基于機器視覺的豬只腹式呼吸建模.pdf

1、機器視覺運動建模一般是指利用機器視覺手段來獲取視頻中目標物體的運動特征，并建立其運動模型的技術。它綜合了圖像處理、統(tǒng)計學、人工智能、信號處理等學科的知識，是目標異常行為分析和判斷的關鍵，廣泛應用于醫(yī)療、交通、安防監(jiān)控及科學研究等領域。
　　 豬只的腹式呼吸是指豬只因感冒、咳嗽、哮喘等病癥引起而呈現(xiàn)的腹式呼吸運動狀態(tài)。規(guī)模化養(yǎng)殖場日常工作的重點之一是疫病監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)具有腹式呼吸的疑似病豬，將采取相應的診治措施。但是監(jiān)測手段仍依靠

2、傳統(tǒng)的人工方式，即連續(xù)地觀察及記錄，不僅效率低下，甚至干擾豬只健康生長。
　　 隨著規(guī)?；B(yǎng)豬業(yè)近年來在我國取得了快速的發(fā)展，為提高生豬產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化水平，生產(chǎn)各環(huán)節(jié)自動化建設是必然的趨勢。本文主要針對規(guī)模養(yǎng)豬場常見站立姿病豬的腹式呼吸，研究了視頻圖像預處理技術、豬只目標提取方法、目標輪廓提取方法和豬只腹式呼吸建模方法，對于場景中具有完整側視圖的單只豬視頻，從基于離散型輪廓和連續(xù)型輪廓、三種基于豬只脊背和腹部輪廓線段(脊腹線)截距

3、的豬只腹式呼吸運動描述子、健康豬和腹式呼吸的病豬等不同方面詳細分析了所建立的一維波形信號模型的特點，實驗表明針對具有腹式呼吸的豬視頻，能取得效果較好的一維信號模型，可為獸醫(yī)診斷分析提供潛在的新途徑。本文形成了基于機器視覺的豬只腹式呼吸建模技術路線，可為規(guī)模養(yǎng)豬場視頻監(jiān)控自動化提供相關的技術基礎。
　　 論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)經(jīng)過研究圖像預處理技術和對豬舍中長白豬的彩色視頻圖像分析，針對圖像同質(zhì)區(qū)域光照不均

4、衡問題，采用非線性改善局部明暗區(qū)亮度值方法，使得圖像光照均衡化。盡管一般彩色圖像采用標準灰度化，但本文采用RGB分量自定義權重灰度化，更有助于偏向突出豬只目標。針對視頻圖像幀不可避免出現(xiàn)的噪聲，提出一種自適應中值濾波算法，通過考慮整體圖像中的局部變化，改變原始圖像中少量像素點的亮度值，不僅可以抑制噪聲還可以保留圖像的精細細節(jié)。針對預處理后的圖像質(zhì)量評價，采用一種基于圖像目標邊緣像素點梯度評估法，以處理后圖像和基準圖像目標邊緣上的對應像素

5、點梯度差值為樣本數(shù)據(jù)，通過假設檢驗來判斷預處理后的圖像質(zhì)量是否改善。
　　 (2)提出一種具有自適應性、低計算代價的豬舍固定攝像前景目標提取法，獲取對稱差分圖像和自適應背景更新的背景差分圖像，以狀態(tài)碼為條件輸出不同處理策略實現(xiàn)背景更新和前景融合，冉通過聯(lián)立紋理結構算子和HSV顏色空間陰影雙重檢測條件，增強了對陰影的識別能力，最終獲得精確的前景目標區(qū)域，該方法不僅適用于運動的前景目標檢測，也適用于運動緩慢或靜止的前景目標檢測。實驗

6、結果表明在豬舍內(nèi)無論單目標還是多目標，背景光線無論是柔和漸變還是強烈突變，都能夠消除空洞、拖影和陰影，并能較好地抑制電子噪聲和地面水漬及排泄物痕跡變化對前景的影響，為后繼豬只輪廓提取工作提供有利條件。
　　 (3)為了判斷視頻序列中是否含有豬只目標，研究了基于邊緣模型的前景幀檢測方法。盡管提取幀內(nèi)圖像邊緣采用Canny算子效果較好，但基于高斯函數(shù)的Canny算子存在平滑性和定位精度之間的矛盾，因此，在邊緣模型中引入能解決該矛盾的

7、偽球邊緣檢測算子。為了避免模型中的參數(shù)值根據(jù)經(jīng)驗估計，提出了參數(shù)計算模型，即幀序列滑動窗口幀數(shù)T、非背景像素判斷閾值η和序列幀噪聲邊緣判斷閾值TN，使得參數(shù)的獲取變得有章可循。
　　 (4)由于本研究最終針對單個側視圖的豬只建立其腹式呼吸模型，而視頻場景中的豬只因所在位置和首尾朝向原因，并不能保證其身體展示為正側視圖，因此，論文利用傅里葉描述子表示豬的輪廓，通過傅里葉反變換重構豬只輪廓，研究傅里葉系數(shù)的合理個數(shù)和豬身外接矩形的寬

8、長比，由傅里葉系數(shù)和豬身外接矩形寬長比構成輪廓特征向量，研究了視頻圖像幀目標屬性判別算法，利用馬氏距離判斷當前圖像幀的豬只目標是否是正側視圖，實驗結果表明具有豬身正側視圖的圖像正確識別精度為97.7％，為后繼豬只腹式呼吸建模提供條件。
　　 (5)針對站立姿腹式呼吸的豬只一般表現(xiàn)為僅僅站立不走時腹式呼吸運動顯著的習性特點，提出三種基于機器視覺的豬只腹式呼吸模型。通過獲取豬的身體重心位置，確定脊腹線單截距和脊腹線段，研究了單截距、

9、截距均值和敏感截距三種豬只腹式呼吸運動描述子，建立腹式呼吸一維信號模型。從模型中可提取腹式呼吸頻率，并通過人工檢測同源視頻樣本，驗證了本模型與人工識別結果的強相關性，表明機器視覺完全能夠替代人工觀測進行腹式呼吸頻次的測量。由于模型的基準選擇為豬身區(qū)域的重心，因此豬站立腹式呼吸運動時身體的前后晃動不影響模型的穩(wěn)定性。并分析了腹式呼吸豬只和健康豬只的一維信號波形圖的差別，表明該模型能夠表達豬只腹式呼吸運動，可為獸醫(yī)診斷分析提供潛在的新途徑。