专利名称：一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境检测与水体污染控制技术领域，特别涉及一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统。
背景技术：
我国在一些江河、湖泊重点流域和敏感水域已建立起水质检测网络和预警机制。但目前这些系统主要是依靠常规化学分析技术进行水质检验和分析。化学分析易标准化，能够准确检测出目标污染物的含量，但耗时长，检测费用高，较难实现在线连续检测；生物检测技术虽然可以实现在线检测，但目前利用生物检测技术的预警监测系统都是通过检测反应器中微生物的呼吸状态即耗氧量与水体中有机物及浊度来检测水质突发变化，存在的问题是监测系统成本高，且只能检控其中某些化学物质引起的水质变化。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统。本发明采用如下技术方案一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，包括监控容器、图像采集模块、图像数据预处理模块、背景提取和目标检测模块、控制模块和GSM远程预警模块；所述监控容器，用于导入待检测的原水和鱼苗；所述图像采集模块包括摄像头，用于连续拍摄鱼苗在原水中的行为，并将图像数据输入到图像数据预处理模块；所述图像数据预处理模块，用于对图像数据的灰度转换及去噪声滤波处理；所述背景提取和目标检测模块，用于对预处理后的图像进行背景提取及目标检测，得到鱼苗的运动坐标；所述运动跟踪模块，用于根据鱼苗的运动坐标得到鱼苗的运动轨迹；所述控制模块，用于根据鱼苗的运动轨迹得到鱼苗的运动参数，所述运动参数包括鱼苗总数、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，并将这些运动参数与正常值进行比较得到各个参数的提高幅度，如果鱼苗的至少一个运动参数的提高幅度超过报警阈值时，则向GSM远程预警模块发送信号；所述GSM远程预警模块，用于用户设定报警阈值及接收预警信息的指定对象，GSM远程预警模块接收信号后启动，，并将预警信息发送至指定对象。所述图像数据预处理模块采用直方图均衡法进行去噪声滤波处理。所述运动跟踪模块采用基于EKF和均值漂移的运动目标跟踪方法具体为，利用扩展卡尔曼滤波器在目标中心位置预测目标可能出现的位置，再利用Mean shift搜索得到运动轨迹。所述背景提取和目标检测模块中背景提取是采用连续帧差分算法，目标检测是在背景提取的基础上，利用阈值分割来分割背景和鱼苗，再利用投影法得到鱼苗的运动坐标。所述鱼苗为斑马鱼。所述指定对象包括计算机的IP地址和用户的手机号码。本发明的有益效果采用了更高效、先进的算法，可以在视频目标被部分遮挡或目标旋转的情况下的进行实时跟踪，同时可以解决运动速度过快的问题，具有较强的鲁棒性和实时性，可以实现在线连续监测。
图I是本发明的系统流程图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图I所示，一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，包括监控容器、图像采集模块、图像数据预处理模块、背景提取和目标检测模块、控制模块和GSM远程预警模块；所述监控容器，用于导入待检测的原水和鱼苗；所述图像采集模块包括摄像头，用于连续拍摄鱼苗在原水中的行为，并将图像数据输入到图像数据预处理模块；所述图像数据预处理模块，用于图像的灰度转换及去噪声滤波处理；所述背景提取和目标检测模块，用于对预处理后的图像进行背景提取及目标检测，得到鱼苗的运动坐标；所述运动跟踪模块，用于根据鱼苗的运动坐标得到鱼苗的运动轨迹；所述控制模块,用于根据鱼苗的运动轨迹得到鱼苗的运动参数,所述运动参数包括鱼总数、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，并将运动参数与正常值进行比较得到提高幅度，如果鱼苗的至少一个运动参数的提高幅度超过报警阈值时，则向GSM远程预警模块发送信号；所述GSM远程预警模块，用于用户设定报警阈值及接收预警信息的指定对象，GSM远程预警模块接收信号后启动，并将预警信息发送至指定对象。所述图像数据预处理模块采用直方图均衡法进行去噪声滤波处理，用直方图均衡方法有效地消除噪声，改善图像质量，使图像清晰化，对后续处理工作目标识别的正确性提供一定的保证。所述运动跟踪模块采用基于EKF和均值漂移的运动目标跟踪方法具体为，利用扩展卡尔曼滤波器在目标中心位置预测目标可能出现的位置，再利用Meanshift搜索得到运动轨迹，同传统方法相比大大节省搜索的时间，提高了跟踪的速度；在连续的(k-Ι)帧中，鱼苗中心的位置信息形成它的运动轨迹。将这些中心位置信息作为卡尔曼滤波器的观测值，首先用卡尔曼滤波器预测第k帧目标的位置，作为Meanshif算法中目标的起始位置，Meanshif在这个位置的领域内搜索目标的最优位置；再以这个目标位置作为卡尔曼滤波器的观测值，进行下一帧的运算。所述卡尔曼滤波器包括两个模型其中信号模型为X (k) =M(k-1) X (k-1) +N(k) W(k)，观测模型为Y (k) =C (k) X (k) +V (k)，在上面两式中X(k)和Y(k)是表示运动物体的状态向量和观测向量，M(k)、N(k)和c(k)为状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵，W(k)和V(k)是信号噪声和观测噪声。扩展卡尔曼与Mean shift结合的具体步骤如下(I)、通过手动确定运动目标在起始图像帧中的运动区域，扩展卡尔曼滤波器的初始状态向量和初始观测向量为(xm，0 &，0)，其中111=1，起始速度为零。 (2)、通过扩展卡尔曼滤波器来预测第m=l帧图像上运动目标的中心坐标(xkm+1 ；
k \y m+1/ °(3)、以(2)中扩展卡尔曼滤波器预测出的目标位置为(Xklrt ；ykm+i)中心在第m+1中设置一个略微大于上一帧的目标实际大小的搜索窗口，求出该搜索窗口内的投影图，在使用Mean shift算法找到运动目标的质心位置坐标(xmm+1 ;ymm+1)，以此坐标坐为目标的真实的位置。(4)、将(3)步中目标的真实位置坐标送入扩展卡尔曼滤波器的观测模型中，对此时状态滤波值校正。(5)、m=m+l，重复上述内容即完成简单目标的连续跟踪。所述背景提取是采用连续帧差分算法，目标检测是在背景提取的基础上，利用阈值分割来分割背景和鱼苗，再利用投影法得到鱼苗的坐标。本发明的背景提取主要利用了连续帧差分算法，即对两帧连续图像做帧间差分，并设置一个阈值T以判断该像素点是否存在变化。
isTimeix^,^)+! \F{x,y,tn)-F(x,y,tn)\<T/ , . I
sTime(x,y,tn)= io\F{x,y,tn)-F{x,y,tn)\>T其中，F(x, y, tn)为差分图像在时间序列上的函数，sTme (x, y, tn)表示像素点(X，y)在t时刻没有产生连续变化的累积次数。当某像素点没有产生连续变化的累计次数达到一定阈值时即认定该像素点为背景点，反之即为运动点。将运动点分别将其投影到X、Y坐标，投影之后，取在Χ、Υ坐标的像素最大点对应的值为鱼苗的坐标。本发明的工作过程本系统启动前，将待检测的原水和斑马鱼苗导入监测容器内，用户设定指定对象及报警阈值。系统启动后，摄像头实时采集监测容器内斑马鱼苗的行为图像，进行图像数据预处理，提取背景和目标监测得到斑马鱼苗的运动坐标，最后通过运动跟踪得到斑马鱼的运行轨迹，并记录相应数据，通过运算得到鱼苗总数、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，把这些参数与鱼苗在正常健康情况下的参数进行对比得到各个参数的提高幅度，通过提高幅度判断水质情况，当至少一个参数的提高幅度超过设定报警阈值时，进行报警，将报警信息发送到手机或计算机，本发明可以采用手机和计算机2种方式进行监控。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，包括监控容器、图像采集模块、图像数据预处理模块、背景提取和目标检测模块、控制模块和GSM远程预警模块； 所述监控容器，用于导入待检测的原水和鱼苗； 所述图像采集模块包括摄像头，用于连续拍摄鱼苗在原水中的行为，并将图像数据输入到图像数据预处理模块； 所述图像数据预处理模块，用于对图像的灰度转换及去噪声滤波处理； 所述背景提取和目标检测模块，用于对预处理后的图像进行背景提取及目标检测，得到鱼苗的运动坐标； 所述运动跟踪模块，用于根据鱼苗的运动坐标得到鱼苗的运动轨迹； 所述控制模块,用于根据鱼苗的运动轨迹得到鱼苗的运动参数,所述运动参数包括鱼苗总数、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，并将这些运动参数与正常值进行比较得到各个参数的提高幅度，如果鱼苗的至少一个运动参数的提高幅度超过报警阈值时，则向GSM远程预警模块发送信号； 所述GSM远程预警模块，用于用户设定报警阈值及接收预警信息的指定对象，GSM远程预警模块接收信号后启动，并将预警信息发送至指定对象。
2.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述图像数据预处理模块采用直方图均衡法进行去噪声滤波处理。
3.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述运动跟踪模块采用基于EKF和均值漂移的运动目标跟踪方法具体为，利用扩展卡尔曼滤波器在目标中心位置预测目标可能出现的位置，再利用Mean shift搜索得到运动轨迹。
4.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述背景提取和目标检测模块中背景提取是采用连续帧差分算法，目标检测是在背景提取的基础上，利用阈值分割来分割背景和鱼苗，再利用投影法得到鱼苗的运动坐标。
5.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述鱼苗为斑马鱼。
6.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述指定对象包括计算机的IP地址和用户的手机号码。
全文摘要
本发明公开了一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，包括监控容器、图像采集模块、图像数据预处理模块、背景提取和目标检测模块、运动跟踪模块、控制模块和GSM远程预警模块；本发明将待检测的原水和鱼苗导入到监控容器中，通过图像采集模块实时采集鱼苗的图像，图像依次传输到图像数据预处理模块、背景提取和目标检测模块、运动跟踪模块后得到鱼苗的运动轨迹，控制模块根据鱼苗的运动轨迹得到运动参数，将运动参数与正常值相比较得到提高幅度，超过用户设定的提高幅度则进行报警。本发明采用水污染生物测试法对原水进行检测，即利用水生生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能的变化，测试水质污染的状况。
文档编号G01N33/18GK102866237SQ20121032820
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者徐向民, 王杰耀, 庞聪, 侯世莹, 林培东, 周勤 申请人:华南理工大学