CN1209728C - 动物行为视频分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动物行为视频分析系统，属机器视觉领域的技术产品。系统采用机器视觉技术对视频摄像机视场内的动物行为进行识别，获取运动轨迹，计算和记录相关实验数值，通过对动物行为的分析来测试动物学习能力、记忆机理和心理活动。系统硬件由视频输入器(1)、图像采集卡(2)、微处理器(3)和显示屏(4)组成。系统软件由通信、参数设置、图像采集、识别、行为分析、数值计算、并行处理、数据存储查询、显示、报警等模块组成。该系统具有非接触无损，数字化，采样周期可调，既可实时在线自动跟踪动物运动轨迹，又可显示动物运动真彩色图像的优点。可广泛应用于生物、动物、药物、医学、公安、科学研究行业进行动物或人的行为活动分析。

Description

动物行为视频分析系统
技术领域：
本发明涉及一种利用机器视觉技术分析动物行为特征的动物行为视频分析系统，属机器视觉技术领域。
背景技术：
机器视觉是一门采用计算机实现人类眼睛视觉功能以及与大脑认知的相互机理并赋诸于实际应用之中的科学，它属于人工智能领域中的一个重要分支，也是国际上现代生物医药以及其它行业应用技术前沿的热点研究方向。
采用机器视觉技术根据动物行为特征识别，可以计算出动物行为位置坐标、行动轨迹、运动距离、停止时间、运动时间、运动速度、运动量，从而可用于测试动物学习能力、记忆机理和心理活动以及测试样品的药性对运动的影响。同理，也可以用于人类的行为分析。
引证文件：
[1]：Wolfer DP，Exploiting video tracking data to dissect watermazelearning and strategy choice of mutant mice，University of Zurich，Institute of Anatomy，CH-8057 Zurich，2000.2.
发明内容：
本发明采用机器视觉技术实时在线自动识别和分析动物行为特征的视频分析系统，提出对动物(如白鼠)的行为系列图像进行识别，计算出动物行为特征、位置坐标、行动轨迹、运动距离、开始和停止时间、运动时间、运动速度、运动量，从而用于测试动物学习能力、记忆机理和心理活动以及测试样品的药性对运动的影响。该系统包括非接触无损、数字化、采样周期可调、可记录和直观显示动物运动系列图像。可广泛应用于生物、动物、药物、医学、公安、科学研究以及相关行业进行动物或人的行为活动分析。
本发明的动物行为视频分析系统的技术方案为：系统硬件由视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)组成。视频输入器(1)的输出接插口与图像采集卡(2)的输入接插口相连接，图像采集卡(2)与计算机(3)的总线插槽相连接，显示屏(4)的输入端与计算机(3)的显示输出端相连接。视频输入器(1)，可以是标准速率或非标准速率的视频摄像机或可获取图像的标准器件；其功能是将来自镜头的光学图像转化成随时间变化的视频信号。图像采集卡(2)是标准模拟或数字图像采集卡，也可以是USB接口的数字摄像机或者是视频编辑卡并能与计算机(3)内存进行数据交换的软件模块或硬件模块，连接在计算机(3)的PCI、ISA或相应的标准结构总线上；其功能是对视频输入器(1)输出的视频信号或图像信号进行颜色、灰度级量化，使视频信号变成数字化的图像数据。计算机(3)是具有标准计算机功能的设备，含机箱、CPU及其主板、内存、ROM或硬盘、通信口、有源底版等，可以是商用、民用计算机、服务器、工控机、DSP或具有计算机功能的处理器系统。显示屏(4)是标准计算机兼容的显示器，一般与计算机(3)连接安放在一起。
该系统软件由以下模块组成：通信、参数设置、图像采集、识别、行为分析、数值计算、并行处理、显示、报警、数据库管理，数据库管理具有存储、查询等功能。
该系统各部件之间的数据传递关系是视频输入器(1)将视频信号输入到图像采集卡(2)，图像采集卡(2)按时间顺序将输入的视频信号或图像信号进行颜色、灰度级量化，使视频信号变成数字化的图像数据，并将数据传输到计算机(3)，计算机(3)同时进行处理，根据软件程序的需要，由软件调用到计算机(3)内的显卡，由显卡控制显示屏(4)显示图像。
该系统工作步骤如下：
1.正确安装动物行为视频分析系统硬件；
2.正确安装动物行为视频分析系统软件，将欲执行动物行为视频分析软件的程序存入计算机(3)的程序存储器中；
3.根据环境光照度设定视频输入器(1)的电子快门速度和光圈，当室内或晚上光照不足时，自动开启人工辅助光源；
4.启动动物行为视频分析系统软件的运行程序，此运行程序根据设备厂家提供的使用视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)的初始化要求设置好初始化数值，运行程序根据这些初始化数值分别初始化视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)；
5.设定视频输入器(1)进行动物行为视频分析的视频分析视场；
6.操作人员手工设定欲进行动物行为视频分析的视场的轨迹捕获区域以及显示的参数；
7.计算机(3)控制图像采集卡(2)按系统预先设定的采样周期采集视频输入器(1)视场内的动物按时间顺序产生的运动系列图像和记录相对应的采集图像的时间；
8.视频输入器(1)将动物运动系列图像输入到图像采集卡(2)，图像采集卡(2)对每一幅图像按时间顺序使视频信号变成数字图像数据，并将数字图像数据传输到计算机(3)；
9.计算机(3)对数字图像数据进行处理，以提取数字图像数据上动物的特征数据；
10.视频分析软件的运行程序根据动物的特征数据计算位置坐标点；
11.视频分析软件的运行程序将每幅图像位置坐标点连接，以形成动物的行动轨迹图；
12.视频分析软件的运行程序根据动物的行动轨迹图的起始点和终止点计算动物的运动距离以及记录相对应的时间；
13.视频分析软件根据动物的运动距离和该运动距离相对应的时间计算动物的运动速度；
14.计算机(3)将动物的运动序列图像以及分析计算结果记录下来保存在计算机(3)数据库中；
15.计算机(3)将动物的实时运动图像、动物的运动轨迹图、动物的变化趋势图同时显示在显示屏(4)上；
16.计算机(3)对动物的异常行为进行报警；
17.计算机(3)控制系统的开始、停止、人工干预和异常情况处理。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1.实时自动分析人或动物行为同时提供直观的真彩色图像；
2.系统与被测动物没有直接物理连接，避免了对被测动物造成伤害；
3.数字化使得系统既可以独立运行，又可以远程传输，异地共享；
4.分析速度可达毫秒等级，检测精度可达毫米等级；
5.采样周期人工可调；
6.24小时实时检测分析；
7.可实时和事后分析动物行为。
附图说明：
附图1为动物行为视频分析系统的结构框图。
附图2为动物行为视频分析系统工作原理框图。
附图3为动物行为视频分析系统软件流程框图。
具体实施方式：
下面结合附图并以有关促智药物的新药筛选研究为例，用小白鼠为实验对象，通过水迷宫(Morris water maze)模型研究记忆产生，巩固，再现的神经机制，以对本发明作进一步详述：
实验用的动物行为视频分析系统硬件由视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)、显示屏(4)组成。视频输入器(1)安装在小白鼠行为视频分析的视场(水迷宫)上方，通过调整视频输入器，使其视场能够覆盖整个水迷宫可见区域，视频输入器(1)用视频电缆与图像采集卡(2)连接。图像采集卡(2)插接在计算机(3)总线上。显示屏(4)连接在计算机(3)视频输出口。水迷宫的大小符合国际水迷宫模型要求。
利用机器视觉技术分析小白鼠行为采用下列步骤：
1.正确安装动物行为视频分析系统硬件；
2.正确安装动物行为视频分析系统软件，将欲执行动物行为视频分析软件的程序存入计算机(3)的程序存储器中；
3.再根据环境光照度来设定视频输入器(1)的电子快门速度和光圈，当室内或晚上光照不足时，自动开启人工辅助光源；
4.选定一组接受实验药物的小白鼠；
5.启动动物行为视频分析系统软件的运行程序，此运行程序根据设备厂家提供的使用视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)的初始化要求设置好初始化数值，运行程序根据这些初始化数值分别初始化视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)；
6.设定视频输入器(1)对小白鼠行为行为视频分析的视频分析视场；
7.操作人员手工设定欲进行小白鼠行为视频分析的视场的轨迹捕获区域以及显示的参数；
8.将一只小白鼠放入水迷宫中；
9.计算机(3)控制图像采集卡(2)按系统预先设定的采样周期采集视频输入器(1)视场内的小白鼠按时间顺序产生的运动系列图像和记录相对应的采集图像的时间；
10.视频输入器(1)将小白鼠运动系列图像输入到图像采集卡(2)，图像采集卡(2)对每一幅图像按时间顺序使视频信号变成数字图像数据，并将数字图像数据传输到计算机(3)；
11.计算机(3)对数字图像数据进行处理，以提取数字图像数据上小白鼠的特征数据；
12.视频分析软件的运行程序根据动物小白鼠的特征数据计算位置坐标点；
13.视频分析软件的运行程序将每幅图像位置坐标点连接，以形成小白鼠的行动轨迹图；
14.视频分析软件的运行程序根据小白鼠的行动轨迹图的起始点和终止点计算小白鼠的运动距离以及记录相对应的时间；
15.视频分析软件根据小白鼠的运动距离和该运动距离相对应的时间计算动物的运动速度；
16.计算机(3)将小白鼠的运动序列图像以及分析计算结果记录下来保存在计算机(3)数据库中；
17.计算机(3)将实时运动图像、行动轨迹图、变化趋势图同时显示在显示屏(4)上；
18.计算机(3)对小白鼠的异常行为进行报警；
19.计算机(3)控制系统的开始、停止、人工干预和异常情况处理；
20.重复以上8-19步骤直至所有小白鼠实验完毕。

Claims (1)

  1. 一种利用机器视觉技术分析动物行为特征的动物行为视频分析系统，其由硬件部分和软件部分组成，系统硬件部分包括视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)，其特征在于：视频输入器(1)的输出接插口与图像采集卡(2)的输入接插口相连接，图像采集卡(2)与计算机(3)的总线插槽相连接，显示屏(4)的输入端与计算机(3)的显示输出端相连接；软件部分由以下模块组成：通信、参数设置、图像采集、识别、行为分析、数值计算、并行处理、显示、报警、数据库管理，数据库管理具有存储、查询功能；动物行为视频分析采用下列步骤：
    1.正确安装动物行为视频分析系统硬件；
    2.正确安装动物行为视频分析系统软件，将欲执行动物行为视频分析软件的程序存入计算机(3)的程序存储器中；
    3.根据环境光照度设定视频输入器(1)的电子快门速度和光圈，当室内或晚上光照不足时，自动开启人工辅助光源；
    4.启动动物行为视频分析系统软件的运行程序，此运行程序根据设备厂家提供的使用视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)的初始化要求设置好初始化数值，运行程序根据这些初始化数值分别初始化视频输入器(1)、图像采集卡(2)、计算机(3)和显示屏(4)；
    5.设定视频输入器(1)进行动物行为视频分析的视频分析视场；
    6.操作人员手工设定欲进行动物行为视频分析的视场的轨迹捕获区域以及显示的参数；
    7.计算机(3)控制图像采集卡(2)按系统或操作人员预先设定的采样周期采集视频输入器(1)视场内的动物按时间顺序产生的运动系列图像和记录相对应的采集图像的时间；
    8.视频输入器(1)将动物运动系列图像输入到图像采集卡(2)，图像采集卡(2)对每一幅图像按时间顺序使视频信号变成数字图像数据，并将数字图像数据传输到计算机(3)；
    9.计算机(3)对数字图像数据进行处理，以提取数字图像数据上动物的特征数据；
    10.视频分析软件的运行程序根据动物的特征数据计算位置坐标点；
    11.视频分析软件的运行程序将每幅图像位置坐标点连接，以形成动物的行动轨迹图；
    12.视频分析软件的运行程序根据动物的行动轨迹图的起始点和终止点计算动物的运动距离以及记录相对应的时间；
    13.视频分析软件根据动物的运动距离和该运动距离相对应的时间计算动物的运动速度；
    14.计算机(3)将动物的运动序列图像以及分析计算结果记录下来保存在计算机(3)数据库中；
    15.计算机(3)将动物的实时运动图像、动物的运动轨迹图、动物的变化趋势图同时显示在显示屏(4)上；
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    17.计算机(3)控制系统的开始、停止、人工干预和异常情况处理。
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