CN114916473B - 一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于养殖监测领域，提出了一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法及装置，装置包括视觉测量模块、网线、网络交换机和PC机。本发明在鱼类体长测量时充分考虑了养殖现场的空间受限、布设场景多、鱼体游动时身体弯曲以及成本控制等问题，采用网络互连和嵌入式计算的方式进行测量系统设计。同时，两摄像机组成的双目视觉系统中，仅针对左摄像机进行图像分割和中心线提取分析，大幅度降低了计算资源的消耗。采用拟合+重建的方式获取鱼体中心曲线，并通过分段统计的方式计算鱼体长度，实施简单且运行稳定。本发明不仅具有网络传输的布线优势，还具有非接触、实时获取自由状态下鱼体长度的能力，可大幅度提高养殖厂对鱼类生长的感知能力。
Description
技术领域
本发明涉及养殖监测领域，具体涉及一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法及装置。
背景技术
在集约化养鱼中，鱼类体长的可靠估算对水产养殖业具有重要意义。鱼体体长是判断鱼类生长状况的最基础参数，对估算鱼体体重和鱼类生物量都有着重要的影响。因此，定期获取鱼类体长信息是养殖企业优化日常饲养、控制放养密度、确定最佳捕捞时间的迫切需要。
目前对鱼类长度测量方法中除了采用人工测量法外，还有通过设置专用的机构进行鱼体测量的方法以及通过图像分析的方式进行长度测量，如“一种生态养殖鱼类生长监测装置CN201520761783.5”先将鱼类诱导到所设计的网箱中，然后再进行长度测量；“一种鲟鱼的长度测量尺CN201720481723.7”则利用一种长度测量尺，通过人工操作来进行鲟鱼体长的测量；还有“一种鱼的体长测量装置CN201511018776.7”通过条形码扫描的方式获取箱内鱼的体长信息以及“鱼类形态参数自动测量装置和方法CN201410728601.4”中通过导流槽装置配合相机进行触发式图像采样分析的方式来采集鱼类体长信息。这些技术均在特定的环境中达到了测量鱼体的目的，但均需改变日常养殖的状态，不能完全对养殖场景进行非侵入式的测量，因而相对于一般化养殖缺乏通用性。而当采用非接触的立体视觉技术进行鱼体长度测量时，一种最简单的方法就是把鱼看做一个刚体，通过寻找穿过鱼头和鱼尾的直线来确定鱼体像面上的长度(如公开的技术“一种鱼苗长度测量方法及系统CN201811076314.4”中通过左右视差平面上的头尾fast角点特征点进行头尾坐标的搜索和立体匹配进行鱼苗头尾长度的测量)，然后根据立体视觉重构原理对这一线段的两个端点进行空间坐标计算，从而得到该线段的长度(鱼体长度)。这中方法可以应对诸如鱼苗类小目标鱼体的测量需求，但在许多实际应用中，鱼的尺寸较大，尤其当鱼体呈曲线状时，若仍然采用这种方法则会导致所测量的鱼体长度误差较大。除此之外，实际养殖过程中，其环境完全依照养殖需求来设计，而不是其他工业测量时可根据测量需求来改造或创造环境，因此采用立体视觉技术进行鱼类测量时还会受到很多环境因素的影响。
综上所述，在养殖鱼类图像测量技术发展过程中，尽管鱼体长度测量设计方面已得到较大地改进，但是仍然存在背景干扰的问题以及自由游动时鱼体弯曲的问题、现场安装不方便的问题等。因此，设计一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法和装置是具有非常重要的意义和应用价值的。
发明内容
针对鱼类养殖场中鱼类生长监测问题，本发明立足养殖实际需求将视频监测、立体视觉技术与养殖池内鱼类常态游动场景特征分析相结合，提出了一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法。将立体视觉重构技术与养殖实际相结合，通过从上向下的俯视拍摄方式来分时获取下方养殖池内的鱼类游动图像，并通过轮廓提取和坐标映射来获得鱼体完整中心线，同时结合立体视觉重构技术来计算鱼体中心曲线的长度，解决养殖过程中鱼类运动所带来的鱼体长度难以测量的问题。本发明所提的方法可大幅度提高鱼类养殖时鱼类生长估测的有效性和精度，同时也方便了测量现场的布置。
本发明的技术方案：一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法，包括步骤如下：
步骤A：PC机7向视觉测量模块中的嵌入式计算/控制板4设定采集频率，之后视觉测量模块中的两台摄像机1在嵌入式计算/控制板4同步脉冲下以设定的频率进行图像采集；图像数据在嵌入式计算/控制板4中进行实时地分析；初次使用时，对设置于养殖池上方的两个摄像头1采用张正友标定法进行定标分析，来获得两台摄像机1组成的双目视觉系统内参数与外参数，并建立以水平面为X-Y平面，垂直于水面为Z轴的测量坐标系统，轴向按照右手系统设置，将定标参数记录到嵌入式计算/控制板4中；
步骤B：进行双目极线校正；从左摄像机1中采集一帧图像，在嵌入式计算/控制板4中对所采集的图像使用BiseNetV2语义分割法进行养殖池内鱼的图像分割，并提取各个目标的轮廓线；
步骤C：对图像分割后的结果采用形态学骨架法进行中心线提取，并采用三阶多项式进行拟合，得到鱼的中心线；
步骤D：在每条鱼的中心线上，除了2个端点外再选择1-5个点，并以这些点为中心、以r为半径形成图像块IBi,i＝1,2,3…N,N为所选择的点数；点数需要根据计算能力来选择，选择越多需要的计算资源越多；
步骤E：按极线约束在右摄像机1像平面上搜索IBi,i＝1,2,3…N的匹配位置；
步骤F：利用摄像机的内参数、外参数和每条鱼N个匹配位置进行三维重构得到N个空间位置，并投影到测量坐标系的X-Y平面，然后仍采用三阶多项式拟合的方式对得到的每条鱼N个空间位置进行曲线拟合，从而得到N条鱼体中心线；
步骤G：将获得的鱼体中心线分成M段，每段设定为直线段进行计算长度，各直线段长度累加作为鱼体的长度leni,i＝1,2,3…num，其中num为当前图像中共获得的鱼体中心线长度的个数；
步骤H：嵌入式计算/控制板4按照上述步骤计算完毕后，通过嵌入式计算/控制板4上的以太网接口将养殖池编号ID、获得鱼体中心线长度的个数num、leni传输到PC机7中进行生长数据记录，从而完成一次数据采集、分析与传输；
步骤I：重复步骤B-步骤H，直到停止监测。
所述两台摄像机1组成的双目视觉系统内参数包括主点坐标、焦距、倾斜参数和畸变参数；双目视觉系统外参数包括平移矩阵和旋转矩阵。
一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测装置，包括若干组视觉测量模块、网线5、网络交换机6和PC机7；每个视觉测量模块包括一个嵌入式计算/控制板4、两台摄像机1、一块摄像机快装板2和二自由度电动云台3；每个养殖池上方安装一个视觉测量模块，各个视觉测量模块和PC机7均通过网线5连接到网络交换机6；在每个视觉测量模块中，两台摄像机1左右排列，组成双目视觉传感单元固定在摄像机快装板2上，摄像机快装板2固定于二自由度电动云台3上；每台摄像机2均与嵌入式计算/控制板4连接，该嵌入式计算/控制板通过网线5与网络交换机6相连；二自由度电动云台3于养殖池上方调节摄像机1角度，使之可以俯视观测养殖池内的场景。
在安装完毕设备，进行鱼类长度测量时，首先对摄像机1采集的图像进行鱼类目标轮廓提取，然后进行中心线提取，之后计算鱼的中心线并采用分段重构进行鱼体长度计算，最后通过网络将体长信息上传到主PC机7。
综上所述，该方法的装置使用前首先进行系统定标，获取相应的定标参数；然后开始进行测量，测量时为节约嵌入式计算/控制板4上计算资源仅针对左摄像机1所获取的图像进行图像分割和鱼体中心线提取；之后根据两台摄像机1的内参数、外参数对中心线进行重构和拟合运算，最后对中心线进行分段式统计长度并通过网线5将对应的信息输出到远程PC机7中。
本发明的有益效果：鱼类体长测量时充分考虑了养殖现场的空间受限、布设场景多、鱼体游动时身体弯曲以及成本控制等问题。采用网络互连和嵌入式计算的方式进行测量系统设计。同时，在双目系统的算法设计上，仅针对左摄像机进行图像分割和中心线提取分析，大幅度降低了计算资源的消耗。除此之外，采用拟合+重建的方式获取鱼体中心曲线，并通过分段统计的方式计算鱼体长度，实施简单且运行稳定。本发明不仅具有网络传输的布线优势，还具有非接触、实时获取自由状态下鱼体长度的能力，可大幅度提高养殖厂对鱼类生长的感知能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是嵌入式计算/控制板的结构示意图。
图中：1摄像机；2摄像机快装板；3二自由度电动云台；4嵌入式计算/控制板；5网线；6网络交换机；7PC机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法及装置，其结构示意如附图1所示：
一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测装置，由若干组视觉测量模块、网线5、网络交换机6和一台PC机7组成。每个视觉测量模块均包括一个嵌入式计算/控制板4、两台摄像机1、一块摄像机快装板2以及一台二自由度电动云台3所组成。每个养殖池上方安装一套视觉测量模块，各个养殖池上方的视觉测量模块和监控中心的PC机7均通过网线5连接到网络交换机6上。在每个视觉测量模块中，两台摄像机1所组成的双目视觉传感单元固定在摄像机快装板2上，而摄像机快装板2固定在二自由度电动云台3上面，同时每台摄像机1均与嵌入式计算/控制板4相连接，该嵌入式计算/控制板4通过网线5与网络交换机6相连，而PC机7也连接到该网络交换机6上。二自由度电动云台3安装在养殖池的上方，其调节摄像机1角度，使之可以俯视观测养殖池内的场景。在安装完毕设备，进行鱼类长度测量时，首先对摄像机1采集的图像进行鱼类目标轮廓提取，然后进行中心线提取，之后计算鱼的中心线并采用分段重构进行鱼体长度计算，最后通过网络将体长信息上传到主PC机7。具体方法描述如下：
步骤A：系统上电运行，由PC机7向视觉测量模块中的嵌入式计算/控制板4设定采集频率(本文采用10FPS)，之后视觉测量模块中的两台摄像机1在嵌入式计算/控制板4同步脉冲下以设定的频率(本文为10Hz)进行图像采集，而图像数据将在嵌入式计算/控制板4中进行实时地分析。初次使用时，对架设在养殖池上方的两个摄像头1需要进行定标分析，本实施例中采用张正友标定法，获得该双目视觉系统的内参数与外参数，并建立以水平面为X-Y平面，垂直于水面为Z轴的测量坐标系统，轴向按照右手系统设置，并将该定标参数记录到嵌入式计算/控制板4的EEPROM中；
步骤B：进行双目极线校正，从左摄像机1中采集一帧图像，在嵌入式计算/控制板4中对图像使用BiseNetV2语义分割法进行养殖池内鱼的图像分割，并提取各个目标的轮廓线；
步骤C：采用形态学骨架法对图像分割后的结果进行中心线提取，并采用三阶多项式进行拟合，得到鱼的中心线；
步骤D：在上面得到的每条鱼的中心线段上除了2个端点外再选择1-5个点(本文采用了3个点)，点数需要根据计算能力来选择，选择越多需要的计算资源越多，并以这些点为中心以r为半径(本文为32pixels)形成图像块IBi,i＝1,2,3…N,N为所选择的点数(本文中N为5)。
步骤E：按极线约束在右摄像机1像平面上搜索匹配IBi,i＝1,2,3…N；
步骤F：利用摄像机1的内参数、外参数和得到的每条鱼N个匹配位置进行三维重构获得空间位置，并投影到测量坐标系的X-Y平面，然后仍采用多项式拟合的方式(本文采用了三阶多项式)对得到的每条鱼N个空间位置进行曲线拟合，从而得到N条鱼体中心线；
步骤G：将获得的鱼体中心线分成M段(本文中M为10)，每段当成直线段来计算长度，然后累加在一起作为鱼体的长度leni,i＝1,2,3…num，其中num为当前图像中共获得的鱼体中心线长度的个数；
步骤H：嵌入式计算/控制板4按照上述步骤计算完毕后，通过嵌入式计算/控制板4上的以太网接口将养殖池编号ID、获得长度的数目num、leni,i＝1,2,3…num传输到主监控PC机7中进行生长数据记录，从而完成一次数据采集、分析与传输。
步骤I：重复步骤B-步骤H，直到停止监测。
综上所述，系统使用前首先进行系统定标，获取相应的定标参数；然后开始进行测量，测量时为节约嵌入式计算/控制板4上计算资源仅针对左摄像机1所获取的图像进行图像分割和鱼体中心线提取；之后根据两台摄像机1的内参数、外参数对中心线进行重构和拟合运算，最后对中心线进行分段式统计长度并通过网线5将对应的信息输出到远程PC机7中。
Claims (2)
1.一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法，是基于一种用于养殖场内的俯视鱼体长度监测装置来实现的，该装置包括若干组视觉测量模块、网线（5）、网络交换机（6）和PC机（7）；每个视觉测量模块包括一个嵌入式计算/控制板（4）、两台摄像机（1）、一块摄像机快装板（2）和二自由度电动云台（3）；每个养殖池上方安装一个视觉测量模块，各个视觉测量模块和PC机（7）均通过网线（5）连接到网络交换机（6）；在每个视觉测量模块中，两台摄像机（1）左右排列，组成双目视觉传感单元固定在摄像机快装板（2）上，摄像机快装板（2）固定于二自由度电动云台（3）上；每台摄像机（1）均与嵌入式计算/控制板（4）连接，该嵌入式计算/控制板通过网线（5）与网络交换机（6）相连；二自由度电动云台（3）于养殖池上方调节摄像机（1）角度，使之可以俯视观测养殖池内的场景；
所述监测方法包括步骤如下：
步骤A：PC机（7）向视觉测量模块中的嵌入式计算/控制板（4）设定采集频率，控制两台摄像机（1）同步进行图像采集；图像数据在嵌入式计算/控制板（4）中进行实时地分析；初次使用时，对设置于养殖池上方的两个摄像机（1）进行定标分析来获得两台摄像机（1）组成的双目视觉系统内参数与外参数，并建立以水平面为X-Y平面，垂直于水面为Z轴的测量坐标系统，轴向按照右手系统设置，将定标参数记录到嵌入式计算/控制板（4）中；
步骤B：进行双目极线校正；从左摄像机（1）中采集一帧图像，在嵌入式计算/控制板（4）中对所采集的图像使用BiseNetV2语义分割法进行养殖池内鱼的图像分割，并提取各个目标的轮廓线；
步骤C：对图像分割后的结果采用形态学骨架法进行中心线提取，并采用三阶多项式进行拟合，得到鱼的中心线；
步骤D：在每条鱼的中心线上，除了2个端点外再选择1-5个点，并以这些点为中心、以
为半径形成图像块/>
,N为所选择的点数；
步骤E：按极线约束在右摄像机（1）像平面上搜索
匹配位置；
步骤F：利用摄像机（1）的内参数、外参数和每条鱼N个匹配位置进行三维重构得到N个空间位置，并投影到测量坐标系的X-Y平面，然后仍采用三阶多项式拟合的方式对得到的每条鱼N个空间位置进行曲线拟合，从而得到N条鱼体中心线；
步骤G：将获得的鱼体中心线分成M段，每段设定为直线段进行计算长度，各直线段长度累加作为鱼体的长度
，其中num为当前图像中共获得的鱼体中心线长度的个数；
步骤H：嵌入式计算/控制板（4）按照上述步骤计算完毕后，通过嵌入式计算/控制板（4）上的以太网接口将养殖池编号ID、获得鱼体中心线长度的个数num、
传输到PC机（7）中进行生长数据记录，从而完成一次数据采集、分析与传输；
步骤I：重复步骤B-步骤H，直到停止监测。
2.根据权利要求1所述的用于养殖场内的俯视鱼体长度监测方法，其特征在于，所述两台摄像机（1）组成的双目视觉系统内参数包括主点坐标、焦距、倾斜参数和畸变参数；双目视觉系统外参数包括平移矩阵和旋转矩阵。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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