CN114441448B - 一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法 - Google Patents
一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114441448B CN114441448B CN202210048977.5A CN202210048977A CN114441448B CN 114441448 B CN114441448 B CN 114441448B CN 202210048977 A CN202210048977 A CN 202210048977A CN 114441448 B CN114441448 B CN 114441448B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- experimental
- polarized light
- data
- light source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 title claims abstract description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 75
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 63
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 claims abstract description 17
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 15
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 13
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 11
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 7
- 238000005276 aerator Methods 0.000 claims description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims description 4
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 claims description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 239000008213 purified water Substances 0.000 claims description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 claims description 2
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 claims description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 2
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003938 response to stress Effects 0.000 claims description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims 2
- 230000009182 swimming Effects 0.000 claims 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 abstract description 28
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 8
- 230000004791 biological behavior Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 abstract 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 abstract 1
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 210000000110 microvilli Anatomy 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 2
- 108091008695 photoreceptors Proteins 0.000 description 2
- 206010021143 Hypoxia Diseases 0.000 description 1
- 241000238413 Octopus Species 0.000 description 1
- 241000251539 Vertebrata <Metazoa> Species 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000007177 brain activity Effects 0.000 description 1
- 230000004456 color vision Effects 0.000 description 1
- 238000013499 data model Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 210000002291 invertebrate photoreceptor cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 238000006213 oxygenation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 244000062645 predators Species 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000000528 statistical test Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N5/00—Details of television systems
- H04N5/76—Television signal recording
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法，其系统包括：信号控制模块、光源驱动模块、偏振光源模块、实验模块、水循环及净化模块、高清摄像模块。在信号控制模块的驱动下，光源驱动模块驱动偏振光源模块发射出偏振光，实验生物产生应激反应，高清摄像模块记录实验生物的运动轨迹和身形姿势，水循环及净化模块提供生物所需要的氧气和健康的水体环境，实验系统及方法通过改变偏振角度及波长，记录水生生物的实验数据，利用统计学方法量化水生生物对偏振刺激的反应，实现了对水生生物在偏振光照射的行为的检测，完成了对偏振视觉的验证，对生物行为机理的研究具有重要意义。
Description
技术领域
本发明应用于生物行为研究、分析、光学测量领域，具体是一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法。
背景技术
现代的通信方式在陆地上往往采用的是电磁波的无线通信，但是在水下通信主要是采用声波和一些短波长的电磁波进行信息的传递，这一点主要是由于电磁波在水中和空气中的传播特性不同，水中由于浮游颗粒和水环境复杂，电磁波从空气入射到水下时，会经历指数级别的衰减，波长越长，衰减越大，水中的浮游颗粒越多，电导率越高，衰减也越大，并且水中有复杂的散射和折射机制，导致水中的电磁波穿透距离非常不稳定，但是对于光的偏振来说，水下的偏振信息并不会随着深度的加深而改变，因此如果能对偏振信息进行识别，对于导航、生物伪装、目标检测和识别都有重要意义。
长期在水中生存的生物们因此进化出了独特的视觉模式，他们不需要特别灵敏的光强敏感型的色彩视觉感知能力，而是针对光的偏振这个属性进行独特的识别机制，这就是偏振视觉或者偏振敏感性。偏振灵敏度的感知来源于生物的独特的生理结构，这种生理结构在脊椎动物的光感受器中称为微绒毛。无脊椎动物的光感受器通常会有大量的排列整齐的微绒毛构成，当光入射到光感受器，会被微绒毛中的生色团吸收，进而产生生物电流，偏振所携带的信息这样就被生物所感知。研究偏振视觉有利于我们研究不同的生物在自然界中的各种目前难以解释的行为，比如招潮蟹能在太阳落山时找到自己的窝、章鱼能够分辨带有偏振信号的捕食者等等。
因此，偏振视觉对于水生生物而言，可能具备比颜色视觉更加强大的作用或功能，这对于现代仿生研究以及探索生物感知及大脑活动具有重要意义，然而由于水体环境复杂，可能存在许多干扰因素，同时如何合理量化生物应激行为也成为研究偏振视觉的一个重大难题，迫切需要一种可以对水生生物而言可行的偏振刺激行为检测手段，来进一步研究水下生物识别偏振光的机理，偏振视觉的研究对复杂环境下的成像和导航领域而言具有极其重要的借鉴作用，特别是水下偏振光导航、水下偏振成像等领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统，其包括：
偏振光源模块，用于提供可改变偏振方向的偏振光；
光源驱动模块，用于驱动偏振光源模块发射出光束；
水循环及净化模块，用于净化水质环境并提供氧气。
高清摄像模块，用于记录生物的运动轨迹、身形姿势；
实验模块，用于提供实验空间，保证生物在无偏向性的环境中进行实验，所述实验模块分别与所述水循环及净化模块、所述高清摄像模块和偏振光源模块相连接；
信号控制模块，分别与所述光源驱动模块、所述高清摄像模块和所述水循环及净化模块相连接，用于控制光源驱动模块和水循环及净化模块和高清摄像模块的工作参数。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述信号控制模块包括显示设备和输入设备，所述显示设备用于实时显示光源和水循环以及数据流参数，所述输入设备用于输入各项参数以控制所述光源驱动模块和所述水循环及净化模块和高清摄像模块工作。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述光源驱动模块用于同时驱动不同波长的多个光源，并通过所述信号控制模块的外部或者内部信号对光源进行调制。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述偏振光源模块包括可旋转式偏振片和多个光源，所述光源在所述光源驱动模块驱动下向可旋转式偏振片输出光束，可旋转式偏振片用于调控出射光束的偏振角度。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述水循环及净化模块包括增氧机、加压水泵、过滤器和输水软管，所述增氧机用于向水体输送氧气，所述加压水泵和过滤器相连，加压水泵抽离所述实验模块中的水至过滤器中净化，并将净化后的水重新打入实验模块。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述高清摄像模块为两组，一组放置于实验模块底部，用于自下而上拍摄实验生物对偏振光刺激产生的反应，另一组放置于实验模块内壁上侧，通过自上而下的视角拍摄实验生物对于偏振光刺激产生的反应。
一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测方法，包括如下步骤：
S01、光源位置、高度和角度的调整，并设置光源参数，启动高清摄像模块和水循环及净化模块；
S02、移除偏振片，将实验生物放置于实验模块底部中心点位置，偏振光源模块输出非偏振光束照射实验模块，并记录实验生物活动数据；
S03、对多组实验生物重复S02步骤，得到一组非偏振光照射下的实验数据Data-Non，数据包括偏振角度和行为数据；
S04、加入偏振片，设置偏振角度为0°，将实验生物放置于实验模块底部中心点位置，偏振光源模块输出非偏振光束照射实验模块，并记录实验生物活动数据；
S05、对多组实验生物重复S04步骤，得到一组实验生物在偏振角度为0°的偏振光照射下的实验数据Data-0；
S06、改变偏振角度，分别设置偏振角度为45°、90°、135°，重复S04-S05步骤，得到实验数据Data-45、Data-90、Data-135；
S07、对实验数据进行统计学差异性检验，Data-Non分别对Data-0、Data-45、Data-90、Data-135针对入射光是否为偏振光这一条件进行分组Mann-Whitney检验，被检验变量是鲍鱼的分布位置变量，对检验P值和显著性水平0.05进行大小比较，得到鲍鱼在各角度偏振光下和非偏振光下的行为是否存在统计学差异；
S08、根据实验生物在各角度偏振光下和非偏振光下的行为是否存在统计学差异进行实验；若存在统计学差异，判断实验生物对0°、45°、90°、135°的该波长范围的偏振光敏感，根据行为数据分析实验生物对于偏振光是否产生了逃逸反应，进一步细分偏振角度并重复S01-S07步骤分析实验生物对偏振光的喜好，结合电生理实验分析生物对偏振的识别机制，若不存在统计学差异，判断实验生物对0°、45°、90°、135°的该波长范围的偏振光不敏感，重新调整光源波长和偏振角度，重复S01-S07步骤，研究不同波段下实验生物的偏振视觉；
S09、将Data-0、Data-90为一组，Data-45和Data-135为一组，对两组实验数据分别进行Mann-Whitney检验，验证在改变偏振方向后，实验生物的行为分布是否对应产生了显著性变化，若产生了显著性变化则表明该生物对此波段的偏振光产生了应激反应，该生物具有此波段的偏振视觉；若没有产生显著性变化，则该生物对此波段的偏振光不产生应激反应，该生物不具有此波段的偏振视觉。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述步骤S03中的行为数据具体包括：由高清摄像模块得到的最终位置、行动轨迹、行进速度和身形姿态数据。
作为一种可能的实施方式，进一步的，所述步骤S08中的进一步细分偏振角度的间隔小于15度。
本发明采用以上技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明通过信号控制模块的输入设备可以非常方便的控制光源的各项参数，进而控制实验变量，避免了人工更换光源的繁琐操作，操作更加方便的同时避免更换光源或是改变光强、偏振角等参数引起了实验环境的突然变化导致的实验结果的误差，以尽可能柔性的方式调整实验变量，制造一个更加沉浸式的实验环境，以尽可能模拟野外的自然环境，增加实验的可信度。
(2)本发明使用了统计学检验方法，当对于统计学分布模型未知的数据，不确定其是否符合正态分布，因此采用了Mann-Whitney检验，每次最终位置进行检验，分组变量为光束是否为偏振光，由于统计学的定量研究具有客观、准确、可检验的优点，因此分析后的实验数据更具有科学性和说服力。
(3)本发明使用水循环及净水模块，对于水生生物而言，当缺氧或者水质不佳时，往往对实验结果会产生很大影响，因此本发明通过水循环保证水质健康，用增氧设备保证水下氧含量充分，进一步保证了实验结果的准确性，同时避免了人工换水带来的劳动力成本。
(4)本发明采用的光源可以经过外部信号调制输出，也可以固定光强输出，满足了后续实验设计的可变性和灵活性。
(5)本发明采用的高清摄像模块中内有两部分摄像头，分别代表容器外的视角和容器内的视角，实验时两部分摄像头互为补充，进行多角度摄影和摄像，保证视频录制的数据清晰可见，有助于后续实验数据分析。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细的说明：
图1为本发明第一实施例的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测的系统的结构示意图；
图2为本发明第一实施例的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测的系统的程序框图；
图3为本发明第一实施例的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测的方法的流程图；
图4为本发明第二实施例的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测的系统的结构示意图；
图5为本发明第二实施例的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测的系统的程序框图；
图6为本发明第二实施例的目标检测与识别模块的所选用的目标检测与识别方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
第一实施例：
如图1和图2所示，本发明的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测的系统，其包括：信号控制模块101、光源驱动模块102、偏振光源模块103、实验模块104、水循环及净化模块105、高清摄像模块106。所述信号控制模块101分别与所述光源驱动模块102、所述高清摄像模块106和所述水循环及净化模块105相连接，所述实验模块104分别与所述水循环及净化模块105、所述高清摄像模块106和偏振光源模块103相连接。所述信号控制模块101，用于控制光源驱动模块102和水循环及净化模块105和高清摄像模块106的工作参数，包括光源、水循环、视频流的参数等；所述水循环及净化模块105用于净化实验模块中的水质环境以及提供氧气，所述高清摄像模块106记录实验生物的运动轨迹、身形姿势，所述实验模块104用于提供实验生物自由行动的空间，保证生物在无偏向性的环境中进行实验，所述光源驱动模块102用于驱动偏振光源模块103发射出光束，所述偏振光源模块103用于提供实验用偏振光刺激，同时控制偏振角度。
本发明中，光源的控制主要依赖信号控制模块101实现控制。所述信号控制模块还包括显示设备和输入设备，显示设备用于实时显示光源和水循环以及数据流参数，比如光功率、偏振角度、光源波长、调制信号、水循环效率、视频分辨率、帧率等参数，输入设备用于输入各项参数以控制所述光源驱动模块102和所述水循环及净化模块105和高清摄像模块106工作。
当研究验证水生生物的偏振视觉特性时，我们采用不同波长的光源照明时得到的实验数据可能是不同的，所以有必要量化波长引起的实验差异。本发明实验模块104可以独立研究一种波长的偏振光刺激对于生物的行为影响，也可以研究某一个波长范围的偏振光对生物的视觉影响。因此，偏振光源模块103在分布上可以由不同波长的光源组成，所述光源驱动模块102可以同时驱动偏振光源模块中不同波长的多个光源，比如同时驱动不同波段的LED光源，并且对于每个光源都可以通过所述信号控制模块101的外部或者内部信号进行调制，这方便了之后的实验设计的改进和拓展，而不必再次调整或增加偏振光源模块103中的光源。
验证偏振视觉的时候，我们往往会根据偏振角度的改变，来验证生物是否根据偏振的不同而产生出原先不曾有过的行为表现，据此来判断生物的偏振敏感性。因此，所述偏振光源模块103包括可旋转式偏振片和多个光源，光源在所述光源驱动模块驱动102下发射出光束，光束在通过可旋转式偏振光后改变偏振角，出射时为偏振光，可旋转式偏振片可以改变偏振角度，用于调控出射光束的偏振角度。
所述光源类型为激光、LED、宽带光源中一种或多种。
实验光源为了满足可以灵活移动调整的需求，所述偏振光源模块103的高度和位置不是固定的。为了更好的实验效果和控制光刺激量，光源相对于实验模块104的中心点的位置、高度均可以调节，位置调节只需挪动光源底座或松开固定光源的支杆套件然后平动调整支杆即可，高度调节方式为调节可伸缩式光学支杆的长度即可。
为了满足实验生物尽量自由移动的特性，所述实验模块104根据水下生物的生物习性选择容器形状，尽可能不选择实验生物对于某些方向有依赖性的形状，容器面积远大于实验物种本身身形尺寸，容器底部刻有刻度，两个刻度线中间的跨度为5°，目的是为实验生物相对于圆心的位置提供角度参照。
水生生物往往需要足够的氧气以长时间在水下正常活动，并且水质的好坏也是影响生物行为的一项重要因素，因此充足的水体中的氧气和优良的水质情况成为了保证实验数据有效性的前提。因此，所述水循环及净化模块105包括增氧机、加压水泵、过滤器和输水软管，增氧机不断向水体输送氧气，加压水泵和过滤器相连，一边抽离所述实验模块104中的水在过滤器中将水体净化，一边将净化后的水重新打入实验模块104，水的抽离和打入都经由输水软管做到。
优选的，由于实验模块104的水下环境有可能受到实验生物的排泄物、食物等杂质的干扰，尽管有水循环及净化模块105提供实时净化，但是有时水下视频在某些角度还是存在模糊、质量不佳的情况，因此我们在所述实验模块104内壁和底部下方都安装了高清摄像头，两部分摄像头分别从两个角度捕捉实验生物的运动轨迹和身姿形态。另外，水下安置的摄像头底部存在三角支架，可以根据需要进行移动，另外两部分摄像头都配置有偏振镜，以避免水下反射、折射带来的反光、重影等有损画质的情况。
本实施例中涉及一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测的方法，具体而言，如图3所示，分为以下几个步骤：
S01：调整光源位置、高度、角度，设置光源参数，启动高清摄像模块和水循环及净化模块；
S02：移除偏振片，将若干实验生物放置于实验模块底部中心点位置，偏振光源模块出射非偏振光束照射实验模块，记录鲍鱼活动数据；
S03：对多个实验个体重复S02步骤，得到一组非偏振光照射下的实验数据Data-Non，数据包括偏振角度、行为数据(最终位置、行动轨迹、行进速度、身形姿态等在内均由高清摄像模块得到)的数据；
S04：加入偏振片，设置偏振角度为0°(这里的0°是任意的，其余角度视为相对于0°逆时针旋转了多少度而来)，将实验生物放置于实验模块底部中心点位置，偏振光源模块出射非偏振光束照射实验模块，记录鲍鱼活动数据；
S05：对多个实验个体重复S04步骤，得到一组实验生物在偏振角度为0°的偏振光照射下的实验数据Data-0；
S06：改变偏振角度，分别设置偏振角度为45°、90°、135°，重复S04-S05步骤，得到若干组实验数据Data-45、Data-90、Data-135；
S07：对实验数据进行统计学差异性检验，Data-Non分别对Data-0、Data-45、Data-90、Data-135针对入射光是否为偏振光这一条件进行分组以进行Mann-Whitney检验，被检验变量是鲍鱼的分布位置变量，对检验P值和显著性水平0.05进行大小比较，即可得到鲍鱼在偏振光(各角度下)下和非偏振光下的行为是否存在统计学差异。
S08：根据实验生物在偏振光(各角度下)下和非偏振光下的行为是否存在统计学差异进行后续实验。如果存在统计学差异，判断实验生物对0°、45°、90°、135°的该波长范围的偏振光敏感，根据行动轨迹和行动时间等行为数据分析实验生物对于偏振光是否产生了逃逸反应，进一步细分偏振角度(间隔15°或更小)重复S01-S07步骤分析实验生物对偏振光的喜好，结合电生理实验分析生物对偏振的识别机制，如果不存在统计学差异，判断实验生物对0°、45°、90°、135°的该波长范围的偏振光不敏感，重新调整光源波长和偏振角度，重复S01-S07步骤，研究不同波段下实验生物的偏振视觉。
S09：将Data-0、Data-90为一组，Data-45和Data-135为一组，对两组实验数据分别进行Mann-Whitney检验，验证在改变偏振方向后，实验生物的行为分布是否对应产生了显著性变化，如果产生了显著性变化则表明该生物对此波段的偏振光产生了应激反应，该生物具有此波段的偏振视觉；反之若没有产生显著性变化，则该生物对此波段的偏振光不产生应激反应，该生物不具有此波段的偏振视觉。
第二实施例：
本实施例与第一实施例的主要区别在于：如图4和图5所示，系统增加了目标检测与识别模块107以及显示模块108，目标检测与识别模块107分别与高清摄像模块106和显示模块108相连接。高清摄像模块将实验生物的行为数据以视频流的方式传输到目标检测与识别模块107，目标检测与识别模块107用于接收和保存传输过来的高清视频，利用目标检测与识别技术处理视频和照片流数据，将得到实验生物游动数据和轨迹等实验结果保存下来，实现自动化处理视频流数据，节约了人工成本，实验更加高效；显示模块108用于可视化显示目标检测与识别模块107处理后的实验数据。
在本实施例中，所述目标检测与识别模块106用于接收高清摄像模块不断传输过来的视频和照片数据，并且使用图像目标检测与识别的算法对每一帧图像进行判断，最后记录生物行进轨迹，计算并记录速度、用时、于容器内壁停留时间、身形姿态等相关参数。
在本实施例中，所述目标检测与识别算法由于每一帧的图像质量参差不齐，可能出现模糊，散焦，部分遮挡，罕见姿势等影响算法判断的因素，会采用融合更多时空特征的手段来避免出现误判，利用时序和上下文信息来提高检测准确率和加快检测速度，具体为后处理方法、基于追踪方法、循环神经网络方法，特征传播方法，基于光流的多帧特征聚合方法，不基于光流的特征聚合方法其中的一种或多种。
优选的，由于实验数据存储的数量的不断增大，以及数据模型的不断优化，导致存储空间容易收到本地硬盘的限制，算力也容易受到本地服务器的cpu核心数限制，所以所述目标检测与识别模块106采用的存储和计算过程在服务器上进行，服务器可以是本地电脑服务器也可以是云服务器，理论上云上存储和计算速度可以达到实时处理的效果。
如图6所示，目标检测与识别模块具体的工作方法分为以下几个步骤：
S1：视频流捕捉初始帧中目标的位置图像，记录颜色、形状、大小、位置等特征信息，并且记录背景信息；
S2：判断当前帧的画面质量，如果质量足够分析，就直接对当前帧进行分析，利用滑动窗口技术，提取画面中的候选样本；如果质量不足，选取另一个摄像头的视频流中的对应时间戳的帧画面，用候补图像进行补充分析，利用滑动窗口技术，提取画面中的候选样本；
S3：针对特征样本进行特征匹配，根据分类器比较目标以及背景，寻找到和初始帧目标置信度最高的样本最为候选结果；
S4：针对特征样本进行特征匹配，根据分类器比较目标以及背景，寻找到和初始帧目标置信度最高的样本最为候选结果；
S5：分析实验视频流的所有帧得到完整的轨迹并记录，计算速度，在内壁上停留时间等信息；
S6：将实时实验数据保存，并进行可视化解析，将解析结果显示在显示模块上。
本实施例的其余结构和方法与第一实施例基本相似，在此不进行赘述。
以上所述为本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (7)
1.一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统，其特征在于：其包括：
偏振光源模块，用于提供可改变偏振方向的偏振光；所述偏振光源模块包括可旋转式偏振片和不同波长的多个光源，所述光源在光源驱动模块驱动下向可旋转式偏振片输出光束，光束在通过可旋转式偏振光后改变偏振角，出射时为偏振光；可旋转式偏振片用于调控出射光束的偏振角度，所述偏振光源模块的光源相对于实验模块的中心点的位置和高度均可调节；
光源驱动模块，用于驱动偏振光源模块发射出光束；所述光源驱动模块用于同时驱动不同波长的多个光源，并通过信号控制模块的外部或者内部信号对光源进行调制；
水循环及净化模块，用于净化水质环境并提供氧气；
高清摄像模块，用于记录生物的运动轨迹、身形姿势；
实验模块，用于提供实验空间，保证生物在无偏向性的环境中进行实验，所述实验模块分别与所述水循环及净化模块、所述高清摄像模块和偏振光源模块相连接；
信号控制模块，分别与所述光源驱动模块、所述高清摄像模块和所述水循环及净化模块相连接，用于控制光源驱动模块和水循环及净化模块和高清摄像模块的工作参数；
目标检测与识别模块，所述目标检测与识别模块与高清摄像模块相连接，高清摄像模块将实验生物的行为数据以视频流的方式传输到目标检测与识别模块，所述目标检测与识别模块用于接收和保存传输过来的高清视频，利用目标检测与识别技术处理视频和照片流数据，将得到实验生物游动数据和轨迹实验结果保存下来，计算并记录速度、用时、于容器内壁停留时间、身形姿态相关参数，实现自动化处理视频流数据；所述目标检测与识别技术采用融合更多时空特征的手段来避免出现误判，利用时序和上下文信息来提高检测准确率和加快检测速度，具体为后处理方法、基于追踪方法、循环神经网络方法、特征传播方法、基于光流的多帧特征聚合方法、不基于光流的特征聚合方法其中的一种或多种；
显示模块，所述显示模块与目标检测与识别模块相连接，所述显示模块用于可视化显示目标检测与识别模块处理后的实验数据。
2.根据权利要求1所述的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统，其特征在于：所述信号控制模块包括显示设备和输入设备，所述显示设备用于实时显示光源和水循环以及数据流参数，所述输入设备用于输入各项参数以控制所述光源驱动模块和所述水循环及净化模块和高清摄像模块工作。
3.根据权利要求1所述的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统，其特征在于：所述水循环及净化模块包括增氧机、加压水泵、过滤器和输水软管，所述增氧机用于向水体输送氧气，所述加压水泵和过滤器相连，加压水泵抽离所述实验模块中的水至过滤器中净化，并将净化后的水重新打入实验模块。
4.根据权利要求1所述的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统，其特征在于：所述高清摄像模块为两组，一组放置于实验模块底部，用于自下而上拍摄实验生物对偏振光刺激产生的反应，另一组放置于实验模块内壁上侧，通过自上而下的视角拍摄实验生物对于偏振光刺激产生的反应。
5.一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测方法，其特征在于，所述方法需提供如权利要求1所述的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统，包括如下步骤：
S01、光源位置、高度和角度的调整，并设置光源参数，启动高清摄像模块和水循环及净化模块；
S02、移除偏振片，将实验生物放置于实验模块底部中心点位置，偏振光源模块输出非偏振光束照射实验模块，并记录实验生物活动数据；
S03、对多组实验生物重复S02步骤，得到一组非偏振光照射下的实验数据Data-Non，数据包括偏振角度和行为数据；
S04、加入偏振片，设置偏振角度为0°，将实验生物放置于实验模块底部中心点位置，偏振光源模块输出非偏振光束照射实验模块，并记录实验生物活动数据；
S05、对多组实验生物重复S04步骤，得到一组实验生物在偏振角度为0°的偏振光照射下的实验数据Data-0；
S06、改变偏振角度，分别设置偏振角度为45°、90°、135°，重复S04-S05步骤，得到实验数据Data-45、Data-90、Data-135；
S07、对实验数据进行统计学差异性检验，Data-Non分别对Data-0、Data-45、Data-90、Data-135针对入射光是否为偏振光这一条件进行分组Mann-Whitney检验，被检验变量是鲍鱼的分布位置变量，对检验P值和显著性水平0.05进行大小比较，得到鲍鱼在各角度偏振光下和非偏振光下的行为是否存在统计学差异；
S08、根据实验生物在各角度偏振光下和非偏振光下的行为是否存在统计学差异进行实验；若存在统计学差异，判断实验生物对0°、45°、90°、135°的该偏振角度的偏振光敏感，根据行为数据分析实验生物对于偏振光是否产生了逃逸反应，进一步细分偏振角度并重复S01-S07步骤分析实验生物对偏振光的喜好，结合电生理实验分析生物对偏振的识别机制，若不存在统计学差异，判断实验生物对0°、45°、90°、135°的该偏振角度的偏振光不敏感，重新调整光源波长和偏振角度，重复S01-S07步骤，研究不同波段下实验生物的偏振视觉；
S09、将Data-0、Data-90为一组，Data-45和Data-135为一组，对两组实验数据分别进行Mann-Whitney检验，验证在改变偏振方向后，实验生物的行为分布是否对应产生了显著性变化，若产生了显著性变化则表明该生物对此波段的偏振光产生了应激反应，该生物具有此波段的偏振视觉；若没有产生显著性变化，则该生物对此波段的偏振光不产生应激反应，该生物不具有此波段的偏振视觉；
S10、通过目标检测与识别模块具体处理以下几个步骤：
S101：视频流捕捉初始帧中目标的位置图像，记录颜色、形状、大小和位置的特征信息，并且记录背景信息；
S102：判断当前帧的画面质量，如果质量足够分析，就直接对当前帧进行分析，利用滑动窗口技术，提取画面中的候选样本；如果质量不足，选取另一个摄像头的视频流中的对应时间戳的帧画面，用候补图像进行补充分析，利用滑动窗口技术，提取画面中的候选样本；
S103：针对特征样本进行特征匹配，根据分类器比较目标以及背景，寻找到和初始帧目标置信度最高的样本最为候选结果；
S104：分析实验视频流的所有帧得到完整的轨迹并记录，计算速度，在内壁上停留时间信息；
S105：将实时实验数据保存，并进行可视化解析，将解析结果显示在显示模块上。
6.根据权利要求5所述的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测方法，其特征在于：所述步骤S03中的行为数据具体包括：由高清摄像模块得到的最终位置、行动轨迹、行进速度和身形姿态数据。
7.根据权利要求5所述的一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测方法，其特征在于：所述步骤S08中的进一步细分偏振角度的间隔小于15度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210048977.5A CN114441448B (zh) | 2022-01-17 | 2022-01-17 | 一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210048977.5A CN114441448B (zh) | 2022-01-17 | 2022-01-17 | 一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114441448A CN114441448A (zh) | 2022-05-06 |
| CN114441448B true CN114441448B (zh) | 2023-12-26 |
Family
ID=81366829
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210048977.5A Active CN114441448B (zh) | 2022-01-17 | 2022-01-17 | 一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114441448B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2867820Y (zh) * | 2006-01-24 | 2007-02-14 | 崔实 | 多功能种子检验台 |
| JP2008228688A (ja) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | Hokkaido Univ | 生物挙動コントロール方法及びその装置 |
| RU2384056C1 (ru) * | 2009-01-11 | 2010-03-20 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Установка для инкубации икры |
| CN102613127A (zh) * | 2012-04-06 | 2012-08-01 | 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心 | 一种适合研究小型鱼类趋光行为学的装置 |
| CN104161024A (zh) * | 2014-08-05 | 2014-11-26 | 湖南回龙湖现代农业科技有限公司 | 一种昆虫诱捕器及诱捕昆虫的方法 |
| CN111357013A (zh) * | 2017-11-28 | 2020-06-30 | 指纹卡有限公司 | 生物计量成像系统和使用生物计量成像系统确定生物计量对象的特性的方法 |
| CN113170744A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-07-27 | 南京农业大学 | 基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置 |
| CN115184276A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-10-14 | 中国科学院海洋研究所 | 拖曳式浮游生物偏振成像记录仪 |
| CN116098135A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-05-12 | 河南科技学院 | 蝗虫线偏光与检偏光耦合诱导型热雾击杀收集装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10251384B2 (en) * | 2014-01-29 | 2019-04-09 | Signify Holding B.V. | Lighting system for insect control |
| JP6607755B2 (ja) * | 2015-09-30 | 2019-11-20 | 富士通株式会社 | 生体撮影装置および生体撮影方法 |
-
2022
- 2022-01-17 CN CN202210048977.5A patent/CN114441448B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2867820Y (zh) * | 2006-01-24 | 2007-02-14 | 崔实 | 多功能种子检验台 |
| JP2008228688A (ja) * | 2007-03-23 | 2008-10-02 | Hokkaido Univ | 生物挙動コントロール方法及びその装置 |
| RU2384056C1 (ru) * | 2009-01-11 | 2010-03-20 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Установка для инкубации икры |
| CN102613127A (zh) * | 2012-04-06 | 2012-08-01 | 中国水产科学研究院淡水渔业研究中心 | 一种适合研究小型鱼类趋光行为学的装置 |
| CN104161024A (zh) * | 2014-08-05 | 2014-11-26 | 湖南回龙湖现代农业科技有限公司 | 一种昆虫诱捕器及诱捕昆虫的方法 |
| CN111357013A (zh) * | 2017-11-28 | 2020-06-30 | 指纹卡有限公司 | 生物计量成像系统和使用生物计量成像系统确定生物计量对象的特性的方法 |
| CN113170744A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-07-27 | 南京农业大学 | 基于时间生物学的小型动物生物节律表型全时监测装置 |
| CN115184276A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-10-14 | 中国科学院海洋研究所 | 拖曳式浮游生物偏振成像记录仪 |
| CN116098135A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-05-12 | 河南科技学院 | 蝗虫线偏光与检偏光耦合诱导型热雾击杀收集装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "蝗虫对蓝波谱不同偏光属性刺激效应的视偏响应效应测定";刘启航;《农业机械学报》;第239-245页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114441448A (zh) | 2022-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7418340B2 (ja) | 機械学習を使用した画像増強深度感知 | |
| Durden et al. | Perspectives in visual imaging for marine biology and ecology: from acquisition to understanding | |
| US10997501B2 (en) | System and method for noise-based training of a prediction model | |
| Pacheco et al. | Auditory activity is diverse and widespread throughout the central brain of Drosophila | |
| CN114241031B (zh) | 基于双视角融合的鱼类体尺测量和体重预测的方法及装置 | |
| CN110132989A (zh) | 一种混凝土裂缝检测设备、方法以及终端系统 | |
| CN106413543A (zh) | 成像装置、成像方法以及医疗成像系统 | |
| CN109752377B (zh) | 一种分光式双模态投影层析组织血管成像装置及方法 | |
| CN111652817B (zh) | 一种基于人眼视觉感知机理的水下图像清晰化方法 | |
| CN110873555B (zh) | 用于观测水下生物的系统及其方法 | |
| CN112634202A (zh) | 一种基于YOLOv3-Lite的混养鱼群行为检测的方法、装置及系统 | |
| CN112188088A (zh) | 水下自拍系统 | |
| CN115281602A (zh) | 一种用于青光眼的研究瞳孔对光反射障碍的动态分析系统 | |
| RU2004123248A (ru) | Система и способ отслеживания объекта | |
| Vizcaino et al. | Real-time light field 3D microscopy via sparsity-driven learned deconvolution | |
| CN114441448B (zh) | 一种面向水生生物的偏振光刺激与行为检测系统及方法 | |
| CN105488780A (zh) | 一种用于工业生产线的单目视觉测距追踪装置及其追踪方法 | |
| CN116503258B (zh) | 超分辨计算成像方法、装置、电子设备及存储介质 | |
| CN116724964A (zh) | 基于灯光诱集的鱼类检测系统及方法 | |
| Qiu et al. | Mouse retinal specializations reflect knowledge of natural environment statistics | |
| CN115471482A (zh) | 基于计算机视觉的小口径容器内壁缺陷检测方法 | |
| Xhimitiku et al. | Anomaly detection in plant growth in a controlled environment using 3D scanning techniques and deep learning | |
| CN112215874B (zh) | 一种用于海湾区仔鱼的行为监测系统 | |
| Castagnetti et al. | Potentialities of the combined use of underwater fluorescence imagery and photogrammetry for the detection of fine-scale changes in marine bioconstructors | |
| Mendu et al. | Cattle detection occlusion problem |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |