CN113591672B - 一种基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法 - Google Patents

一种基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及图像识别技术领域，涉及一种基于Mask‑Rcnn识别鱼类状态的检测方法，包括以下步骤：S1、对视频数据进行灰度化处理、压缩、间隔M1帧选取图像数据帧；S2、选取连续M2帧图像数据进行时空卷积和降采样处理；S3、对每个图像数据帧赋予一个标签；S4、对图像数据帧进行灰度化处理、压缩；S5、每个图像数据帧利用大小为m×m像素的滑窗分成t个分块；S6、判断标签数据二的值与所在图像的标签数据一的值相等。本发明通过K‑Means算法标签鱼饥饿状态；通过检测鱼白占比标签鱼的死亡；通过Mask‑Rcnn模型的Softmax分类器对鱼饥饿状态和死亡状态准确分类。

Description

一种基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法
技术领域
本发明涉及图像识别技术领域，尤其涉及一种基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法。
背景技术
在水产养殖业，饲料成本永远是所有投入中最大的项目，优化投喂方案将大大降低成本。附加地，饲料利润率的提升，也可以减少残饵降解产生的毒素，减轻环境和养殖水体的压力，所以现代化的养殖工艺中一个优秀的投喂方案是重中之重。
现有技术方案是使用人工投喂养殖，只能靠饲养人员的个人经验和观察料台来投喂饲料。而往往在水产养殖中，养殖生物处在不断的生长过程中，所以需要实时的调整投喂方案,于是需要开发可以识别鱼虾的生长特性，从而实现自动投喂的系统。
现有鱼类养殖中还存在以下问题：
1、投喂时间无法准确把控：鱼类处在不断的生长过程中，传统的人工养殖方式投喂饲料时间都是固定的，无法根据鱼类的饥饿状态判断何时投喂。
2、鱼类死亡无法及时监控：通常鱼类死亡一段时间后会浮出水面，此时氨化作用已经进行一大半，死鱼体内的油脂就已经开始外渗，未能及时发现和处理外渗的油脂就会对水体造成污染。
发明内容
本发明解决的技术问题：通过K-Means算法标签鱼饥饿状态，为准确提供投喂时间提供依据；通过检测鱼白占比标签鱼的死亡，从而准确打捞死鱼提供依据；通过Mask-Rcnn模型的Softmax分类器对鱼饥饿状态和死亡状态准确分类。
本发明所采用的技术方案：一种基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法，包括以下步骤：
S1、通过设置在鱼缸上的摄像机采集鱼类视频流数据，从采集到的视频流数据中选取一段数据作为视频数据一，对视频数据一进行灰度化处理、压缩、间隔M1帧选取一个图像数据帧形成样本一；
S2、对样本一中选取连续M2帧图像数据进行时空卷积和降采样处理；
S3、对样本一的每个图像数据帧赋予一个标签数据一，如果正常行为状态标签为1，异常行为状态为2；
S4、再对样本一中的图像数据帧进行灰度化处理、压缩，在压缩后的图像数据帧中，间隔M3帧选取一个图像数据帧形成样本二；
S5、将样本二中的每个图像数据帧利用大小为m×m像素的滑窗分成t个分块；
S6、给每个分块赋予一个标签数据二，当标签数据二的值与所在图像的标签数据一的值相等时，进入下一步；
S7、将所有分块融合成一个m×m×t行、n列的输入矩阵，同时形成一个n行、1列的标签矩阵；对输入矩阵和标签矩阵求互信息，并求出每m×m行的互信息总和，对各互信息总和降序排序；保留互信息总和排序第一的行、n列的矩阵，并按列拆解，对某一列，每m行作为新矩阵的一列，形成m行m列的新矩阵，对每个新矩阵做转置，最终获得n个大小为m×m的新分块矩阵；
S8、对S7得到的n个互信息最高的新分块矩阵，按每M4帧个连续分块的输入矩阵进行时空卷积和降采样处理，得到M5帧个特征图及对应的标签矩阵；
S9、将S8得到的M5帧个特征图与标签矩阵输入Mask-Rcnn模型的Softmax分类器中进行训练；
S10、从采集到鱼视频数据中再选取一段数据作为视频数据二(视频数据一和视频数据二不重复)，对视频数据二图像数据帧进行灰度化处理，压缩，每隔M6帧选取一个图像数据帧形成测试样本，对测试样本进行时空卷积和降采样处理；
S11、将S10测试样本数据输入训练好的Mask-Rcnn模型，验证Mask-Rcnn模型的准确性。
进一步的，所述S3的异常行为状态包括鱼饥饿状态和死亡状态。
进一步的，鱼饥饿状态检测包括：
S311、获取鱼体的坐标参数，计算出鱼的特征点坐标；
采用Opencv库函数cornerHarris()对鱼的图像进行检测，获取鱼的特征点坐标；
S312、使用坐标系绘制鱼体的特征点图；
使用python绘图库函数Matplotlib对鱼的特征点进行绘制；
S313、使用K-Means聚类算法求出聚类块、中心点、密集度参数；
求聚类块、中心点计算过程如下：
a)从输入的数据点集合中随机选择一个点作为第一个聚类中心μ1；
b)对于数据集中的每一个点xi，计算它与已选择的聚类中心中最近聚类中心的距离D(xi)＝argmin||xi-μr||^2……r＝1,2,...k；
c)选择下一个新的数据点作为新的聚类中心，选择的原则是：D(x)较大的点，被选取作为聚类中心的概率较大；
d)重复b和c直到选择出k个聚类质心；
e)利用这k个质心来作为初始化质心去运行标准的K-Means算法；
求密集度过程：
针对每个聚类块中最外侧的点，将其两两相连，计算其覆盖面积S1，然后再选取该聚类最外侧的点，计算其与中心点的距离L，计算以L为半径的圆的面积S2，密集度为S1/S2；
从而计算出饥饿程度＝密集度×聚类块的面积占比；
其中，聚类块面积占比＝聚类块面积Xn/聚类块总面积为X；使用Opencv库中的contourArea()函数，计算得到每个聚类块的面积X1，2，3…n，对其求和，可得到聚类块总面积X，第n个聚类块的面积占比即为Xn/X；
S314、按照不同的聚类块进行分类(如A、B、C组)，针对每个聚类块进行求中心以及计算点密度操作；
S315、对比投喂食前后，鱼食附近聚类块的密集度变化；如果在短时间内(30秒内)，密集度显著增大，比如从20％增加至60％，便判断鱼为饥饿状态；
进一步的，鱼死亡检测包括：
S321、利用Python-opencv库对图像数据的鱼特征点坐标对鱼体部分进行ROI的区域提取，得到鱼的图像面积Y；
采用hsv模型进行提取，hsv模型中颜色的参数分别是：色调(h：hue)，饱和度(s：saturation)，亮度(v：value)，对于白色，其hsv参数如下：h:0～180；s:0～30；v:221～255；
S322、将图像进行二值化处理、二值化是指将图像过滤为只有黑白两色，便于对鱼白部分的提取；
将图像进行直方图均衡化处理，接着使用opencv库中的inRange()函数对图像进行颜色检测，设置hsv的阈值为h:0～180；s:0～30；v:221～255；
S323、检测提取图像中鱼白的占比，计算公式为Y1/Y，例如当鱼白占比大于阈值30％时，则判断为鱼死亡；
通过inRange()函数得到二值化图像，使用opencv函数findContours()提取该图像中的轮廓，接着再使用contourArea()函数便可计算出鱼白的图像面积Y1；
进一步的，当鱼死亡达到一定数量后，联动检测系统发出警告，检测系统根据鱼缸中的死鱼数达到预警值触发系统告警提示。
本发明的有益效果是：
1、利用K-Means算法准确标签鱼饥饿状态；
2、通过检测鱼白占比，准确标签鱼的死亡状态；
3、通过Mask-Rcnn模型的Softmax分类器对鱼饥饿状态和死亡状态准确分类。
附图说明
图1是本发明基于基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法流程图；
图2是本发明鱼饥饿状态和正常状态的效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种基于基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法，如图1所示，S1、对采集到的视频流数据中选取一段数据作为视频数据一，对视频数据一进行灰度化处理、压缩、间隔100ms帧选取一个图像数据帧形成样本一；
S2、对样本一中选取连续10ms帧图像数据进行时空卷积和降采样处理；
S3、对样本一的每个图像数据帧赋予一个标签数据一，如果正常行为状态标签为1，异常行为状态为2；
S4、再对样本一中的图像数据帧进行灰度化处理、压缩，在压缩后的图像数据帧中，间隔10ms帧选取一个图像数据帧形成样本二；
S15、将样本二中的每个图像数据帧利用大小为256×256像素的滑窗分成10个分块；
S16、给每个分块赋予一个标签数据二，当标签数据二的值与所在图像的标签数据一的值相，进入下一步；
S7、将所有分块融合成一个256×256×10行、10列的输入矩阵，同时形成一个10行、1列的标签矩阵；对输入矩阵和标签矩阵求互信息，并求出每256×256行的互信息总和，对各互信息总和降序排序；保留互信息总和排序第一的行、10列的矩阵，并按列拆解，对某一列，每256行作为新矩阵的每一列，形成256行256列的新矩阵，对每个新矩阵做转置，最终获得10个大小为256×256的新分块矩阵；
S18、对S7得到的10个互信息最高的新分块矩阵，按每10ms帧个连续分块的输入矩阵进行时空卷积和降采样处理，得到10ms帧个特征图及对应的标签矩阵；
S19、将S18得到的10ms帧个特征图与标签矩阵输入Mask-Rcnn模型的Softmax分类器中进行训练；
S20、从采集到鱼视频数据中再选取一段数据作为视频数据二(视频数据一和视频数据二不重复)，对视频数据二图像数据帧进行灰度化处理，压缩，每隔10ms帧选取一个图像数据帧形成测试样本，对测试样本进行时空卷积和降采样处理；
S21、将S20测试样本数据输入训练好的Mask-Rcnn模型，验证Mask-Rcnn模型的准确性
进一步的，鱼饥饿状态检测包括：
S311、获取鱼体的坐标参数，计算出鱼的特征点坐标；
S312、使用坐标系绘制出这些点；
S313、使用K-Means聚类算法求出聚类块、中心点、密集度参数；
求聚类块、中心点：
a)从输入的数据点集合中随机选择一个点作为第一个聚类中心μ1；
b)对于数据集中的每一个点xi，计算它与已选择的聚类中心中最近聚类中心的距离D(xi)＝argmin||xi-μr||^2……r＝1,2,...k；
S314、按照不同的聚类块进行分类(如A、B、C组)，针对每个聚类块进行求中心以及计算点密度操作；
S315、对比投喂食前后，鱼食附近聚类块的密集度变化；指如果在短时间内，密集度由20％增加60％，便判断鱼为饥饿状态；
如图2所示为十四条鱼正常状态和饥饿状态下的特征点坐标图，图2的右图中左下角鱼群密集度明显增大，鱼为饥饿状态。
进一步的，鱼死亡检测包括：
S321、利用Python-opencv库对图像数据的鱼特征点坐标对鱼体部分进行ROI的区域提取；
S322、将图像进行二值化处理、二值化是指将图像过滤为只有黑白两色，便于对鱼白部分的提取；
S323、检测提取图像中鱼白的占比，当鱼白占比大于30％，则判断为鱼死亡。
本发明的有益效果：利用图像识别和Mask-Rcnn算法准确计算鱼的长度，并根据长度计算出重量，从而准确计算出饲料投喂量。利用K-Means算法，准确标签鱼饥饿状态；通过检测鱼白占比准确标签鱼的死亡状态。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (3)

1.一种基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、从采集到的视频流数据中选取一段数据作为视频数据一，对视频数据一进行灰度化处理、压缩、间隔M1帧选取一个图像数据帧形成样本一；
S2、对样本一中选取连续M2帧图像数据进行时空卷积和降采样处理；
S3、对样本一的每个图像数据帧赋予一个标签数据一，标签为正常行为状态和异常行为状态；
S4、对样本一中的图像数据帧进行灰度化处理、压缩，在压缩后的图像数据帧中，间隔M3帧选取一个图像数据帧形成样本二；
S5、将样本二中的每个图像数据帧利用大小为m×m像素的滑窗分成t个分块；
S6、给每个分块赋予一个标签数据二，当标签数据二的值与所在图像的标签数据一的值相等时，进入下一步；
S7、将所有分块融合成一个m×m×t行、n列的输入矩阵，同时形成n行、1列的标签矩阵；对输入矩阵和标签矩阵求互信息，并求出每m×m行的互信息总和，对各互信息总和降序排序；保留互信息总和排序第一的行、n列的矩阵，并按列拆解，对某一列，每m行作为新矩阵的一列，形成m行m列的新矩阵，对每个新矩阵做转置，最终获得n个大小为m×m的新分块矩阵；
S8、对所述S7得到的n个互信息最高的新分块矩阵，按每M4帧个连续分块的输入矩阵进行时空卷积和降采样处理，得到M5帧特征图及对应的标签矩阵；
S9、将所述S8得到的M5帧个特征图与标签矩阵输入Mask-Rcnn模型的Softmax分类器中进行训练；
S10、从采集到鱼视频数据中再选取一段数据作为视频数据二，对视频数据二图像数据帧进行灰度化处理，压缩，每隔M6帧选取一个图像数据帧形成测试样本，对测试样本进行时空卷积和降采样处理；
S11、将所述S10测试样本数据输入训练好的Mask-Rcnn模型，验证Mask-Rcnn模型的准确性；
S3的异常行为状态包括鱼饥饿状态和鱼死亡状态；
鱼饥饿状态检测包括：
S311、获取鱼体的坐标参数，计算出鱼的特征点坐标；
S312、使用坐标系绘制鱼体的特征点图；
S313、使用K-Means聚类算法求出聚类块、中心点、密集度参数；
求聚类块、中心点计算过程如下：
a)从输入的数据点集合中随机选择一个点作为第一个聚类中心μ1；
b)对于数据集中的每一个点xi，计算它与已选择的聚类中心中最近聚类中心的距离D(xi)＝argmin||xi-μr||^2……r＝1,2,...k；
c)选择下一个新的数据点作为新的聚类中心，选择的原则是：D(x)较大的点，被选取作为聚类中心的概率较大；
d)重复b和c直到选择出k个聚类质心；
e)利用这k个质心来作为初始化质心去运行标准的K-Means算法；
求密集度过程：
针对每个聚类块中最外侧的点，将其两两相连，计算其覆盖面积S1，然后再选取该聚类最外侧的点，计算其与中心点的距离L，计算以L为半径的圆的面积S2，密集度为S1/S2；
S314、按照不同的聚类块进行分类为A、B、C组，针对每个聚类块进行求中心点、密集度参数；
S315、对比投喂食前后，根据鱼食附近聚类块的密集度变化，判断鱼为饥饿状态。
2.如权利要求1所述的基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法，其特征在于，
鱼死亡状态包括：
S321、利用Python-opencv库对图像数据的鱼特征点坐标对鱼体部分进行ROI的区域提取；
S322、将图像进行二值化处理、二值化是指将图像过滤为只有黑白两色，便于对鱼白部分的提取；
S323、检测提取图像中鱼白的占比，当鱼白占比大于阈值，则判断为鱼死亡。
3.如权利要求2所述的基于Mask-Rcnn识别鱼类状态的检测方法，其特征在于，当所述鱼死亡达到一定数量后，联动检测系统发出警告。
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