映射关系，基于此映射关系，将上述选择的每个打标区域坐标，计算处理后发送给打标机，由打标机依次对各个标记鳞片进行打标。该标记标识方法，标识对象为活体鱼的鱼鳞，无血液及组织系统，对活体鱼无刺激，无损伤，且标识速度快效果好。

Description

基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法

技术领域

本发明涉及鱼体标记技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法。

背景技术

传统鱼体标记方式分为外部标记、内部标记和电子标签。

外部标记有线标、带标、Petersen盘、T标、矛标及软硬塑料标签等，其主要缺点：可能会导致鱼体感染，影响鱼类生长和存活，标记的生物附着增加鱼类活动阻力及标记识别难度，可能致使鱼类被水生植物或渔具困住，标签的损失率很高，难以适用于小个体鱼类，影响鱼类游泳、捕食或避害行为；

内部标记有CTW标记、VI标记、VIE荧光标记等，其主要缺点：打标和识别设备昂贵，需专业人员应用和识别标记，标记的检索和识别需要大量的人力，标记容易在鱼体中发生位置迁移，标记损失率很高。

电子标签为PIT射频标记，其主要缺点：PIT电子标签和识别设备价格较高，有一定的标签损失率，注射PIT标记会对鱼体局部造成创伤。

传统的标记方式需要人为对鱼体做固定，鱼体多数需离水一段时间，该操作除出人工工作量大之外对被标记鱼体也会产生比较大影响，直接降低其存活率。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种对水下有鳞鱼活体无损伤、标识速度快、标记损失率低的基于机器视觉引导的标识方法。

本发明是一种基于机器视觉引导的快速无损标识方法，其技术方案，包括以下步骤：

步骤一：利用摄像头拍摄处于拍摄位的水下有鳞鱼鱼体，对所获得鱼体照片进行分析计算和处理，构建鱼体坐标系并获取鱼体中心点坐标；

步骤二：在所述鱼体中心点附近选取若干鳞片作为标记鳞片，在所述标记鳞片上选取打标区域，并计算出鱼体坐标系下每个标记鳞片上打标区域的坐标；

步骤三：构建和计算激光打标机运动坐标系、设备装置空间坐标系和鱼体坐标系三者关系，对基于鱼体坐标系下取得的打标区域坐标进行计算和转换，获得打标区域在激光打标机运动坐标系中的坐标，并发送至打标机；

步骤四：激光打标机根据获得的打标区域坐标完成打标动作。

较为优选的，对所述鱼体照片进行分析处理，构建鱼体坐标系，该流程包括：

对所述鱼体照片进行二值化处理，提取鱼体的完整边沿轮廓线；

对鱼体轮廓进行曲率尺度空间分析，找到鱼体存在的所有角点，所述角点包括吻端、尾鳍中心点和背鳍起点；

将吻端和尾鳍中心点的连线作为鱼体坐标系的x轴线，沿背鳍起点向x轴线作垂线，将所述吻端作为鱼体坐标系的原点，所述垂线的中点作为鱼体中心点。

较为优选的，在所述鱼体中心点附近选取若干鳞片作为标记鳞片的方法如下：

以鱼体中心点所在鳞片为中心，对周边所有鱼鳞轮廓线进行识别和提取；

将鱼体中心点所在鳞片作为一号鳞片，按照顺时针螺旋方式依次对周边鳞片进行筛选和编号，并按照编号顺序进行登记和排序；

从所有已编号鳞片中选取前n个鳞片作为标记鳞片，所述n小于已编号鳞片数量。

较为优选的，在所述标记鳞片上选取打标区域的方法如下：

识别标记鳞片的中心点，以所述中心点作虚拟分割，将所述标记鳞片分割为远离弧形边的a、d区域和靠近弧形边的b、c区域；

在所述b、c区域上分别选取靠近弧形边的区域作为打标区域。

较为优选的，所述虚拟分割的方式为：

沿中心点作直线，所述直线将当前标记鳞片分割为上下两个等面积区域；

沿中心点作弧线，所述弧线与当前标记鳞片的弧形边曲率相同；

所述直线上方，弧线左侧为a区域；

所述直线下方，弧线左侧为d区域；

所述直线上方，弧线右侧为b区域；

所述直线下方，弧线右侧为c区域。

较为优选的，按照顺时针螺旋方式依次对周边鳞片进行编号时，仅对有效鳞片进行编号，所述有效鳞片识别方式为：

依据边沿提取算法，对鱼体中心点所在鳞片周边的所有鱼鳞轮廓线进行识别和提取，其中，能构成封闭区域且具备扇形曲线匹配特征的边沿曲线为鳞片边沿曲线；

对鳞片的封闭区域及鳞片边沿曲线做对称性分析，将鳞片边沿曲线的两个弦及弧形边满足对称要求，误差小于10％的鳞片作为有效鱼鳞。

较为优选的，采用多个摄像头对活体鱼在装置中间的姿态进行连续拍照；

顶部摄像头对水下有鳞鱼进行拍照，获得鱼体的俯视照，并实时计算和监测，当监测到有鳞鱼游动至指定位置区域时，控制位于有鳞鱼侧面的侧位摄像头对鱼体进行拍照，获得所述水下有鳞鱼鱼体侧面全局照片和放大的局部照片。

较为优选的，所述构建和计算激光打标机运动坐标系、设备装置空间坐标系和鱼体坐标系三者关系，对基于鱼体坐标系下取得的打标区域坐标进行计算和转换的方法为：

所述设备装置空间坐标系以鱼体照片的水平方向长边为X轴，垂直方向宽边为Y轴，原点为X轴与Y轴交点；

所述鱼体坐标系的原点为鱼体照片中吻端所在位置，X轴为鱼体中轴线，Y轴为沿背鳍起点向x轴线所作的垂线；

所述激光打标机运动坐标系与所述设备装置空间坐标系重叠；

根据所述鱼体坐标系与激光打标机运动坐标系的映射关系，计算出鱼体照片中所有待打标点在激光打标机运动坐标系中的坐标；

所述映射关系为：

X₁＝X₂cosα+Y₂sinα+a；

Y₁＝Y₂cosα-X₂sinα+b；

其中，所述X₁、Y₁为打标机初始标记点在激光打标机运动坐标系中的坐标，所述X₂、Y₂为打标机初始标记点在鱼体坐标系中的坐标，α为激光打标机运动坐标系与鱼体坐标系的夹角，(a,b)为吻端在激光打标机运动坐标系中的坐标。

本发明的有益效果为：

1、本方法标记标识对象为活体鱼的鱼鳞，无血液及组织系统，对活体鱼无损伤。标识图形可随意选择，大小可随意控制，在准确引导定位的情况下，标识直径可以从0.1mm～2mm任意选择。标识速度快，依据激光打标机规格书，48bit标记，打标时间不到0.1s。

2、环绕鱼体中心点选取若干鳞片作为标记鳞片，并在标记鳞片上选取靠近弧形边沿的上下两个对称区域作为打标区域，标记位置显眼。同时不易对底层皮肤造成损伤，将激光打标对鱼体的影响大大降低，保证被打标有鳞鱼健康生长。

3、采用顶部摄像头监测有鳞鱼位置，有鳞鱼游至相对水槽固定的拍摄位时，指令侧位摄像头拍摄，保证侧位摄像头的取相质量和打标误差大，解决了水下活体取相困难，打标误差的问题。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明鱼体中心点示意图；

图3为本发明鳞片编号示意图；

图4为本发明鳞片分区和标记点位置示意图；

图5为本发明打标机初始标记点与鱼体坐标系与激光打标机运动坐标系换算示意图；

图6为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明打标流程包括以下步骤：

步骤一：利用摄像头拍摄处于拍摄位的水下有鳞鱼鱼体，对所获得鱼体照片进行分析计算和处理，构建鱼体坐标系并获取鱼体中心点坐标。

如图6所示，本发明设有透明的水槽，有鳞鱼位于透明水槽内，透明水槽上设有一个拍摄位，该拍摄位的侧面设有侧位摄像头，顶部设有顶部摄像头。其中顶部摄像头用于对水下有鳞鱼进行监测定位，实时监测水槽中鱼的相对位置关系。当监测到有鳞鱼游动至指定位(该指定位靠近拍摄位)时，启动位于有鳞鱼侧面的侧位摄像头对鱼体照片进行捕捉，获得所述水下有鳞鱼鱼体照片。

如图2所示，对所述鱼体照片进行分析处理，构建鱼体坐标系并获取鱼体中心点坐标过程为：

对所述鱼体照片进行二值化处理，提取鱼体的完整边沿轮廓线；

对鱼体轮廓进行曲率尺度空间分析，找到鱼体存在的所有角点，所述角点包括吻端A、尾鳍中心点D和背鳍起点E。使用sobel横向纹理边沿检测算法，检测尾鳍的横状纹理，进行形态学处理，得到尾鳍轮廓，进而得到尾鳍基部线。

对吻端做求值和标记，对尾鳍两个突出点做求值和标记，在对尾鳍中心点做求值和标记，将吻端A和尾鳍B中心点的连线作为鱼体坐标系的x轴线，沿背鳍起点向x轴线作垂线，垂线与x轴线交点为C点。将所述吻端作为鱼体坐标系(该坐标系以像素为单位)的原点，所述垂线的中点作为鱼体中心点F。

步骤二：在所述鱼体中心点附近选取若干鳞片作为标记鳞片，在所述标记鳞片上选取打标点，并根据所述鱼体中心点坐标计算出鱼体坐标系下每个标记鳞片上打标点的坐标。

如图3所示，在所述鱼体中心点附近选取若干鳞片作为标记鳞片的方法为：

以鱼体中心点所在鳞片为中心，对周边所有鱼鳞轮廓线进行识别和提取；具体方法为：对图像进行锐化处理，增强鱼鳞边缘，利用canny边缘检测算法得到鱼鳞边缘，watershed分水岭分割算法，得到分割后的鱼鳞轮廓。

将鱼体中心点所在鳞片作为一号鳞片，按照顺时针螺旋方式依次对周边鳞片进行编号，并按照编号顺序进行登记和排序。

从所有已编号鳞片中选取前n个鳞片作为标记鳞片，所述n小于已编号鳞片数量，本实施例中n取24。

其中，按照顺时针螺旋方式依次对周边鳞片进行编号时，仅对有效鳞片进行编号，所述有效鳞片识别方式为：

依据边沿提取算法，对鱼体中心点所在鳞片周边的所有鱼鳞轮廓线进行识别和提取，其中，能构成封闭区域且具备扇形曲线匹配特征的边沿曲线为鳞片边沿曲线；

对鳞片的封闭区域及鳞片边沿曲线做对称性分析，将鳞片边沿曲线的两个弦及弧形边满足对称要求的鳞片作为有效鱼鳞。

如图4所示，在标记鳞片上选取打标点的方法为：

识别标记鳞片的中心点，以中心点作虚拟分割：沿中心点作直线，该直线将当前标记鳞片分割为上下对称的两个区域；沿中心点作弧线，该弧线与当前标记鳞片的弧形边曲率相同；直线上方，弧线左侧为a区域；直线下方，弧线左侧为d区域；直线上方，弧线右侧为b区域；直线下方，弧线右侧为c区域。b、c区域上的两个打标点相对于直线上下对称，且每个打标点的标记数据在2bit～48bit之间。

步骤三：构建和计算激光打标机运动坐标系、设备装置空间坐标系和鱼体坐标系三者关系，对基于鱼体坐标系下取得的打标区域坐标进行计算和转换，获得打标区域在激光打标机运动坐标系中的坐标，并发送至打标机。

打标机激光输出头运动方向与鱼体照片的水平方向和垂直方向相互平行。通过标记点在鱼体坐标系中的坐标与激光打标机运动坐标系的映射关系，从而计算出每个打标点的激光打标机运动坐标系的坐标位置。

具体换算方法如图5所示：

设备装置空间坐标系以鱼体照片的水平方向长边为X轴，垂直方向宽边为Y轴，原点为X轴与Y轴交点；

鱼体坐标系的原点为鱼体照片中吻端所在位置，X轴为鱼体中轴线，Y轴为沿背鳍起点向x轴线所作的垂线；

激光打标机运动坐标系与设备装置空间坐标系重叠；

根据所述鱼体坐标系与激光打标机运动坐标系的映射关系，计算出鱼体照片中所有待打标点在激光打标机运动坐标系中的坐标；

映射关系为：

X₁＝X₂cosα+Y₂sinα+a；

Y₁＝Y₂cosα-X₂sinα+b；

其中，X₁、Y₁为打标机初始标记点在激光打标机运动坐标系中的坐标，X₂、Y₂为打标机初始标记点在鱼体坐标系中的坐标，α为激光打标机运动坐标系与鱼体坐标系的夹角，(a,b)为吻端在激光打标机运动坐标系中的坐标。

步骤四：激光打标机根据获得的打标区域坐标完成打标动作。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用摄像头拍摄处于拍摄位的水下有鳞鱼鱼体，对所获得鱼体照片进行分析计算和处理，构建鱼体坐标系并获取鱼体中心点坐标；

步骤二：在所述鱼体中心点附近选取若干鳞片作为标记鳞片，在所述标记鳞片上选取打标区域，并计算出鱼体坐标系下每个标记鳞片上打标区域的坐标；

步骤三：构建和计算激光打标机运动坐标系、设备装置空间坐标系和鱼体坐标系三者关系，对基于鱼体坐标系下取得的打标区域坐标进行计算和转换，获得打标区域在激光打标机运动坐标系中的坐标，并发送至打标机；

步骤四：激光打标机根据获得的打标区域坐标完成打标动作。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，对所述鱼体照片进行分析处理，构建鱼体坐标系，该流程包括：

对所述鱼体照片进行二值化处理，提取鱼体的完整边沿轮廓线；

对鱼体轮廓进行曲率尺度空间分析，找到鱼体存在的所有角点，所述角点包括吻端、尾鳍中心点和背鳍起点；

将吻端和尾鳍中心点的连线作为鱼体坐标系的x轴线，沿背鳍起点向x轴线作垂线，将所述吻端作为鱼体坐标系的原点，所述垂线的中点作为鱼体中心点。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，在所述鱼体中心点附近选取若干鳞片作为标记鳞片的方法如下：

以鱼体中心点所在鳞片为中心，对周边所有鱼鳞轮廓线进行识别和提取；

将鱼体中心点所在鳞片作为1号鳞片，按照顺时针螺旋方式依次对周边鳞片进行筛选和编号，并按照编号顺序进行登记和排序；

从所有已编号鳞片中选取前n个鳞片作为标记鳞片，所述n小于已编号鳞片数量。

4.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，在所述标记鳞片上选取打标区域的方法如下：

识别标记鳞片的中心点，以所述中心点作虚拟分割，将所述标记鳞片分割为远离弧形边的a、d区域和靠近弧形边的b、c区域；

在所述b、c区域上分别选取靠近弧形边的区域作为打标区域。

5.根据权利要求4所述的基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，所述虚拟分割的方式为：

沿中心点作直线，所述直线将当前标记鳞片分割为上下两个等面积区域；

沿中心点作弧线，所述弧线与当前标记鳞片的弧形边曲率相同；

所述直线上方，弧线左侧为a区域；

所述直线下方，弧线左侧为d区域；

所述直线上方，弧线右侧为b区域；

所述直线下方，弧线右侧为c区域。

6.根据权利要求3所述的基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，按照顺时针螺旋方式依次对周边鳞片进行编号时，仅对有效鳞片进行编号，所述有效鳞片识别方式为：

依据边沿提取算法，对鱼体中心点所在鳞片周边的所有鱼鳞轮廓线进行识别和提取，其中，能构成封闭区域且具备扇形曲线匹配特征的边沿曲线为鳞片边沿曲线；

对鳞片的封闭区域及鳞片边沿曲线做对称性分析，将鳞片边沿曲线的两个弦及弧形边满足对称要求，误差小于10％的鳞片作为有效鱼鳞。

7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，采用多个摄像头对活体鱼在装置中间的姿态进行连续拍照；

顶部摄像头对水下有鳞鱼进行拍照，获得鱼体的俯视照，并实时计算和监测，当监测到有鳞鱼游动至指定位置区域时，控制位于有鳞鱼侧面的侧位摄像头对鱼体进行拍照，获得所述水下有鳞鱼鱼体侧面全局照片和放大的局部照片。

8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的水下有鳞鱼激光打标方法，其特征在于，所述构建和计算激光打标机运动坐标系、设备装置空间坐标系和鱼体坐标系三者关系，对基于鱼体坐标系下取得的打标区域坐标进行计算和转换的方法为：

所述设备装置空间坐标系以鱼体照片的水平方向长边为X轴，垂直方向宽边为Y轴，原点为X轴与Y轴交点；

所述鱼体坐标系的原点为鱼体照片中吻端所在位置，X轴为鱼体中轴线，Y轴为沿背鳍起点向x轴线所作的垂线；

所述激光打标机运动坐标系与所述设备装置空间坐标系重叠；

根据所述鱼体坐标系与激光打标机运动坐标系的映射关系，计算出鱼体照片中所有待打标点在激光打标机运动坐标系中的坐标；

所述映射关系为：

X₁＝X₂cosα+Y₂sinα+a；

Y₁＝Y₂cosα-X₂sinα+b；、

其中，所述X₁、Y₁为打标机初始标记点在激光打标机运动坐标系中的坐标，所述X₂、Y₂为打标机初始标记点在鱼体坐标系中的坐标，α为激光打标机运动坐标系与鱼体坐标系的夹角，(a,b)为吻端在激光打标机运动坐标系中的坐标。