CN113984763A - 一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及方法，实验装置包括：光照稳定箱、培养皿、摄像头云台、计算机处理器；摄像头云台设置在所述光照稳定箱外部的上表面，与光照稳定箱连接；培养皿放置在所述光照稳定箱的内部；摄像头云台与所述计算机处理器连接，将获取的图像数据发送至所述计算机处理器。可以广泛应用于空间型驱虫剂。其实验效果稳定。该实验装置由3部分组成，分别为用于放置实验对象的光照稳定箱，用于实时采集实验对象行为的摄像头云台和实时图像处理和运算的计算机。本实验发明不仅公开了一种装置简单，成本低廉，实验快速，操作便捷的驱虫实验设备，还公开了一种充分考虑实验对象自然习性和群体习性的实验方法，提高了驱虫实验的精准性及效率。

Description

一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及方法

技术领域

本发明涉及驱虫实验领域，尤其涉及一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及方法。

背景技术

在粮食安全日益重要的现在，储量害虫不仅使粮食储藏过程中粮食质量数量下降，同时排泄物和尸体也导致储藏环境的恶化，储量害虫严重危害着粮食安全。化学防护剂有效保护粮食免受储量害虫的侵害，但在长期的使用下，储粮害虫对多种类型的化学防护剂产生了不同程度的抗性，同时化学防护剂的使用也给粮食安全增加了风险。天然的驱虫剂凭借其生态环保、绿色高效、安全无污染的特点，受到了越来越多的关注，不仅用于粮食储备，在图书和衣物储藏方面也受欢迎。各类企业、高校、研究院所以及国家粮食储备部门正在研发具有驱虫作用的各类天然驱虫剂。同时也亟需一种能够高效快速判断驱虫剂药效实验的装置和方法。

目前传统鉴定驱虫实验的方法主要为以空间内存在数量差异为基准的实验方法，忽略了实验对象的社会群体性，实验操作粗糙，外界影响大，实验具有结果不准确不稳定等缺点。其中最重要的是上述实验方法缺少对实验对象行为学上的观测，忽视了实验对象的行为惯性以及群体对个体行为学影响。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置。

一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置，所述实验装置包括：光照稳定箱、培养皿、摄像头云台、计算机处理器；

所述摄像头云台设置在所述光照稳定箱外部的上表面，与所述光照稳定箱连接；

所述培养皿放置在所述光照稳定箱的内部；

所述摄像头云台与所述计算机处理器连接，将获取的图像数据发送至所述计算机处理器。

可选的，所述光照稳定箱还包括：LED补光灯、无影灯罩；

所述LED补光灯设置在所述光照稳定箱的顶部；

所述无影灯罩罩在所述LED补光灯上。

可选的，所述光照稳定箱还包括：漫反射套，用于包裹所述摄像头云台。

可选的，所述摄像头云台的像素为640×480。

可选的，所述计算机处理器具体包括：视觉识别跟踪单元、数据保存单元、数据处理单元、实时展示单元和结果导出单元。本发明还提供了一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验方法，所述实验方法包括：

空白对照实验：将所述培养皿更换一张新滤纸，下皿放置一只实验对象；

采集所述实验对象行为视频5分钟，将所述光照稳定箱连同所述培养皿旋转90°，180°，270°后依次观察5分钟，共计观察20分钟；

驱避实验：所述稳定光照箱内培养皿更换一张新滤纸，在距离滤纸边缘一个实验对象大小的位置上放置浸满驱虫剂的直径为一个实验对象身长的加药片；

向所述培养皿中放置实验对象，盖上皿盖；

打开所述摄像机云台，计算机观测程序，采集视频数据并实时跟踪实验对象位置；

观测5分钟后，旋转光照稳定箱90°，180°和270°各观测5分钟；

更换滤纸，加药片以及实验对象，重复上述步骤5次；获得实验观测数据；

将所述实验观测数据进行数据处理，获得实验结果。

可选的，所述将所述实验观测数据进行数据处理，获得实验结果具体包括：

根据计算机实时采集的实验对象运动轨迹，利用视觉识别技术跟踪实验对象的运动轨迹，收集保存实验对象的实时位置坐标，绘制实验对象的运动轨迹；

根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，绘制实验对象在培养皿内的停留场景热图；

根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，计算实验对象到加药点的实时距离，将获取的距离数据绘制岭图；

计算公式如下：

式中：d为实验对象到加药点的距离，x_i为实验对象实时位置的横坐标，y_i为实时位置的纵坐标，x₀为加药点的横坐标，y₀为加药点的纵坐标。

所述将所述实验观测数据进行数据处理，获得实验结果具体包括：

根据计算机实时采集的实验对象运动视频，利用视觉识别技术跟踪实验对象的运动轨迹，收集保存实验对象的实时位置坐标，绘制实验对象的运动轨迹；

根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，绘制实验对象在培养皿内的停留场景热图；

根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，计算实验对象到加药点的实时距离，将获取的距离数据绘制山图；

计算公式如下：

式中：d为实验对象到加药点的距离，x_i为实验对象实时位置的横坐标，y_i为实时位置的纵坐标，x₀为加药点的横坐标，y₀为加药点的纵坐标。

本发明提供的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及方法，所述实验装置包括：光照稳定箱、培养皿、摄像头云台、计算机处理器；所述摄像头云台设置在所述光照稳定箱外部的上表面，与所述光照稳定箱连接；所述培养皿放置在所述光照稳定箱的内部；所述摄像头云台与所述计算机处理器连接，将获取的图像数据发送至所述计算机处理器。可以广泛应用于空间型驱虫剂。其实验效果稳定。该实验装置由3部分组成，分别为用于放置实验对象的光照稳定箱，用于实时采集实验对象行为的摄像头云台和实时图像处理和运算的计算机。本实验发明不仅公开了一种装置简单，成本低廉，实验快速，操作便捷的驱虫实验设备，还公开了一种基于视觉识别的驱虫实验方法，提高驱虫实验的精准性及效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述条目和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置的结构示意图；

图2为本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验方法的流程图；

图3为本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置的视觉识别过程图；

图4为本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及实验方法的实时跟踪轨迹展示窗口；

图5为本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及实验方法中利用运动坐标文件绘制的运动轨迹图；

图6为本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及实验方法中利用运动坐标文件绘制的运动停留场景热图；

图7为本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置及实验方法中利用运动坐标文件与加药点坐标计算并绘制的离加药点距离的岭图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示：针对传统驱虫剂实验装置存在的笨重、不易组装、场地要求大、所需实验对象数目多、观察时间长、操作繁琐、忽视个体行为学习惯、忽视实验样本群体对个体的影响以及实验结果统计粗糙等缺点，特研制了本实验装置并设计了新的实验方法。本发明采取如下技术方案，主要原理基于视觉识别技术，对实验对象进行识别并跟踪其活动轨迹，根据驱虫剂对实验对象活动行为的影响，从而鉴定驱虫剂的药效强弱。本实验装置包括光照稳定箱，其大小为20cm×20cm×30cm；培养皿，其直径为9cm；摄像头云台，其像素为640×480；和计算机处理器，其为且不限于Windows、Linux系统，内置opencv软件和Python操作环境。

计算机模块为python编译基于opencv的包括视觉识别跟踪单元、数据保存单元、数据处理单元、实时展示单元和结果导出单元。

计算机模块中视觉识别跟踪单元算法选择为opencv中的颜色轮廓识别算法。

如图2所示，本发明一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验方法，包括以下步骤：

(一)空白实验

(1)培养皿中更换新的滤纸片，在距离滤纸边缘一个实验对象大小的位置放置直径2mm的空白对照加药片，放置实验对象，盖上皿盖。打开摄像头云台，打开计算机观测程序，开始采集视频数据并实时跟踪实验对象位置；

(2)观测5分钟后，旋转光照稳定箱90°，180°和270°各观测5分钟,共计观察20分钟；

(二)驱避实验

(1)稳定光照箱内培养皿更换一张新滤纸，在距离滤纸边缘一个实验对象大小的位置放置浸满驱虫剂的直径为一个实验对象身长的加药片；

(2)向培养皿中随机放置实验对象，盖上皿盖。打开摄像机云台模块，打开计算机观测程序，开始采集视频数据并实时跟踪实验对象位置；

(3)观测5分钟后，旋转光照稳定箱90°，180°和270°各观测5分钟；

(4)更换滤纸，加药片以及实验对象，重复上述(2)(3)步骤5次。确保实验的可重复性；

(三)数据处理，如图3和图4所示；

(1)根据计算机实时采集的实验对象运动轨迹，利用视觉识别技术跟踪实验对象的运动轨迹，收集保存实验对象的实时位置坐标，绘制实验对象的运动轨迹。

(2)根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，绘制实验对象在培养皿内的停留场景热图。

(3)根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，计算实验对象到加药点的实时距离，将获取的距离数据绘制岭图。计算公式如下：

式中：d为实验对象到加药点的距离，x_i为实验对象实时位置的横坐标，y_i为实时位置的纵坐标，x₀为加药点的横坐标，y₀为加药点的纵坐标。

本发明的原理：驱虫剂药效分子在培养皿内自由扩散，实验对象受到驱虫剂影响，其自然发生躲避活动行为，具体体现为绕行和远离躲避。通过计算机视觉识别实验对象，跟踪实验对象的活动轨迹，保存实验对象的位置坐标，绘制停留场景热图，计算实验对象距离驱虫剂的平均距离，判定驱虫剂的药效程度。

原理：为规避实验对象暂留气味对其活动行为的影响，每次实验前需更换新的滤纸片。为规避实验对象探索边缘的自然习性，特将加药片放置在培养皿边缘位置处。为规避实验对象的趋北自然习性，特需要转换角度进行重复实验。为规避驱虫剂分子扩散充满整个培养皿空间，特将实验时间设置为5分钟。为规避实验对象群体对个体的社会影响，特将实验对象设置为单独实验。

原理：计算机视觉识别采用的是opencv颜色轮廓识别算法。由摄像头云台采集录像，实时转化成单帧图像进行分析，首先将每帧图像重定义大小为800×600的规范大小，然后执行高斯滤波消除实验主体的图像细节，再执行HSV颜色转换，接着执行二值化和MASK溶胀突出实验对象和背景的差异并识别轮廓。最后运用颜色轮廓识别算法进行识别和实时跟踪。

实施例：驱虫剂A的驱避药效实验如下：

实验准备

实验条件：温度为(25±2)℃，相对湿度为(40±10)％

打开计算机监控实验程序，稳定光照稳定箱光源，更换新的滤纸片，放置实验对象，盖上培养皿上盖，启动计算机程序，开始跟踪并保存实验对象的实时位置坐标，5分钟后，旋转光照稳定箱90°，180°，270°各观测5分钟。更换滤纸片和实验对象进行重复实验

驱避实验

更换新的滤纸片，在距离滤纸片边缘一个实验对象大小的位置上放置直径2mm的加药片，放置实验对象，盖上培养皿上盖，启动计算机程序，开始跟踪并保存实验对象的实时位置坐标，5分钟后，旋转光照稳定箱90°，180°，270°各观测5分钟。更换滤纸片和实验对象进行重复实验

数据计算与结果绘制

根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，计算实验对象到加药点的实时距离，将获取的距离数据绘制岭图。计算公式如下：

式中：d代表实验对象到加药点的距离，x_i代表实验对象实时位置的横坐标，y_i代表实时位置的纵坐标，x0代表加药点的横坐标，y0代表加药点的纵坐标。

实验对象离加药点的平均距离计算公式：

式中

代表平均距离，i代表每一帧图像，n代表所有帧数，t代表共识别跟踪时间，视频为一秒播放27帧。

测试结果：

测试结果实验对象轨迹图如图5所示，测试结果实验对象停留场景热图如图6所示；

测试结果实验对象离加药点平均距离

测试结果实验对象离加药点距离岭图如图7。

有益效果：

1、本发明设计的实验装置结构简单，构造单一，对实验环境的要求低，可以满足大多数实验室的环境要求。

2、本发明基于视觉识别技术，相较于传统空间计数实验，其具有准确率高的优点。

3、本发明装置重点以观测实验对象的行为和运动轨迹来判断驱虫剂的药效，相较于传统药效试验更具有合理性，且避免了群体对个体影响。

4、本发明装置将加药点设置在培养皿边缘处，充分考虑到实验对象探索边缘的固有生活习性，实验设置更为合理。

5、本发明实验方法设置了4种角度各5分钟的观察实验，相较于传统实验方法，充分考虑到实验对象的趋北性，避免了实验误差。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置，其特征在于，所述实验装置包括：光照稳定箱、培养皿、摄像头云台、计算机处理器；

所述摄像头云台设置在所述光照稳定箱外部的上表面，与所述光照稳定箱连接；

所述培养皿放置在所述光照稳定箱的内部；

所述摄像头云台与所述计算机处理器连接，将获取的图像数据发送至所述计算机处理器。

2.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置，其特征在于，所述光照稳定箱还包括：LED补光灯、无影灯罩；

所述LED补光灯设置在所述光照稳定箱的顶部；

所述无影灯罩罩在所述LED补光灯上。

3.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置，其特征在于，所述光照稳定箱还包括：漫反射套，用于包裹所述摄像头云台。

4.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置，其特征在于，所述摄像头云台的像素为640×480。

5.根据权利要求1所述的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置，其特征在于，所述计算机处理器具体包括：视觉识别跟踪单元、数据保存单元、数据处理单元、实时展示单元和结果导出单元。

6.一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验方法，应用上述权利要求1-5所述的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验装置，其特征在于，所述实验方法包括：

空白对照实验：将所述培养皿更换一张新滤纸，下皿放置一只实验对象；

采集所述实验对象行为视频5分钟，将所述光照稳定箱连同所述培养皿旋转90°，180°，270°后依次观察5分钟，共计观察20分钟；

驱避实验：所述稳定光照箱内培养皿更换一张新滤纸，在距离滤纸边缘一个实验对象大小的位置上放置浸满驱虫剂的直径为一个实验对象身长的加药片；

向所述培养皿中放置实验对象，盖上皿盖；

打开所述摄像机云台，计算机观测程序，采集视频数据并实时跟踪实验对象位置；

观测5分钟后，旋转光照稳定箱90°，180°和270°各观测5分钟；

更换滤纸，加药片以及实验对象，重复上述步骤5次；获得实验观测数据；

将所述实验观测数据进行数据处理，获得实验结果。

7.根据权利要求6所述的一种基于视觉识别的驱虫剂药效实验方法，其特征在于，所述将所述实验观测数据进行数据处理，获得实验结果具体包括：

根据计算机实时采集的实验对象运动视频，利用视觉识别技术跟踪实验对象的运动轨迹，收集保存实验对象的实时位置坐标，绘制实验对象的运动轨迹；

根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，绘制实验对象在培养皿内的停留场景热图；

根据计算机实时获取的实验对象位置坐标，计算实验对象到加药点的实时距离，将获取的距离数据绘制岭图；

计算公式如下：

式中：d为实验对象到加药点的距离，x_i为实验对象实时位置的横坐标，y_i为实时位置的纵坐标，x₀为加药点的横坐标，y₀为加药点的纵坐标。

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