一种浮游生物趋光性检测装置及分析方法

1.本发明涉及科学仪器装置技术领域，尤其涉及一种浮游生物趋光性检测 装置及分析方法。


背景技术：

2.浮游生物是海洋生态系统的基础，大部分浮游生物具有明显的趋光性， 研究浮游生物趋光性具有重要意义。例如，多室草苔虫幼体具有明显的趋光 性，其幼体附着在各种海洋装置上会成长为多室草苔虫成体种群，造成严重 的污损问题。研究多室草苔虫幼体的趋光性将有助于改善日益严重的草苔虫 污损问题。由于在实际环境中研究浮游生物趋光性的难度很大，因而有必要 提供一种浮游生物趋光性检测装置进行研究。
3.现有的浮游生物趋光性检测装置普遍设置单一光源，开启光源后静置检 测装置，通过观察浮游生物在一定时间后在装置中不同位置的数量分布或者 是观察一定时间内映出的投影灰度情况进行分析，检测装置的设置存在着许 多缺点使得检测结果难以用于科学研究，所进行的分析局限性强。具体地， 单一光源的设置使得检测装置只能用于测定浮游生物对某一类型光源的趋光 性反应。而且，还存在着如使用明场照明时，观测透明浮游生物的样本对比 度弱，因而仅适用于观测非透明浮游生物趋光性的局限性。进一步，观测浮 游生物的投影所观察的投影位置与其实际位置不同，检测结果会有误差。此 外，现有的浮游生物趋光性检测装置无法对浮游生物趋光性表征进行量化， 难以生成用于科学研究的数据。


技术实现要素：

4.有鉴于此，为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种普适性强， 能够用于分析不同的浮游生物对于不同波长光的趋光性特征，且能够将观察 结果生成用于科学研究的数据的浮游生物趋光性检测装置。
5.具体地，本发明的浮游生物趋光性检测装置，包括检测盒和设置在所述检 测盒一侧的光诱导单元，所述光诱导单元包括诱导光源、光纤和光束耦合器， 所述诱导光源的波长可切换，所述光纤连接所述光束耦合器和所述诱导光源， 所述光束耦合器用于出光；还包括：照明单元，围绕所述检测盒分布，用于 照明所述检测盒；成像单元，设置在所述检测盒上方，用于获取所述检测盒 内影像。所述光诱导单元能够发出不同波长的光，用于分析浮游生物对不同 波长光的趋光性特征。进一步，还包括阻挡件，所述阻挡件可拆卸地放置在 所述检测盒内，所述阻挡件可在所述检测盒内移动，能够将检测盒的内部空 间分为两个部分，用于限制检测样本在检测盒中的初始位置。在光强一定时， 当需要测定距诱导光源特定距离下的浮游生物趋光性时，可通过移动阻挡件 来调节阻挡件与诱导光源间的距离。
6.优选地，所述照明单元包括低于所述检测盒设置的多个照明器，所述多个 照明器分别设置在明场照明区域和暗场照明区域；
7.所述明场照明区域位于所述检测盒下方，所述暗场照明区域位于所述检测 盒旁侧。照明环境可以在明场与暗场照明之间切换，既能够观测非透明浮游 生物，又可以观测透明浮游生物，普适性强。所述检测盒的底及靠近所述诱 导光源的一侧为透明壁面，其余壁面为非透明壁面。可选地，非透明壁面可 以为黑色毛玻璃，防止诱导光源射出的光线经过检测盒壁面反射后影响浮游 生物的行为与运动方向，导致观察结果不准确。
8.在一些实施例中，为了形成良好的诱导光源照明角度，所述光束耦合器的 光轴位于所述检测盒内的水体横截面的中心。优选地，还包括准直器，所述 准直器连接所述光束耦合器，用于限制所述光诱导单元的光束发散范围以达 到更好的照明效果。
9.进一步，还包括固定支撑单元，所述固定支撑单元包括支撑结构、连接钣 金和固定钣金，所述检测盒可拆卸地连接支撑结构，所述连接钣金连接所述 支撑结构和所述成像单元，所述固定钣金连接所述支撑结构和所述光诱导单 元。所述固定支撑单元能够限制检测装置各部分之间的位置关系，便于连续 进行检测条件相同或近似的研究。
10.一种浮游生物趋光性分析方法，用于解析浮游生物的运动状态，所述浮游 生物趋光性分析方法包括：
11.s1：采用权利要求1-6任一项所述的浮游生物趋光性检测装置录制浮游生 物趋光性视频；
12.s2：将所述视频转换为图像序列；
13.s3：将所述图像序列中的图像进行灰度化处理；
14.s4：将灰度化后得到的图像进行校正；
15.s5：根据步骤s4得到的校正后的图像选择跟踪目标进行跟踪；
16.s6：得到所述跟踪目标的运动轨迹；
17.s7：分析所述运动轨迹。
18.一种浮游生物趋光性分析方法，用于解析浮游生物的数量分布，所述浮游 生物趋光性分析方法包括：
19.a1：采用权利要求1-6任一项所述的浮游生物趋光性检测装置录制浮游生 物趋光性视频；
20.a2：将所述视频转换为图像序列；
21.a3：将所述图像序列中的图像进行灰度化处理；
22.a4：将灰度化后得到的图像进行校正；
23.a5：提取所述视频的背景图像；
24.a6：对所述背景图像进行灰度化和校正；
25.a7：对所述背景图像进行二值化，得出检测盒的感兴趣区域；
26.a8：剪裁所述背景图像与所述序列图像的背景图像，根据上述图像提取背 景校正后的图像；
27.a9：对所述背景校正后的图像进行高斯滤波-二值化操作；
28.a10：对二值化后的图像进行斑点检测并进行标记；
29.a11：根据斑点位置信息绘制浮游生物数量分布图。
30.进一步，所述“录制浮游生物趋光性视频”包括：
31.a：将水样加入所述检测盒；
32.b：打开所述照明单元；
33.c：调节所述阻挡件与所述诱导光源的距离；
34.d：在检测盒内加入检测样本；
35.e：打开所述阻挡件与所述诱导光源，所述成像单元进行录制。
36.优选地，所述“将灰度化后得到的图像进行校正”包括进行畸变校正和旋 转校正。畸变校正可以校正由于镜头镜片系统的放大率差异导致的畸变，旋 转校正可以校正由于检测盒与相机不对齐而导致的角度误差，有利于在后续 分析中得出更为精准的结果。
37.综上所述，本发明的浮游生物趋光性检测装置采用可切换波长的诱导光 源，可以分析浮游生物对于不同波长光的趋光性特征。进一步，照明单元包 括明场照明器和暗场照明器使得照明环境可以在明场与暗场照明之间切换， 既能够观测非透明浮游生物，又可以观测透明浮游生物，普适性强。应用本 发明的浮游生物趋光性检测装置进行浮游生物的趋光性分析方法以视频数据 为基础，可以解析出浮游生物的运动状态，包括运动轨迹、运动角度、运动 速率及其数量分布。且本检测装置直接观测浮游生物本体，对于浮游生物的 位置检测精准无误，将录制的浮游生物趋光性视频进行量化，生成相应的数 据用于科学研究有利于得出更为精准的分析结果。
附图说明
38.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中 所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明的浮游生物趋光性检测装置整体结构示意图；
40.图2为图1所示的浮游生物趋光性检测装置的剖视图；
41.图3为实施例2的浮游生物趋光性检测装置的支撑结构示意图；
42.图4为实施例2的浮游生物趋光性检测装置的连接钣金的结构示意图；
43.图5为实施例2的浮游生物趋光性检测装置的固定件的结构示意图；
44.图6为实施例2的浮游生物趋光性检测装置的固定钣金的结构示意图；
45.图7为图1所示的浮游生物趋光性检测装置的俯视图；
46.图8为实施例2的浮游生物趋光性检测装置的转接件的结构示意图；
47.图9为图8所示的转接件的剖视图；
48.图10为实施例2的浮游生物趋光性检测装置的照明器的结构示意图；
49.图11为图10所示的照明器的剖视图；
50.图12为多室草苔虫幼体趋光性视频序列图灰度化后的结果图；
51.图13为图12进行畸变校正后的结果图；
52.图14为图13进行旋转校正后的结果图；
53.图15为实施例3的选择追踪目标的示意图；
54.图16为实施例3的追踪结果图；
55.图17a为实施例3分析得出的多室草苔虫幼体的运动角度曲线；
56.图17b为实施例3分析得出的多室草苔虫幼体的运动速率曲线；
57.图18为实施例4的背景提取的结果图；
58.图19为图18进行图像校正后的结果图；
59.图20为背景图像二值化后的结果图；
60.图21为roi的自动选择示意图；
61.图22为根据背景图像与roi得出的背景校正示意图；
62.图23为开始时浮游生物数量分布示意图；
63.图24为结束时浮游生物数量分布示意图；
64.图25为开始时浮游生物数量分布柱状图；
65.图26为结束时浮游生物数量分布柱状图。
66.附图标记：
67.101-红外摄像头；102-铜柱；201-诱导光源；202-光纤；203-光束耦合 器；204-准直器；301-第一照明器；302-第一转接件；303-第二转接件；304
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第三转接件；305-第四转接件；306-第二照明器；307-第三照明器；308-弹 性凸起；309-第一通孔；310-第二通孔；401-检测盒；402-阻挡件；501-支 撑结构；5011-第一板件；5012-第二板件；5013-侧板；502-连接钣金；5021
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安装板；503-固定件；504-固定钣金。
具体实施方式
68.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不 是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出 创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
69.本发明提供了一种浮游生物趋光性检测装置，包括样品检测单元、光诱 导单元、照明单元和成像单元，光诱导单元用于发光以检测浮游生物的趋光 性，照明单元采用不会对浮游生物产生影响的光源对样品检测单元进行照明， 设置成像单元获取浮游生物的运动情况。应用本发明的浮游生物趋光性检测 装置进行研究能够以成像单元所获取的影像为基础，解析出浮游生物的运动 状态，包括运动轨迹、运动角度、运动速率及其数量分布。将获取的浮游生 物趋光性影像进行量化，生成相应的数据以用于科学研究，有利于得到更准 确的分析结果。
70.实施例1
71.参见图1和图2，为本发明的浮游生物趋光性检测装置的结构示意图。固 定支撑单元包括支撑结构501、连接钣金502、固定钣金504和固定件503， 样品检测单元、光诱导单元、照明单元和成像单元通过固定支撑单元进行连 接。具体地，支撑结构501包括侧板5013和平行设置的第一板件5011、第二 板件5012，侧板5013连接第一板件5011和第二板件5012。样品检测单元包 括检测盒401，检测盒401可拆卸地连接支撑结构501的第一板件5011和第 二板件5012。优选地，样品检测单元还包括可拆卸的阻挡件402，如挡板、 滤网等。阻挡件402与检测盒401的截面形状、尺寸相等，放置在检测盒401 的盒体内部，能够将检测盒401的内部空间分为两个部分，用于限制检测样 本在检测盒401中的初始位置。在光强一定时，当需要测定距诱导光源201 特定距离下的浮游生物趋光性时，可通过水平移动阻挡件402来调节阻挡件 402与诱导光源201间的距离。
72.检测盒401与诱导光源201间的距离可调节从而影响诱导光源201在检 测盒401内的发散范围，本发明要求诱导光源201在检测盒401中充分发散， 充满整个检测盒401。连接钣金502安装在侧板5013上，成像单元通过连接 钣金502设置在检测盒401上方，用于获取检测盒401内的影像，连接钣金 502可进行上下调节，从而确定合适的成像位置。
73.光诱导单元包括诱导光源201、光纤202、光束耦合器203，诱导光源201 通过光纤202与光束耦合器203相接，光束耦合器203安装在固定件503上， 固定件503通过固定钣金504安装在支撑结构501的第一板件5011上，具体 地，诱导光源201的光轴位于检测盒401竖直方向的中轴线上，固定钣金504 可进行上下调节，从而确定合适的出光高度。使用本发明的浮游生物趋光性 检测装置时，调节至诱导光源201的光轴位于检测盒401内的水体横截面的 中心。优选地，诱导光源201设置为可切换波长的光源，例如，多波长激光 器、超连续白光激光器、宽谱光源加滤光片、多波长led阵列等，可以通过 射出不同波长的光来检测浮游生物对于不同波长光的反应。优选地，光诱导 单元还包括准直器204，准直器204连接光束耦合器203，准直器204能够限 制光诱导单元的光束发散范围以达到更好的照明效果。照明单元包括与支撑 结构501连接的多个照明器，照明器设置的位置低于检测盒401，照明器能够 上下调节以确定合适的照明位置。
74.实施例2
75.参见说明书附图3，为本实施例所采用的支撑结构501的具体结构示意图。 侧板5013包括相互垂直的第一部分和第二部分，第一部分竖直设置，第二部 分的两端分别连接第一板件5011和第二板件5012。第一板件5011、第二板 件5012及第一部分上设置有多个圆角长方形状的通孔，其中，第一板件5011 和第二板件5012上的通孔对称设置。第一照明器301、第二照明器306、第 三照明器307和连接钣金502采用螺栓结构与支撑结构501连接，上述结构 进行调节时，首先将螺母旋开，然后在通孔内进行移动，移动至目标位置后 将螺母旋紧以进行固定。
76.参见说明书附图4，连接钣金502为l型，顶部为用于安装成像单元的安 装板5021。具体地，成像单元包括红外摄像头101和多个铜柱102，红外摄 像头101穿过安装板5021上的通孔，通过多个铜柱102连接安装板5021进 行固定。在本实施例中采用的摄像头的视角为76.6
°
，检测盒401尺寸为 100mm
ⅹ
20mm
ⅹ
20mm，摄像头距检测盒401底部100mm以确保摄像头的视 场覆盖整个检测盒401。参见图5和图6，为固定件503和固定钣金504的结 构示意图。光束耦合器203与盘形固定件503通过螺纹连接，盘形固定件503 与固定钣金504之间通过螺栓连接。
77.参见图7-图11，在本实施例中照明单元包括三个分别设置在明场照明区 域和暗场照明区域的照明器，具体地，第一照明器301设置在检测盒401下 方，第二照明器306和第三照明器307对称分布在检测盒401的两侧、低于 检测盒401底部的位置，第一照明器301、第二照明器306和第三照明器307 为红外照明器。具体地，第二照明器306通过第一转接件302、第二转接件 303与支撑结构501连接，第三照明器307通过第三转接件304、第四转接件 305与支撑结构501连接。优选地，转接件上设置有连接支撑结构501的第一 通孔309和固定照明器的第二通孔310，第二通孔310包括两个以上直径不同 的相连通的圆形通孔，照明器一侧的连接部上设置有弹性凸起308，弹性凸起 308配合第二通孔310以形成对照明器的位置固定，第二照明器306和第三照 明器307可绕第二通孔310的中轴线旋转以调节照明角
度。具体地，使用第 一照明器301时，第一照明器301与检测盒401底部的距离可根据检测盒401 中的水面高度进行调节，例如，本实施例中检测盒401内加入的水占检测盒401容积的1/3，第一照明器301距检测盒底部20mm。使用第二照明器306 和第三照明器307进行照明时要求检测盒401底部处于光源的发散角度内， 而成像单元的镜头处于光源的发散角度之外，及光源发出的光不能直接进入 镜头。
78.进一步，矩形检测盒401的底部及靠近诱导光源201的一面为透明壁面， 其余壁面为非透明壁面。在本实施例中，非透明壁面为黑色毛玻璃，防止诱 导光源201射出的光线经过检测盒401壁面反射后影响浮游生物的行为与运 动方向，导致观察结果不准确。进行研究时，根据观测时的需要打开不同的 照明器以形成不同照明环境，例如：当需要观测或录制黑色浮游生物时，打 开检测盒401底部的第一照明器301以形成明场照明环境，突出非透明浮游 生物；当需要观测或录制透明浮游生物时，打开第二照明器306、第三照明器 307以进行暗场照明，突出透明浮游生物。
79.实施例3
80.本实施例为的应用本发明的浮游生物趋光性检测装置进行浮游生物的运 动轨迹、运动角度、运动速度的获取方法。
81.对于在使用本发明的浮游生物趋光性检测装置的过程中对于采用明场照 明或者暗场照明的判断可以通过如下方法进行判断：
82.在明场照明环境下拍摄浮游生物在检测盒401内的图像，得出样本对比 度
83.将得出的样本对比度与需要达到的样本对比度标准进行比较，判断是否 达到样本对比度标准；
84.若结果为是，则采用明场照明，若结果为否，则采用暗场照明。
85.可选地，也可以通过拍摄暗场照明环境下的图像计算样本对比度进行判 断。
86.确定所需要采用的照明环境后，进行浮游生物趋光性检测：
87.s1：在暗室中录制浮游生物趋光性视频，以多室草苔虫幼体为例，录制 过程如下：
88.s101、将水样加入检测盒401中；
89.s102、打开照明单元中的第一照明器301；
90.s103、根据需要观测的多室草苔虫幼体距诱导光源201距离，调节阻挡 件402与诱导光源201间的距离；
91.s104、在检测盒401内远离诱导光源201的一侧加入多室草苔虫幼体；
92.s105、启动诱导光源201，去除阻挡件402，红外摄像头101开始录制；
93.s106、等待一段时间后，红外摄像头101结束录制，得到多室草苔虫幼 体趋光视频。
94.s2：将录制得到的视频转换为图像序列。
95.s3：将序列中的图像进行灰度化处理，得到灰度图像，如图12所示。对 图像进行灰度化处理可以将三通道的彩色图像转换为单通道的灰度图像，简 化后续的图像处理操作。
96.s4：进行图像校正，对灰度图像进行镜头畸变校正，得到图13。镜头畸 变校正可以校正由于镜头镜片系统的放大率差异导致的畸变。对校正后的图 像进行旋转校正，得到图14。旋转校正可以校正由于检测盒401与相机不对 齐而导致的角度误差。
97.s5：得到校正后的图像后，进行草苔虫幼体的轨迹跟踪，首先选择跟踪 目标，如图
15所示。选择好跟踪目标之后，开始跟踪。可选地，根据研究需 要可以选择一个或多个目标进行跟踪。
98.s6：跟踪结束后得到多室草苔虫幼体的运动轨迹，如图16所示。
99.s7：对草苔虫幼体运动轨迹进行分析得到其运动角度与速率随时间变化 的曲线图，如图17a和图17b所示。
100.根据多室草苔虫幼体的运动角度及速率信息分析其趋光性强弱。
101.实施例4
102.本实施例为的应用本发明的浮游生物趋光性检测装置进行浮游生物的数 量分布获取方法，其中，本实施例在进行步骤1的录制浮游生物趋光性视频 时未采用阻挡件调节多室草苔虫幼体与光源的距离，可选地，进行浮游生物 的数量分布获取时步骤1可以与实施例3相同；步骤2-4的对序列图像的处理 方法与实施例3相同。
103.a1：在暗室中录制浮游生物趋光性视频，以多室草苔虫幼体为例：
104.a101、将水样和多室草苔虫幼体加入检测盒401中，静置使多室草苔虫 幼体分布在整个检测盒401中；
105.a102、打开第一照明器301，启动诱导光源201，红外摄像头开始录制；
106.a103、等待一段时间后，红外摄像头101结束录制，得到多室草苔虫幼 体趋光视频。
107.a2：将录制得到的视频转换为图像序列。
108.a3：将序列中的图像进行灰度化处理，得到灰度图像，如图12所示。
109.a4：进行图像校正，对灰度图像进行镜头畸变校正，得到图13。
110.a5：用mog2(高斯混合)算法提取录制视频的背景图像，得到图18。
111.a6：对背景图像进行灰度化-畸变校正-旋转校正，得到图19。
112.a7：对背景图像进行二值化，对二值化后的图像进行分析，得到检测盒 401的roi(感兴趣区域)，如图20、21所示。其中，图20为背景图像二值 化后的结构图，对图20进行最大轮廓检测，找到轮廓最左上角的坐标，然后 根据感兴趣区域的像素长度＝容器的长对应的像素数，感兴趣区域的像素宽度 ＝容器的宽对应的像素数得出感兴趣区域，本实施例中得出的感兴趣区域如图 21所示。
113.a8：裁剪背景图像与序列图像的roi(感兴趣区域)，并据此得出背景 校正后的图像。具体地，在本实施例中将两者相减，得到减背景后的背景校 正后的图像，如图22所示。可选地，也可通过将两者相除得出背景校正后的 图像。
114.a9：对背景校正后的图像进行高斯滤波-二值化操作。
115.a10：如图23、图24所示，对二值化后的图像进行斑点检测，所检测到 的斑点即为多室草苔虫幼体。将检测到的斑点标记在截取的原始图像序列中。 其中，图23为开始时浮游生物数量分布示意图，图24为结束时浮游生物数 量分布示意图。在本实施例中，浮游生物趋光性视频录制时间为30秒，图23 为录制进行1秒时浮游生物数量分布示意图，图24为录制进行30秒时浮游 生物数量分布示意图。图23、图24均包括上中下三部分，分别为原图、原图 经减背景与二值化后的图、对二值化后的图进行斑点检测画出斑点的图，能 够直观地看出二值化效果以及斑点检测的算法是否准确。
116.a11：通过斑点检测后的斑点位置信息绘制多室草苔虫幼体的数量分布柱 状图，
如图25、图26所示。其中，图25表示图23的多室草苔虫幼体的数量 分布情况，图26表示图24的多室草苔虫幼体的数量分布情况。
117.根据开始及结束时的浮游多室草苔虫幼体的数量分布信息分析得出其趋 光性指标。
118.上述数量分布柱状图的绘制为：将roi区域在水平方向上均分为十个区 域，计算每个区域内的幼虫占幼虫总数量的百分比，最后将十个区域内的幼 虫百分比绘制为一张数量分布柱状图。
119.在一些实施例中，同时设置多个浮游生物趋光性检测装置，设置相同的 照明单元照明位置、诱导光源与检测盒的距离、成像单元成像距离等，分别 放入同样的水量和数量相等的浮游生物，分别采用不同波长的诱导光源进行 浮游生物趋光性视频的录制，能够更快地准确获取浮游生物对不同波长光源 的趋光性特征信息。
120.综上所述，本发明提供的浮游生物趋光性检测装置应用了可切换波长的 诱导光源，可以用于浮游生物对于不同波长光的趋光性特征。进一步，照明 单元可切换明暗场照明，既能够观测非透明浮游生物，又可以观测透明浮游 生物，普适性强，并且本检测仪直接观测浮游生物本体，对浮游生物的位置 检测精准无误差。应用本发明的浮游生物趋光性检测装置进行的浮游生物趋 光性特性分析以视频数据为基础，可以解析出浮游生物的运动状态，包括运 动轨迹、运动角度、运动速率及其数量分布。将录制的浮游生物趋光性视频 进行量化，生成相应的数据以用于科学研究，有利于得出更准确的分析结果。
121.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，除了以上实施 例以外，还可以具有不同的变形例，以上实施例的技术特征可以相互组合， 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。