本發(fā)明涉及海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測，具體涉及一種基于雙目視覺技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大量有毒有害物質(zhì)被直接排放到水中流入大海，對海洋環(huán)境及其生態(tài)系統(tǒng)造成很大的沖擊。而海洋環(huán)境中污染成分復(fù)雜，多種分子和離子之間同時(shí)參與各種作用(如協(xié)同、拮抗、相加作用等)，同時(shí)污染物的毒性還受到環(huán)境因子如酸堿環(huán)境、水溫等影響使生態(tài)毒性效應(yīng)產(chǎn)生許多出乎常規(guī)的反應(yīng)。這些化學(xué)品進(jìn)入環(huán)境后會(huì)經(jīng)歷降解、轉(zhuǎn)化、結(jié)合等一系列化學(xué)反應(yīng)過程，產(chǎn)生一大批新的化合物。因此，單純的化學(xué)檢測并不能保證水質(zhì)安全。

判斷一種物質(zhì)是否有毒，最有效的方法就是使用活物來進(jìn)行驗(yàn)證，這就是生物毒性監(jiān)測。生物毒性監(jiān)測方法具有較好的靈敏性，一些低濃度甚至痕量的污染物進(jìn)入環(huán)境后，在能夠直接檢測或人類直接感受到以前，生物即可做出迅速的反應(yīng)顯示出癥狀，可以在早期發(fā)現(xiàn)污染，及時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，提升環(huán)境監(jiān)管能力，提高環(huán)境安全保證。

在利用生物監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行的海洋水質(zhì)毒性監(jiān)測中，針對貝類生物的研究最多。這取決于貝類生物種類豐富，活動(dòng)性極小，針對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，對多種污染物具有富集特征，而且檢測成本較低。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，正常情況下貝類都處于半張殼狀態(tài),通過濾水來吸取氧和養(yǎng)料；當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí),如污染物的存在,其外殼就會(huì)閉合以抵御外來物質(zhì)。污染物濃度越高，擴(kuò)散速度越快，蚌殼的閉合速度也越快。因此,可通過其蚌殼的開合變化來監(jiān)測環(huán)境狀況。

貝類生物監(jiān)測已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于評價(jià)重金屬污染及其通過食物網(wǎng)對生物地球化學(xué)循環(huán)造成的影響。歐洲萊茵河上的“萊茵預(yù)警模型”中就設(shè)置了六個(gè)國際預(yù)警中心，其中就有以貝類生物作為監(jiān)測對象而建立的水體生物毒性監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)：

1)荷蘭的Mosselemonitor儀器也是利用貽貝蚌殼張合頻率隨著水體污染狀況變化而變化的原理制備，可以對水體污染進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的連續(xù)監(jiān)測和預(yù)報(bào)預(yù)警，已成功應(yīng)用于河流及近海環(huán)境的污染監(jiān)測中。

2)烏克蘭“國家科學(xué)院海洋水文物理研究所”基于黑海中貽貝類生物的行為反應(yīng)連續(xù)監(jiān)測7年，發(fā)展相應(yīng)的算法和軟件技術(shù)，研制出自動(dòng)化生物監(jiān)測儀。該生物監(jiān)測儀所采用的是根據(jù)霍爾效應(yīng)的磁敏元件監(jiān)測方法：將貽貝固定在有機(jī)玻璃襯底上，貝殼雙面用硅橡膠粘合劑粘上磁感應(yīng)線圈。隨著兩個(gè)線圈之間距離的變化，磁場的大小會(huì)發(fā)生變化，所產(chǎn)生的電勢隨著蚌殼的張合也將發(fā)生變化。

通過初步的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)方法存在兩種弊端：

a)貝殼表面的粘合膠以及霍爾傳感器的磁感應(yīng)線圈會(huì)對貽貝的生物活性有一定影響，一定程度上破壞了貽貝本身的生活狀態(tài)，無法準(zhǔn)確反映水質(zhì)毒性，穩(wěn)定性較差；

b)因固定位置的不確定以及霍爾元件易受磁場干擾精度不高，導(dǎo)致實(shí)際測量精度≥±0.5mm，而一般個(gè)體貽貝蚌殼最大張開距離不超過8mm，誤差率高達(dá)±6.25％，這種誤差級別無法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測量水體不同濃度、不同種類的毒性，易發(fā)生誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，系統(tǒng)靈敏度較低。

本發(fā)明通過非接觸方式的雙目機(jī)器視覺技術(shù)解決以上存在的所有問題，為今后開發(fā)基于雙目立體視覺技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化的高可靠性、高靈敏度的海洋水質(zhì)毒性監(jiān)測系統(tǒng)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)精度低、可靠性差的不足，采用以下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種基于雙目視覺技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測設(shè)備，包括雙目攝像機(jī)固定架、安裝在雙目攝像機(jī)固定架上的雙目攝像機(jī)組、貽貝活性觀測體系、連接攝像機(jī)固定架和貽貝活性觀測體系的滑軌、視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路、連接雙目攝像機(jī)組固定架與視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路的水密電纜和與視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路相連的可以發(fā)出指令和輸出結(jié)果的電腦，貽貝活性觀測體系包括貽貝觀測槽和帶有標(biāo)記點(diǎn)的貽貝活體，貽貝觀測槽固定在滑軌上。雙目攝像機(jī)固定架包括步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、傳動(dòng)皮帶和同步輪。雙目攝像機(jī)組由兩臺(tái)水下高清攝像機(jī)組成，兩臺(tái)水下高清攝像機(jī)安裝角度可以在0°-180°范圍內(nèi)可調(diào)。攝像機(jī)組平面與貽貝活性觀測體系的距離在200mm—500范圍內(nèi)可調(diào)。貽貝觀測槽分為三層，是網(wǎng)格狀排列的多個(gè)通筒的集合。

優(yōu)選地，貽貝觀測槽有24個(gè)通筒。

優(yōu)選地，貽貝觀測槽為有機(jī)玻璃材質(zhì)。

優(yōu)選地，攝像機(jī)的圖片拍攝速度為50ms。

處于不同成長期的貽貝對于水體污染的響應(yīng)程度不同，選擇最為靈敏貽貝個(gè)體作為監(jiān)測對象，以減小個(gè)體差異。按照個(gè)體大小分組，將各組貽貝同時(shí)放入相同的水體環(huán)境中，向水體添加從低濃度到高濃度的污染物(石油類污染物、重金屬污染和有機(jī)磷農(nóng)藥)，記錄各組貽貝的行為反應(yīng)，選擇反應(yīng)最為靈敏貽貝作為監(jiān)測對象。

雙目攝像機(jī)組由兩臺(tái)水下高清攝像機(jī)以固定角度組裝而成，貽貝活性觀測體系由貽貝觀測槽以及做好標(biāo)記點(diǎn)的貽貝活體組成，兩個(gè)部分的直線間距在200mm～500mm范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。將一組貽貝依靠其自身生長的足絲固定在有機(jī)玻璃制作的觀測槽襯底上,在貝殼上下表面各做一個(gè)標(biāo)記點(diǎn),通過固定的雙目視覺監(jiān)測平臺(tái)觀察標(biāo)記點(diǎn)的相對位移，并將3D圖像數(shù)據(jù)記錄在上位機(jī)電腦中。該監(jiān)測平臺(tái)將可以同時(shí)對20只以內(nèi)的貽貝進(jìn)行張合狀況監(jiān)測，每50ms可以傳回一張圖像特征，通過前后圖像的特征點(diǎn)變化對比分析，得出貽貝蚌殼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將進(jìn)行試驗(yàn)的每組貽貝張合頻率在計(jì)算機(jī)端統(tǒng)計(jì)分析轉(zhuǎn)化為一組數(shù)字信號(hào)。根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)在左右攝像機(jī)圖像上的位置關(guān)系計(jì)算出景物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)三維測量。

雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪正向轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過傳動(dòng)皮帶帶動(dòng)同步輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使攝像機(jī)I固定架定向轉(zhuǎn)動(dòng)；而通過齒輪咬合驅(qū)動(dòng)的反向齒輪則會(huì)反向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)同步輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使攝像機(jī)II固定架定向轉(zhuǎn)動(dòng)；最終實(shí)現(xiàn)了雙目攝像機(jī)呈鏡像姿態(tài)調(diào)整夾角的功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，方便更換貽貝活體；分辨率高，測量精度高；非接觸測量，不影響貝類的生活習(xí)慣，對生物體活性無影響，能夠比較精確的測量貝類對于水體毒性的反應(yīng)(蚌殼的開合)，可靠性高。

附圖說明

圖1：本發(fā)明一種基于雙目視覺技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本發(fā)明一種基于雙目視覺技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性監(jiān)測設(shè)備立體圖；

圖3：本發(fā)明中雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖；

圖4：本發(fā)明中雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)仰視圖；

圖5：本發(fā)明中雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)右視圖。

其中：1.活體貽貝；2.蚌殼標(biāo)記點(diǎn)；3.貽貝觀測槽；4.滑軌；5a.水下攝像機(jī)I；5b.水下攝像機(jī)II；6.雙目攝像機(jī)固定架；7.水密線纜；8.視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路；9.電腦；10.步進(jìn)電機(jī)；11a.驅(qū)動(dòng)齒輪I；11b.驅(qū)動(dòng)齒輪II；12a.傳動(dòng)皮帶I；12b.傳動(dòng)皮帶II；13a.同步輪I；13b.同步輪II。

具體實(shí)施方式

在青島市膠州灣養(yǎng)殖區(qū)選擇監(jiān)測對象，按照個(gè)體大小分為大、中、小三組，每組20個(gè)樣品。大、中、小個(gè)體組評價(jià)殼長分別(12±0.5)cm、(9±0.3)cm、7.5±0.2)cm。將三組貽貝同時(shí)放入相同的水體環(huán)境中，向水體添加從低濃度到高濃度的污染物(石油類污染物、重金屬污染和有機(jī)磷農(nóng)藥)，記錄三組貽貝的行為反應(yīng)，選擇反應(yīng)最為靈敏一組貽貝作為監(jiān)測對象，以下實(shí)驗(yàn)過程中所選的監(jiān)測對象均參照本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇，每次實(shí)驗(yàn)選擇個(gè)體相似的貽貝活體24只作為監(jiān)測對象。

如圖1-5所示，一種基于雙目視覺技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測設(shè)備，包括雙目攝像機(jī)固定架6、安裝在雙目攝像機(jī)固定架6上的雙目攝像機(jī)組5a和5b、貽貝活性觀測體系、連接攝像機(jī)固定架6和貽貝活性觀測體系的滑軌4、視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路8、連接雙目攝像機(jī)組固定架6與視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路8的水密電纜7和與視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路8相連的可以發(fā)出指令和輸出結(jié)果的電腦9，貽貝活性觀測體系包括貽貝觀測槽3和帶有蚌殼標(biāo)記點(diǎn)2的活體貽貝1，貽貝觀測槽3固定在滑軌4上。雙目攝像機(jī)固定架6包括步進(jìn)電機(jī)10、驅(qū)動(dòng)齒輪11a和11b、傳動(dòng)皮帶12a和12b和同步輪13a和13b。雙目攝像機(jī)組由兩臺(tái)水下高清攝像機(jī)組成，貽貝觀測槽3分為三層，是網(wǎng)格狀排列的多個(gè)通筒的集合。貽貝觀測槽3有24個(gè)通筒。

雙目攝像機(jī)組由兩臺(tái)水下高清攝像機(jī)5a和5b以固定角度組裝而成，貽貝活性觀測體系由貽貝觀測槽3以及做好蚌殼標(biāo)記點(diǎn)2的貽貝活體1組成，兩個(gè)部分的直線間距在200mm～500mm范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。將一組(20只)貽貝依靠其自身生長的足絲固定在有機(jī)玻璃制作的觀測槽3襯底上,在貝殼上下表面各做一個(gè)蚌殼標(biāo)記點(diǎn)2,通過固定的雙目視覺監(jiān)測平臺(tái)觀察標(biāo)記點(diǎn)的相對位移，并將3D圖像數(shù)據(jù)記錄在上位機(jī)電腦9中。該監(jiān)測平臺(tái)將可以同時(shí)對20只以內(nèi)的貽貝進(jìn)行張合狀況監(jiān)測，每50ms可以傳回一張圖像特征，通過前后圖像的特征點(diǎn)變化對比分析，得出貽貝蚌殼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將進(jìn)行試驗(yàn)的每組貽貝張合頻率在計(jì)算機(jī)端統(tǒng)計(jì)分析轉(zhuǎn)化為一組數(shù)字信號(hào)。

將培養(yǎng)并篩選好的活體貽貝1每一只的蚌殼上、下邊緣都做好標(biāo)記點(diǎn)2，并依次放置在貽貝觀測槽3的每一格中，于水下靜置。貽貝觀測槽3采用有機(jī)玻璃材質(zhì)，分為3層每層8個(gè)分格，共24格，每一格中可放置一只貽貝，貽貝會(huì)通過自身生長的絲足固定在觀測槽的格中，觀測槽采用前后通透結(jié)構(gòu)，方便海水交換。貽貝觀測槽3固定在滑軌4上，不可移動(dòng)。雙目視覺監(jiān)測平臺(tái)由兩臺(tái)水下攝像機(jī)5a和5b和雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)6組成，其中水下攝像機(jī)I5a和水下攝像機(jī)II5b按照固定角度和固定距離，對稱地安裝在雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)6上(雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)6內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理詳見圖3-圖5)，角度和距離取決于水下攝像機(jī)I5a和水下攝像機(jī)II5b能否完全、清晰地觀測到整體目標(biāo)區(qū)域——活體貽貝1。雙目視覺監(jiān)測平臺(tái)和視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路8之間通過水密線纜7連接。視覺信號(hào)處理運(yùn)算電路8主要處理簡單的二維圖像信息，通過電腦9的進(jìn)一步運(yùn)算處理將兩部攝像機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行三維標(biāo)定，立體匹配，去除噪聲，實(shí)現(xiàn)三維重建，得出標(biāo)記點(diǎn)2的位移變化，通過50ms的圖像拍攝速度，進(jìn)而得出蚌殼的開合角度、頻率，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測海洋水質(zhì)毒性的功能。

針對雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理采用步進(jìn)電機(jī)10驅(qū)動(dòng)齒輪11a正向轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過傳動(dòng)皮帶12a帶動(dòng)同步輪13a同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使攝像機(jī)I固定架5a定向轉(zhuǎn)動(dòng)；而通過齒輪咬合驅(qū)動(dòng)的反向驅(qū)動(dòng)齒輪11b則會(huì)反向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)同步輪13b同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使攝像機(jī)II固定架5b定向轉(zhuǎn)動(dòng)；最終實(shí)現(xiàn)了雙目攝像機(jī)呈鏡像姿態(tài)調(diào)整夾角的功能。

以上所述僅是本發(fā)明的基本原理，并非對本發(fā)明作任何限制，本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員利用以上技術(shù)內(nèi)容做出等同變化和修飾，均在本專利技術(shù)保護(hù)方案的范疇之內(nèi)。