一种基于机器视觉的鱼类群体中个体摄食量精准测量系统

本发明涉及机器视觉技术和射频识别技术在动物饲料效率遗传改良研究的应用。尤其是涉及结合深度学习强大表征能力与pit标签精准识别能力实现对鱼群中个体摄食量客观、精准、实时记录的一种基于机器视觉的鱼类群体中个体摄食量精准测量系统。

背景技术：

1、水产养殖是农业的重要组成部分，已成为世界各国重要的优质动物蛋白质来源和粮食安全的重要保障。然而，随着野生资源日渐枯竭和水产养殖规模不断扩大，出现水产养殖动物与人类竞争相同的蛋白质资源如鲜杂鱼、鱼粉等。投喂鲜杂鱼，易造成海洋资源浪费、环境污染、病害频发等。饲料效率性状的遗传改良是解决鲜杂鱼使用、鱼粉需求量大与饲料利用效率低引起养殖成本高和水质污染的问题主要解决方法之一，开展这项的研究的关键是精准测量个体饲料效率表型，而测量饲料效率表型的关键是精准测量个体的摄食量。目前，鱼类个体摄食量的测量方法主要有三种：第一种，鱼在养殖缸中被单独饲养，测试投喂前后饲料重量；第二种，对摄食含有x射线标志物颗粒的饲料的鱼麻醉后进行x射线摄影，根据鱼胃肠道中标志物颗粒的数目，进而估算每条鱼的摄食量；第三种，在鱼的轴上肌上注射印有不同符号或者颜色的外挂式t-型标签以达到个体识别的目的，全程录像记录鱼的摄食活动用于分析每条鱼的摄食量。这些方法具有各自的优点，但是存在脱离实际养殖环境、无法实现对养殖群体进行摄食量测量、人为操作误差大、工作量大或重复性差等缺点。因此，构建智能化大规模养殖群体中测量个体的摄食量测量系统具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对目前不能实现在鱼类群体中个体的摄食量精准测量，提供基于鱼类摄食行为、计算机视觉和无线射频识别的一种基于机器视觉的鱼类群体中个体摄食量精准测量系统。基于鱼类摄食行为、计算机视觉技术和无线射频识别技术能够快速、精准的测量在群体环境中的个体摄食量，避免引起鱼的应激反应等，为进行鱼类的饲料效率研究奠定基础。

2、一种基于机器视觉的鱼类群体中个体摄食量精准测量系统，包括采食装置模块、拍摄模块、pit扫描模块、处理模块；

3、所述采食装置模块用于控制鱼单条进入采食区摄食，所述采食装置模块由一个圆形/方形限鱼通道连接投放饲料的采食区组成；为了防止采食装置模块外其他鱼类pit信号的干扰，限鱼通道和采食区四周向外扩展围成一个信号屏蔽区；

4、所述拍摄模块用于实时拍摄采食区内饲料颗粒数量，所述拍摄模块由一个带有usb接口的外接摄像头组成，处理模块控制实时拍摄采食装置模块中饲料颗粒的数量；所述拍摄模块安装在采食装置模块正上方；

5、所述pit扫描模块用于实时读取进入采食装置模块的采食区内进食的带有pit标签的鱼体内的id标识，所述pit扫描模块由无线射频识别(rfid)芯片和天线组成的rfid阅读器以及pit标签组成，由处理模块控制实时扫描并记录pit id标识；无线射频识别(rfid)阅读器安装在采食装置模块上；

6、所述处理模块用于控制和处理其他模块的数据，对拍摄模块和pit扫描模块进行信息整合、处理；所述处理模块由多种函数组成控制外接摄像头拍摄功能，处理模块有饲料颗粒检测模型，对采食装置中的饲料颗粒数目进行实时计数；同时，pit扫描模块控制rfid阅读器，实时扫描并记录进入采食装置内带有pit标签的鱼的pit id标识，并基于时间自动计算并记录每条鱼的pit id标识及其对应的摄食量(饲料颗粒数量)，并保存到excel表格中。

7、进一步的，所述限鱼通道采用边长9cm的方形管道或直径为9cm的圆形管道，信号屏蔽装置由多块挡板组成，采食区与限鱼通道直接相连；记录时，饲料投放入采食区，鱼群受到限鱼通道的影响每次只有一条鱼进入采食区摄食；同时，受信号屏蔽装置的影响，只有进入采食区摄食的鱼其身上的pit才能被rfid阅读器识别。

8、进一步的，所述拍摄模块由一个通过usb接口连接到电脑的摄像头和处理模块中相应控制拍摄代码组成；控制拍摄代码可使用python语言编写，图像采集时，摄像头置于采食区正上方10～20cm处，录像这一行为由处理模块控制，通过运行opencv相关库函数调用并打开摄像头进行拍摄保存，具体的，控制拍摄代码通过调用opencv里的cv2.videocapture命令打开摄像头，拍摄模块在拍摄鱼摄食时，处理模块由饲料颗粒检测模型实现实时检测和统计采食区的饲料颗粒数量。

9、进一步的，所述pit扫描模块由一个无线射频识别(rfid)芯片和直径10cm的圆形天线组成的rfid阅读器及注射入鱼体内的pit标签组成；天线嵌套在连接采食区的限鱼通道上，当鱼靠近天线5cm时其体内pit id标识就会被识别，处理模块中的pit扫描模块就会通过电脑串口读取id数值；所述rfid阅读器使用rfid无线射频识别技术的低频(lf)读卡芯片，工作频率支持134.2khz、125khz，符合iso 11784/5国际标准，支持对fdx-b、emid两种协议格式电子标签的读取，用户通过uart通信接口便能接收到电子标签数据；所述pit标签即rfid玻璃管标签，采用iso 11784/5国际标准，支持hdx、fdx-b两种协议格式，产品尺寸主要有1.4mm×8mm、2mm×12mm、3mm×15mm。

10、进一步地，rfid阅读器通过usb接口连接电脑，处理模块有一段循环程序不断读取pit扫描信息，当没有鱼类进入摄食区域时，即pit标签没有进入阅读器检测范围时，pit阅读器读取的是空值；当有鱼类进入摄食区，即pit标签进入阅读器检测范围时，就会读取pit标签信息，也即实现群体鱼类中的个体识别。

11、进一步的，基于时间信息，将pit id信息、摄食量，摄食时间，进行数据关联，并生成excel表格记录下来，保存在电脑中；具体的：读取到pit标签信息时，也会读取对应的时间信息，此时间即为一条鱼i的初始摄食时间ti_start；基于此时间信息，训练好的饲料颗粒检测模型检测到拍摄模块拍摄的饲料视频对应时刻的饲料颗粒数量即为初始饲料量counti_start；当再次扫描到pit标签信息(即第二条鱼的初始摄食时间ti+1_start，初始饲料数量counti+1_start)时或者距离ti_start的时间间隔大于4s时，记录此时的时间ti_end，对应的饲料颗粒数量counti_end，即第i条鱼的终止饲料量，则第i条鱼的摄食量为counti_start与counti_end之间的差值。处理模块会自动把第i条鱼的pit标签信息、初始摄食时间ti_start、摄食量counti_start-counti_end记录到excel表格中并保存下来。

12、进一步地，为了方便后续对拍摄的视频进行查看回访，处理模块将时间信息、对应时刻的饲料颗粒数量、pit标签信息，打印在视频帧的上方，并在处理模块程序运行结束时自动保存拍摄的视频，并按日期将视频命名。

13、本发明的优点是：可实现实时精准测量水下鱼群体中每个个体的摄食量。该方法相较于其他鱼类摄食量测量方法具有工作量小、易获得高通量表型数据、保持鱼类群体生活环境下测量个体摄食量、不引起鱼应激反应等，为之后的鱼类饲料效率遗传改良研究奠定良好的基础。