CN116616238A - 一种基于视觉的对虾自适应投喂装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视觉的对虾自适应投喂装置和方法，装置包括数字信号处理器、PLC、投饲机、高清防水摄像头、循环水处理系统、循环水养殖池等；该装置主要利用该装置采用预投喂的方式计算虾群聚散度，为后续的投喂工作状态提供判断，投喂时期基于视觉技术实时监测虾群摄食欲望控制进行自适应精准分析和评估，以此制定投饲策略。本发明的装置结构简单，方法精准简便，本发明的自适应投喂装置和方法适用于循环水养殖模式，在保证虾群生长所需营养条件的情况下，节省饲料和减少水体污染，可以给对虾生长提供良好的环境条件。

Description

一种基于视觉的对虾自适应投喂装置及方法

技术领域

本发明涉及工厂化循环水水产养殖投喂机械技术领域，具体来说涉及一种基于视觉的对虾自适应投喂装置及方法，该装置可以根据对虾的实时摄食需求自动调整投饲机工作状态。

背景技术

工厂化循环水养殖作为一种高密度的水产养殖形式，对于水质的调节和控制要求非常严格，而饲料投喂作为循环水养殖每日不可缺少的工作环节，对水质参数的影响很大。当饲料的投喂量少于对虾的实际摄食需求时，会造成对虾的生长体型的大小分级，同时对虾会出现抢食现象，使对虾之间发生斗争等现象，对虾表面损伤容易造成感染某些疾病。当饲料的投喂量大于对虾的实际摄食需求时，增加养殖成本的同时，也会增加水处理的负荷，影响对虾的生长状态和生长福利。循环水系统养殖对虾时密度更高，对水质的要求会更加严格，因此在对虾养殖过程中，投喂量既要满足对虾的生长需求，更要为其创建良好的生长环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于视觉的对虾自适应投喂装置及方法，采用多位置投喂，首次投喂使用短时间测试对虾摄食欲望判断对虾饥饿程度作为后续是否投喂的依据，若饥饿则根据对虾的实际摄食需求，自动控制投饲机工作状态，为循环水养殖的合理化投饲作业提供良好的参考和技术支撑。

本发明一种基于视觉的对虾自适应投喂装置，包括数字信号处理器、PLC、投饲机、高清防水摄像头、循环水处理系统、循环水养殖池；

循环水养殖池的外部安装有循环水处理系统；

高清防水摄像头安装在循环水养殖池的上方，而且高清防水摄像头与数字信号处理器的输入端相连；

投饲机安装在循环水养殖池的四周多位置处，投饲机与PLC的输出端相连；

数字信号处理器的输出端同时与PLC的输入端相连；数字信号处理器对高清防水摄像头采集的数据基于自适应投喂方法进行处理并传输至PLC对投饲机进行控制。

应用上述装置进行对虾的自适应投喂，所述自适应投喂方法包括如下步骤：

1)投饲机工作投喂m_s克饲料，m_s＝0.005_d，m_d为所有对虾重量，高清防水摄像头将采集视频实时传递到数字信号处理器，数字信号处理器对接收到的视频画面做预处理，采用加权平均法对图像灰度化，Gray＝0.2989+0.5870+0.1140，数据信号处理器对灰度化后的图片使用中值滤波抑制噪声，滤波输出为：Y_ij＝med[X_i+m,+n；(m,n)∈W]{X_ij；(i,j)∈Z}，函数med[*]表示求窗口内像素的中值，其中W为窗口尺寸，m为窗口水平尺寸，n为垂直尺寸，X_ij为图像上的一个像素点，坐标为(i,j)；Z为二维数据串的序号；

2)对中值滤波后的照片进行二值化处理，令初始阈值为：g_i为图像的最大灰度值，g_u为图像的最小灰度值，根据阈值T^q对图像进行分割：大于等于T^q的像素值为前景区域、小于T^q的像素值为背景区域；分别求出前景区域与背景区域的像素平均值m₀和m₁，/>g_a为所有大于等于T^q的像素值求和，n₀为大于等于T^q像素值的像素点数量，g_b为所有小于T^q的像素值求和，n₁为小于T^q像素值的像素点数量；令若|T^q+1-T^q|＜w，w为预定义参数，则完成前景、背景图像分割工作；否则更新阈值为T^q+1，用T^q+1代替T^q重复本步骤中分割前景区域、背景区域及其后操作；

3)对二值化后的图像进行图片腐蚀完成虾群个体分割，本发明中采用的图片腐蚀方法为公知，具体在Advances in Imaging and Electron Physics期刊2008年发表的《Advances in Mathematical Morphology:Segmentation》(DOI：10.1016/S1076-5670(07)00004-3)记载有相关信息与方法；设定背景像素点的值为0，目标像素点为1，根据区域像素是否为1确定连通域，设定一个像素的上、下、左或右连接着，则认定所对应区域为连通；设a×b大小的二值化图像为I(x,y)，背景区域为L，连通区域为A，则连通区域对虾的质心坐标为：/>利用误差平方评价虾群聚散度虾群摄食时向饲料落料点聚集，设定每个虾为一个点，向落料点聚集的一群虾命名为聚类，K为投喂点的数量；m_i为第i个聚类含有的对虾数量，μ_i为第i个聚类的质心，||x_j-μ_i||为第i个聚类中，每个对虾x_j与质心μ_i的距离；

4)若E_s＞E_h，E_h为设定的投喂阈值，E_h的值为根据20次人工观察虾群摄食欲望较低时虾群聚散度的平均值，则数字信号处理器向PLC输入处理结果，PLC控制投饲机进行工作，投喂量与第一次相同；

5)若E_s＜E_h，则数字信号处理器向PLC发出停止投喂指令，由PLC控制投饲机停止工作，等待下一次投喂工作的开始。

本发明的装置采用投饲机、数字信号处理器、PLC、高清防水摄像头等构成完整的自适应投喂装置；可以根据预投喂期间虾群聚散度确定后续投喂是否进行，投喂期间根据虾群实时摄食欲望调整投饲机工作状态，以此达到智能精准投喂的目的。

本发明的有益效果是：

本发明的基于视觉的对虾自适应投喂装置，结构简单，控制方式简便，该装置采用预投喂的方式计算虾群聚散度，为后续的投喂工作状态提供判断，投喂时期基于视觉技术实时监测虾群摄食欲望控制投饲机工作状态，在保证虾群生长所需营养条件的情况下，更加注重对虾的福利问题，可以给对虾生长提供良好的环境条件。

附图说明

图1是应用于循环水的基于视觉的虾类自适应投喂装置结构示意图。

图中：1-数字信号处理器；2-PLC；3-投饲机；4-高清防水摄像头；5-循环水处理系统；6-循环水养殖池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。参照图1，是本发明的基于视觉的对虾自适应投喂装置的一种具体实例，包括数字信号处理器1、PLC2、投饲机3、高清防水摄像头4、循环水处理系统5、循环水养殖池6；

循环水养殖池6的外部右侧安装有循环水处理系统5，循环水处理系统5将养殖废水经过过滤，杀菌、增氧等一系列操作后输送给循环水养殖池6，极大地提高了水资源的利用率；

高清防水摄像头4安装在循环水养殖池6的中间正上方，且高清防水摄像头4与数字信号处理器1的输入端相连；摄像头的安装位置可以保证摄像头可以拍摄到整个投饲区域；

投饲机3分别安装在循环水养殖池6池边，与PLC 2输出端相连；投饲机3多位置投喂减少虾群抢食，降低虾群生长分级；

数字信号处理器1输出端与PLC 2的输入端相连；数字信号处理器1接收摄像头输入的图像信息并作出相应处理，首先通过图像处理技术分析出虾群的聚散程度，聚集度越大虾群摄食欲望越高，反之越低，数字信号处理器将处理结果传送至PLC控制投饲机工作状态。

应用上述的装置进行对虾的自适应投喂，投喂方法包括如下步骤：

1)投饲机工作投喂m_s克饲料，m_s＝0.005_d，m_d为所有对虾重量，高清防水摄像头将采集视频实时传递到数字信号处理器，数字信号处理器对接收到的视频画面做预处理，采用加权平均法对图像灰度化，Gray＝0.2989+0.5870+0.1140，数据信号处理器对灰度化后的图片使用中值滤波抑制噪声，滤波输出为：Y_ij＝med[X_i+m,+n；(m,n)∈W]{X_ij；(i,j)∈Z}，函数med[*]表示求窗口内像素的中值，其中W为窗口尺寸，m为窗口水平尺寸，n为垂直尺寸，X_ij为图像上的一个像素点，坐标为(i,j)；Z为二维数据串的序号；

2)对中值滤波后的照片进行二值化处理，令初始阈值为：g_i为图像的最大灰度值，g_u为图像的最小灰度值，根据阈值T^q对图像进行分割：大于等于T^q的像素值为前景区域、小于T^q的像素值为背景区域；分别求出前景区域与背景区域的像素平均值m₀和m₁，/>g_a为所有大于等于T^q的像素值求和，n₀为大于等于T^q像素值的像素点数量，g_b为所有小于T^q的像素值求和，n₁为小于T^q像素值的像素点数量；令若|T^q+1-T^q|＜w，w为预定义参数，则完成前景、背景图像分割工作；否则更新阈值为T^q+1，用T^q+1代替T^q重复本步骤中分割前景区域、背景区域及其后操作；

3)对二值化后的图像进行图片腐蚀完成虾群个体分割，设定背景像素点的值为0，目标像素点为1，根据区域像素是否为1确定连通域，设定一个像素的上、下、左或右连接着，则认定所对应区域为连通；设a×b大小的二值化图像为I(x,y)，背景区域为L，连通区域为A，则连通区域对虾的质心坐标为：/> 利用误差平方评价虾群聚散度/>虾群摄食时向饲料落料点聚集，设定每个虾为一个点，向落料点聚集的一群虾命名为聚类，K为投喂点的数量；m_i为第i个聚类含有的对虾数量，μ_i为第i个聚类的质心，||x_j-μ_i||为第i个聚类中，每个对虾x_j与质心μ_i的距离；

4)若E_s＞E_h，E_h为设定的投喂阈值，E_h的值为根据20次人工观察虾群摄食欲望较低时虾群聚散度的平均值，则数字信号处理器向PLC输入处理结果，PLC控制投饲机进行工作，投喂量与第一次相同；

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。

Claims (2)

1.一种基于视觉的对虾自适应投喂装置，其特征在于，包括数字信号处理器(1)、PLC(2)、投饲机(3)、高清防水摄像头(4)、循环水处理系统(5)、循环水养殖池(6)；

循环水养殖池(6)的外部安装有循环水处理系统(5)；

高清防水摄像头(4)安装在循环水养殖池(6)的上方，且高清防水摄像头(4)与数字信号处理器(1)的输入端相连；

投饲机(3)安装在循环水养殖池(6)池边多位置处，与PLC(2)输出端相连；

数字信号处理器(1)输出端与PLC(2)的输入端相连；数字信号处理器(1)对高清防水摄像头(4)采集的数据基于自适应投喂方法进行处理并传输至PLC(2)对投饲机(3)进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的对虾自适应投喂装置，其特征在于，所述的自适应投喂方法包括如下步骤：

1)投饲机(3)工作投喂m_s克饲料，m_s＝0.005m_d，m_d为所有对虾重量，高清防水摄像头(4)将采集视频实时传递到数字信号处理器(1)，数字信号处理器(1)对接收到的视频画面做预处理，采用加权平均法对图像灰度化，Gray＝0.2989R+0.5870G+0.1140B，数据信号处理器对灰度化后的图片使用中值滤波抑制噪声，滤波输出为：Y_ij＝med[X_i+m，j+n；(m，n)∈W]{X_ij；(i，j)∈Z}，函数med[*]表示求窗口内像素的中值，其中W为窗口尺寸，m为窗口水平尺寸，n为垂直尺寸，X_ij为图像上的一个像素点，坐标为(i，j)；Z为二维数据串的序号；

2)对中值滤波后的照片进行二值化处理，令初始阈值为：g_i为图像的最大灰度值，g_u为图像的最小灰度值，根据阈值T^q对图像进行分割：大于等于T^q的像素值为前景区域、小于T^q的像素值为背景区域；分别求出前景区域与背景区域的像素平均值m₀和m₁，g_a为所有大于等于T^q的像素值求和，n₀为大于等于T^q像素值的像素点数量，g_b为所有小于T^q的像素值求和，n₁为小于T^q像素值的像素点数量；令若|T^q+1-T^q|＜w，w为预定义参数，则完成前景、背景图像分割工作；否则更新阈值为T^q+1，用T^q+1代替T^q重复本步骤中分割前景区域、背景区域及其后操作；

3)对二值化后的图像进行图片腐蚀完成虾群个体分割，设定背景像素点的值为0，目标像素点为1，根据区域像素是否为1确定连通域，设定一个像素的上、下、左或右连接着，则认定所对应区域为连通；设a×b大小的二值化图像为I(x，y)，背景区域为L，连通区域为A，则连通区域对虾的质心坐标为：/> 利用误差平方评价虾群聚散度/>虾群摄食时向饲料落料点聚集，设定每个虾为一个点，向落料点聚集的一群虾命名为聚类，K为投喂点的数量；m_i为第i个聚类含有的对虾数量，μ_i为第i个聚类的质心，||x_j-μ_i||为第i个聚类中，每个对虾x_j与质心μ_i的距离；

4)若E_s＞E_h，E_h为设定的投喂阈值，E_h的值为根据20次人工观察虾群摄食欲望较低时虾群聚散度的平均值，则数字信号处理器(1)向PLC(2)输入处理结果，PLC(2)控制投饲机(3)进行工作，投喂量与第一次相同；

5)若E_s＜E_h，则数字信号处理器(1)向PLC(2)发出停止投喂指令，由PLC控制投饲机(3)停止工作，等待下一次投喂工作的开始。