【doc】基于计算机视觉的鱼体色明暗程度量化方法

基于计算机视觉的鱼体色明暗程度量化方 法 2006年6月农机化研究第6期 基于计算机视觉的鱼体色明暗程度量化方法 徐建瑜,姜雄晖,刘鹰 (1.浙江大学农业生物环境工程研究所.杭州 315211;3.中国科学院海洋研究所,山东青岛 310029;2.宁渡大学信息科学与工程学院.浙江宁波 266071) 擒?:当前.鱼类行为学在养殖生产中的应用还不普遍,但已经引起人们的重视.借助于现代技术手段 监涸鱼的行为,研究不同应激条件下鱼的行为特点以及鱼的行为与水产养殖环境的关系.从而实现基于鱼 行为变化的应激自动报警.是很有意义的.为此.利用计算机视觉技术近似量化水中鱼体色的明暗程度. 将图像转换到HSV空间得到鱼体的明度值,与经校准后的无色玻璃覆盖的灰级各阶的明度值进行比较和线 性擂值.近似用明度阶值示鱼体色的亮暗程度. 关t诩:水产养殖学;鱼类行为;试验研究;计算机视觉;体色;明度 中田分类号:$951.2;TP242.62文献标识码:A文章编号:1003—1esx(2oo6)o6--o140 —03 0概述 水产养殖是农业生产的重要组成部分.最近几 十年,中国水产养殖业得到了迅猛发展.水产品产 量十多年来一直高居世界首位,但养殖管理水平落 后.与水产养殖大国的地位极不相称.从整体上看. 经济发达国家水产养殖业基本实现了水产养殖机械 化,管理自动化.生产和装备的现代化水平相当高. 如果我国不加快水产科技现代化的步伐,就有可能 落后于世界水产科技进步的进程. 随着鱼类设施养殖业的发展.设施中鱼的行为 能为养殖提供重要信息和指导n.鱼类体色变化也 属于行为变化的一部分,大多数鱼能改变体色以适 应环境背景颜色.应激会使某些种类鱼的体色变暗, 变黑,如海鲷b】,斑点比目鱼,大菱鲆;很多鱼 生病表现出体色变黑.如银大麻哈鱼,大菱鲆… 等;营养不良也会使鱼体色变暗.应激,生病和 营养不良等造成鱼体色变暗,即鱼失去了适应白色 背景的能力.所以可以简单地通过白色背景下鱼的 体色亮暗来判断鱼的健康与应激状况.为此,对养 殖生物本身的信息获取方法和手段不足的问题,本 文提出了一种基于计算机视觉技术量化鱼体色明暗 度的方法. 1计算机视觉系统 收一日囊:2005-05-27 基叠珥目:国家.863.疆目(2003AA603140) 作t?介:徐建瑜(1973-).女.晨龙江牡丹江人.博士生, (E-oail)xujtanyu—zjthotsail.COB. 计算机视觉系统采用一个摄像机从玻璃水槽侧 面拍摄.来获取量化鱼的体色明暗度参数.该系统 (如图1所示)包括彩色CCD摄像头(Honeywell. GC-655N),计算机(PentiumIV2.4GIBM-兼容机), 彩色图像采集卡(Microview,MVPCI一700).摄像头 面向养殖槽的正面拍摄.图像数字化成分辨率为 768×576像索的256级R.G,B分量的彩色图像.采用 修改后的ATVC5.ok件包(杭州奥泰图像,最多可支 持6台摄像头),获取图像并存储在计算机硬盘上. 玻璃水族箱除了拍摄面外其他面和底面用白色塑料 板覆盖.长,宽,高分别为0.8m.0.4m,0.55m,水 深为0.46m.可容纳约130L水. 光源 1.透明的拍摄面2.摄像头3.计算机和圈像采集卡 田1计算机视生不统示意田 2鱼体色明暗程度量化方法 2.1常用的颜色空间 现代色度学采用CIE(国际照明委员会)所制 定的一套颜色测量和计算方法.称为CIE色度 学系统.是对色彩进行定量描述的基础.1976 CIE-LAB(或L'口'b')颜色空间的均匀性有很大的 . 1柏. 2006年6月农机化研究第6期 改善,与设备无关,能较好地反映物体色的心理感 受效果.L'对应于明度,是指色彩的明暗程度,对 于物体来说也称亮度,深浅程度;色度分量n'是表 示由绿到红的颜色变化;6'表示蓝到黄的颜色变化. 现在,1976CIE-LAB已被世界各国正式采纳,作为 国际通用的测色标准.1987年,我国将LAB空间作 为国家标准. 在计算机上通常采用的RGB颜色空间不是一个 线性感知空间,是面向硬件的,图像像素的色度和 亮度信息存在于其3个基色RG,曰分量中.而HSV 颜色空间是盂塞尔颜色空间的简化形式,是以色彩 的色调(日),饱和度()和明度(y)为三要紊来表 示的,对应于圆柱坐标系中的一个圆锥形子集. 在HSV颜色空间中,饱和度和明度的取值从 0—1,色度的取值从0.一360.,每一种颜色和它的补 色相差180.. HSV颜色空间具有以下优点n们:一是符合人眼 对颜色的感觉;二是HSV颜色空间中的3个坐标是 独立的;三是HSV颜色空间构成的是一个均匀的颜 色空间,采用线性的标尺,彩色之间感觉上的距离 与HSV颜色空间坐标上点的欧几里德距离成正比. HSV和RGB颜色空间之间的转换关系可以参见文 献[11]. 2.2鱼体色明暗程度量化方法 养殖水具有一定的色度和浑浊度,不是理想透 射体.光线在水中的传输特性与在空气中不同,不 满足CIE推荐的标准照明和观测条件,所以用标准 的CIE—LAB色度模型来量化水中鱼的体色是不现实 的.鱼在应激或疾病状态下体色会变黑,为了简单 表示和量化鱼的这种体色变化,只量化鱼体色的明 度,这与人的主观感觉比较一致. 由于摄像时的光照环境因紊,摄像头光谱敏感 性,图像采集卡及整个成像系统的影响,使得从图 像中提取的颜色值与实际值是不一致的,具有非线 性的变化.为了能稳定,可靠地反映鱼体的明度值, 将柯达公司的Q14灰级表面用无色玻璃密封覆盖 后,固定在实验水族箱的透明一侧玻璃内壁的中间 位置来校准每次的测量结果.Q14灰级为14英寸长, 由2O个均匀的灰阶组成.灰阶从白到黑标号为 )0.975(白). 0—19,对应的明度值从o.025(黑 为了保证明度测量结果的一致性和准确性,采 用如下的方法: I)摄取图像时要保持恒定的照明条件.为防止 日光周期产生的光线变化影响,采用人工照明,用 三基色日光灯从水槽的后上方来照明,以减少和消 除鱼体表面反光对量化结果的影响.水族箱水面的 光照强度为2501x. 2)水族箱及摄像头的方向和位置保持不变. 3)水族箱对面采用白色的布帘产生稳定一致 的,均匀的背景色,以减少外界背景在水族箱玻璃 壁的反射对灰级和鱼体明度值产生影响. 无色玻璃覆盖后各灰级的明度值发生了一定的 变化,将灰级和覆盖了玻璃的灰级同时固定在拍摄 位置,由图像计算得到两者的明度和标称明度的关 系,如图2所示(3次测得结果的平均值).经过摄 像系统灰级各阶的明度值与标称值之间呈非线性关 系,玻璃覆盖后使较亮的灰阶变暗,较暗的灰阶变 亮,灰级明度值的变化范围减小. 趔 嚣 圈2覆盖玻璃对灰级明度伍的彤晌 经过两点间线性插值法得到覆盖玻璃后的灰 阶与实际灰阶的关系,如图3所示.图3为3次测 量结果平均值的插值结果.可见覆盖玻璃后的灰阶 0—19阶实际相当于灰级的0.715—12.5阶.3次测 量结果的插值与该平均值插值结果相比,误差在 0.05阶以下的为58.3%,误差为0.05~0.15阶的为 35%,误差为0.15阶以上的为6.7%.此误差相对于 黑白间共20阶还是比较小的. 14. j粤I2. 篓10. 8. 鉴6.4. 2 覆盖玻璃的灰级 圈3疆盖玻璃后的灰级各灰阶的校准 在连续采集的多帧图像中.尽量选择体轴与摄 像头光轴垂直的鱼,采用阈值法进行分割.将获得 的RGB图像转换到HSV空间后,计算鱼体的明度值, 并将此值与经校准后的无色玻璃覆盖的灰级的明度 值进行比较并线性插值,获得鱼体的明度阶值来表 示体色亮暗程度.如果鱼体明度值比覆盖玻璃后灰 级19阶的明度值还要低,可以在水中放入一块黑色 塑料块.在相同的光照环境下将黑色塑料块和灰级 - l4l一 2006年6月农机化研究第6期 一 起拍摄,线性插值法获得其明度值,水中鱼的明 度阶值通过用覆盖玻璃灰级的第l9阶明度值与黑 色塑料块的明度值线性插值近似得到. 对鱼体明度值的测量会受到水的色度,浑浊度 和反射特性的影响.将两个覆盖了同样无色玻璃的 灰级放入装满水的水槽远处和近处的玻璃壁,对拍 摄的图像进行处理,求出各灰阶对应的明度值如图 4所示.可见,水对各灰级明度值的影响是使较亮 的灰阶变暗,较暗的灰阶变亮,使明度值的变化范 围变小.为减少水的色度和浑浊度对测得鱼体明度 值的影响,可以采用透明度好的新水,也可以在水 面上方增设一个摄像头,根据鱼在水中的位置用插 值的方法近似修正.' 0.9 0.8 0.7 0.6 5 霹o.4 O.3 0.2 0.1 02468lO12141618 覆董玻璃的灰级 ?4水体对灰级备阶的明虞值的髟晴比较 3结束语 采用这种将鱼体明度值和灰级各阶的明度值比 较插值的方法量化鱼体的明暗程度,研究罗非鱼 (OreochromisnilotiCUS)对环境背景颜色的适应 能力和在应激情况下鱼体色变化.结果显示,该方 法能较好地反映出鱼的体色明暗变化. Zion等n钉用鱼在水中游过的水道来获取图像 对混养的鱼进行分类.若养殖水比较干净透明,可 以在养殖设施中的某处设置一个通道,通道内部背 景为白色.通道的长度根据鱼的游速和生理变色适 应背景的速度来确定(如罗非鱼在较短的几十秒内 体色就能适应背景);可以设计水道的长度使鱼在 30s到Imin内游出,在出口处拍摄鱼的图像并获得体 色明暗值;可以设置当体色过黑的鱼的数量超过一 定比例时应激报警. 参考文献: [1]KristiansenT.S..FernoA..HolmJ.C.,eta1. SwimmingBehaviourasanIndicatorofLow GrowthRateandImpairedWelfareinAtlantic Halibut(HippoglossusHippogloSSUSL.)Reared atThreeStockingDensities[J].Aquaculture, 2004.230(1-4):137-151. [2] [3] [4] [5] [63 [7] [83 [93 - 142- [10] [II] [12] McFarlaneW.J..CubittK.F.,WiliiamsH.,et a1.CanFeedingStatusandStressLevelbe AssessedbyAnalyzingPatternsofMuscle ActivityinFreeSwimmingRainbowTrout (OncorhynchusmykissWalbaum)?[J].Aquacul— ture,2004,239(4):467—484. Rot11antJ.,TortL.,MonteroD.Background ColourInfluenceontheStressResponsein CulturedRedporgyPagruspagrus[J].Aquaculture, 2003,223:129—139. WadaT..AritakiM.,TanakaM.EffectsofLow— salinityontheGrowthandDeve1opmentof SpottedHalibutVeraspe'rVariegatusinthe Larva-juvenileTransformationPeriodwith ReferencetoPituitaryProlactinandGill Ch1orideCe11sResponses[J].Journalof Experimenta1MarineBiologyandEcology,2004, 308.(1):113-126. SkottRasmussenR,KorsgaardB.TheEffectof ExternalAmmoniaonGrowthandFoodUti1iza— tionofJuvenileTurbot(ScophthalmusMaximus L.)[J].JournalofExperimentalMarineBiology andEcology.1996,205(卜2):35—48. BransonE.J..Diaz—MunozD.N.Descriptionof aNewDiseaseConditionOccurringinFarmed CohoSalmon,0ncorhynchusKisutch(Walbaum), inSouthAmerica[J].JournalofFishDiseases. 199l.14(2):147—156. 雷霁霖,马爱军,王印庚,等.一种吻蛭类大鱼蛭在 大菱鲆鱼体上的感染[J].海洋水产研究,2003.24 (3).72—74. ShaikM.J.DietaryBiotinRequirementEtermined forIndianCatfish,HeterOpneustesFossi1is (Bloch).Fingerlings[J].AquacultureResearch, 2001,32(9):709—7l7. DengD.F.Wi1sonR.P.DietaryRiboflavinRequi— rementofJuvenileSunshineBass(Morone Chrysops早XMoroneSaxatilis6)[J].Aquacul— ture,2003,218(卜4):695—701. 陈纯.计算机图像处理技术与算法[M].北京:清 华大学出版社,2003. 余成波.数字图像处理及MATLAB实现[M].重庆:重 庆大学出版社,2003. ZionB.,ShklyarA.,KarplusI.In—riveFish SortingbyComputerVision[J].Aquacultural Engineering,2000.22(3):165-179.(_f:转第152 2006年6月农机化研究第6期 [D].北京:中国农业大学,2002. MoistureMovementofPotatoinDi ElectricField rentPlacesunderHigh HANYu.zhen.LIFa.de.TIANFu.yang1. DOUBao.cun2 (1.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,ShandongAgriculturalUniversity,T ai'an271018,China; 2.ShandongAutoSpringFactory,Zibo255030,China) Abstract:Dryingexperimentsofpotatoweremadeunder20?一25?.40%? 10%conditionswithhighelectric fieldwhichwasgeneratedbetweenasingleneedlepoleandaplatepole.Duringthedryingthev oltagewas appliedat204-0.1kV(AC)andthedistancebetweentheneedleelectrodeandtheplateelectro dewas60mm. Thecontrolexperimenthadbeencompletedunderthesameconditions.Theresultsshowedth atthedryingrate wasspedupgreatlyduringEHDdrying.Thedryingrateofpotatoindifferentradiuseswasdiffe rentinthehigh electricfieldfortheuniformityofelectricfield.Itwasconcludedthattherewasaneffectiveareaofionicwind producedbyneedleelectrode. Keywords:agriculturalengineering;potatodrying;experimentalresearch;highelectricfield;moisture (上接第142页) AbstractID:1003-l88X(2006)06-0140-EA QuantifyingtheFishSkinDarknessUsingComputerVision XUJian.yu._.JIANGXiong.hui.LIUYing (1.InstituteofAgriculturalBio— EnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China; 2.FacultyofInformationScienceandTechnology,NingboUniversity.Ningbo3I52II,China;3.Instituteof Oceanology,ChineseAcademyofSciences,Qingdao266071,China) Abstract:Skindarkeninginsomefishappearstoberelatedtostressandillness.Thefishskindarknesscanbe measuredcontinuouslyin— situandhasthepotentialtObeusedintheactualproductionstOpredictstress conditionsandhealthystates.Thispaperpresentsamethodofquantifyingtheskindarknessofthefish swimminginwaterusingcomputervisiontechnique.AfterconvertingtheimagefromRBGcolorspacetoHSV colorspace.thelightnessofthefishbodywascalculatedandcomparedwiththelightnessofdensitystepsofthe grayscalecoveredwithtransparentglasscalibratedbythegrayscale,theskindarknesswasdenotedbydensity stepsofthelinearblack-whitescale. Keywords:aquaculture;fishbehavior;experimentresearch;computervision;skindarkness;lightness l52-