基于視頻信號的魚類過壩運動軌跡定位裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于視頻信號的魚類過巧運動軌跡定位裝置與方法，具體設(shè)及魚 類過巧運動軌跡監(jiān)測領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水利水電工程對河流的阻隔導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)受到了嚴(yán)重的影響。其中，對具有 徊游習(xí)性的魚類影響最大，由于大巧的阻隔，多種徊游魚類不能夠通過徊游完成繁衍，導(dǎo)致 其種類與數(shù)量都急劇減少。為降低大巧對運些徊游魚類種群的干擾，人們往往在大巧上修 建魚道等過魚設(shè)施。而目前在我國修建的過魚設(shè)施大多數(shù)不符合魚類的游動習(xí)性，因此其 過魚效果并不盡如人意。為修建符合魚類游動習(xí)性的魚道設(shè)施，改善河流的生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境， 就需要研究魚類的游動行為和軌跡，為魚道設(shè)計提供理論支撐。目前，由于水下能見度低和 環(huán)境的開放性等原因，一般的傳感器難W滿足對魚類游動行為和軌跡的定位要求，因此研 究人員主要采用聲響定位技術(shù)及水平魚影探測技術(shù)等來對魚的游動軌跡進(jìn)行跟蹤，但由于 水下聲噪聲復(fù)雜，且噪聲功率密度較大，魚游動產(chǎn)生的聲響信號易淹沒于環(huán)境噪聲中，加之 聲響信號定位技術(shù)本身較為復(fù)雜，因而在實際使用中效果并不理想。而機(jī)器視覺具有眼見 為實、魯棒性強(qiáng)的特點，通過視頻信號定位魚類的運動軌跡，一方面能夠?qū)崟r的區(qū)分待觀測 魚類與其他雜物的區(qū)別并判斷是否需要進(jìn)行定位；另一方面也能夠有效的降低水紋、噪聲 等因素的影響。因此，開發(fā)一種基于視頻信號的魚類過巧運動軌跡定位裝置是有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供一種基于視頻信號的魚類過巧運動軌跡定位裝置與方法，具有自動化 程度高、魯棒性強(qiáng)的特點，能夠?qū)崟r有效的定位魚類過巧運動軌跡。
[0004] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 基于視頻信號的魚類過巧運動軌跡定位裝置，包括視頻獲取裝置、視頻處理裝置， 所述視頻獲取裝置包括巧架、固定安裝在巧架相互垂直=個面上的=個水下攝像機(jī)：頂面 攝像機(jī)、右面攝像機(jī)、正面攝像機(jī)；所述視頻處理裝置包括計算機(jī)、安裝在計算機(jī)上的圖像 處理系統(tǒng)，所述水下攝像機(jī)與所述計算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接。
[0006] 所述巧架為長方體框架或者類長方體框架，其通過螺栓在魚槽中固定。
[0007] 所述巧架上的任意位置設(shè)置了絕對參考坐標(biāo)系，=個水下攝像機(jī)與絕對參考坐標(biāo) 系的位置、距離關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定。
[0008] 基于視頻信號的魚類過巧運動軌跡定位方法，包括W下步驟：
[0009]步驟1、背景建模：通過混合高斯算法建立動態(tài)的背景模型，首先為消除緩慢光照 變化對背景模型的影響，設(shè)置t時刻圖像中某一點的像素值為滑動平均像素值yt:
[0010]
(1)
[0011] 其中，a與n為設(shè)定闊值，yt。為第t-n時刻的此點的滑動平均像素值，pt為當(dāng) 前時刻t此點的像素值，當(dāng)光照發(fā)生緩慢變化時，背景點的yt也將發(fā)生緩慢變化但變化值 不超過設(shè)定的闊值，故仍可被認(rèn)為是背景；其次，由于振蕩的水紋會使背景像素值在幾個數(shù) 值間變化，故對每個像素值建立多個滑動平均值模型W消除水紋所造成的影響；并且，當(dāng)光 照發(fā)生變化使某一滑動平均值模型被擊中次數(shù)變少時，移除此模型；反之，若某一像素值被 頻繁的擊中，則對其建立新的滑動平均值模型。
[0012] 步驟2、前景匹配：確定水下攝像機(jī)視野中的背景信息后，圖像處理系統(tǒng)即可通過 降噪、二值化、帖差、邊緣提取等步驟識別出處于不同視角的水下攝像機(jī)所拍攝的=幅圖像 中的前景物體；當(dāng)S幅圖像中都只有一個前景物體時，則認(rèn)為此時S幅圖像中的前景物體 互相匹配的，為同一物體在不同攝像機(jī)中的投影圖；當(dāng)S幅圖像中有多個前景物體時，則提 取每幅圖像中每個前景物體中屯、點的坐標(biāo)，由=部水下攝像機(jī)位置的幾何關(guān)系可知，當(dāng)處 于不同圖像中的=個前景物體為同一物體的投影時，其由右面攝像機(jī)所拍攝前景物體中屯、 點坐標(biāo)的縱坐標(biāo)值yy。。應(yīng)和頂面攝像機(jī)所拍攝前景物體中屯、點坐標(biāo)的縱坐標(biāo)值ydhg相近或 相等，且正面攝像機(jī)所拍攝前景物體中屯、點坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值x,h。。,應(yīng)和頂面攝像機(jī)所拍攝前 景物體中屯、點坐標(biāo)的橫坐標(biāo)值Xdi。,相近或相等，故可由W下公式確定不同圖像中的=個前 景物體是否相匹配：
[001引I Iyyou-ydingII2〈了1,且I IX"ng-XzhengI I2〈了1似
[0014] 其中，Ti為設(shè)定闊值，當(dāng)II y胃-ydmg I I2及IIX dmg-XzhengI I2的值都小于T1時，則認(rèn)為 =幅圖像中前景物體相互匹配，可對運些前景物體進(jìn)行下一步處理。
[0015] 步驟3、魚類識別：當(dāng)確定互為同一物體投影的=個前景物體后，即可通過特征匹 配判定運些前景物體是否為魚類的投影，通過全局特征匹配與局部特征匹配聯(lián)合的方式對 前景物體進(jìn)行識別，首先考慮到魚類邊緣模板具有形狀獨特的頭部、背罐、尾罐特征，其頭 部、背罐、尾罐的上下、或左右邊緣的滿足一定的線性關(guān)系，故可通過計算前景物體相應(yīng)區(qū) 域的邊緣像素差值是否滿足線性關(guān)系W判斷其是否滿足局部特征匹配：
[001引
城
[0017] 其中，A：?為頭部區(qū)域圖像中的第i列的上下邊緣差值，0為標(biāo)準(zhǔn)差，Ti為設(shè)定闊 值。當(dāng)
的標(biāo)準(zhǔn)差小于闊值時，認(rèn)為此頭部區(qū)域的邊緣像素差值一定滿足 線性關(guān)系，滿足局部匹配要求，其他區(qū)域計算方式與頭部區(qū)域計算方式類似。
[0018] 步驟4、軌跡定位：若S幅圖像中的前景物體都滿足步驟3中的闊值要求時，貝U 認(rèn)為=個前景物體為魚類的投影，此時可按步驟2分別提取=個前景物體的中屯、點坐標(biāo)， 再結(jié)合絕對參考坐標(biāo)系與各個攝像機(jī)的位置關(guān)系，可得正面攝像機(jī)所拍攝前景物體的中 屯、點Pi的空間坐標(biāo)為（X1，yi，zi)，右面攝像機(jī)所拍攝前景物體的中屯、點P2的空間坐標(biāo)為 (而，72,Z2)，頂面攝像機(jī)所拍攝前景物體的中屯、點P3的坐標(biāo)為（X3, 73,Z3)。此時，設(shè)正面、右 面、頂面攝像機(jī)光軸的方向向量分別為51 = ("1，1'1，"0，5:=(":，1':，11'2)，5，=("川，"'.;），則每個中 屯、點沿其所對應(yīng)的方向向量所指的方向可形成S條空間直線Li，Lz，Ls。
[0019] 所述步驟3中，當(dāng)S個前景物體中任意一個滿足局部特征匹配時，則認(rèn)為此S個 前景物體為待識別魚類的投影，但由于魚類在水中游動時為不規(guī)則體且容易被雜物遮擋， 故有可能=個前景物體都不滿足局部特征匹配，此時則再根據(jù)全局特征匹配判定=個前景 物體是否為待識別魚類的投影，全局特征匹配采用對變形不敏感的改進(jìn)化矩值進(jìn)行計算， 得到=個前景物體的化矩值并查看運些化矩值是否滿足闊值要求：
[0020] ①：當(dāng)S個前景物體模型都不滿足闊值要求時，則判斷所拍攝的物體為非魚類；
[0021] ②：當(dāng)S個前景物體模型的其中一個滿足闊值要求時，則判斷所拍攝的物體為被 遮擋的魚類，但由于無法通過單一圖像獲得其=維軌跡，故不對其進(jìn)行軌跡定位；
[0022] ③：當(dāng)S個前景物體模型的匹配闊值的其中兩個滿足要求時，則判斷所拍攝的物 體為被遮擋的魚類，此時可通過滿足闊值要求的兩幅圖像對其進(jìn)行軌跡定位；
[0023] ④：當(dāng)S個前景物體模型的匹配闊值都滿足要求時，則判斷所拍攝的物體為未被 遮擋的魚類，此時可通過滿足闊值要求的=幅圖像對其進(jìn)行軌跡定位。
[0024] 所述步驟4中，
[002引 a:當(dāng)立條空間直線Li，L2,Ls相交于一點Q時，此時魚的最優(yōu)軌跡坐標(biāo)為立者交點 Q的坐標(biāo)；
[002引 b:當(dāng)；條空間直線Li，L2,L3其中兩條交于一點9，第；條與其他兩條互為異面直 線且與運兩條直線組成的平面相交于一點0時，此時魚類最優(yōu)軌跡坐標(biāo)為點Q與點0相連 線段的中點P的坐標(biāo)；
[0027] C:當(dāng)；條空間直線Li，L2,L3其中兩條互為異面直線，第；條與其他兩條分別相交 于點Q與點0時，此時魚類最優(yōu)軌跡坐標(biāo)為點Q與點0相連線段的中點P的坐標(biāo)；
[0028]d:當(dāng)S條空間直線Li，L2,L3互為異面直線時，過此S條直線W及它們的平行線可 構(gòu)建一空間六面體（如長方體的=條異面棱邊），此時魚的最優(yōu)軌跡坐標(biāo)為空間六面體的 體屯、Q的坐標(biāo)；
[0029] 若S幅圖像中的前景物體只有兩個滿足步驟3中的闊值要求時，則認(rèn)為其中一個 視圖受到了遮擋、變形等干擾，此時，擬除此干擾圖的信息并同上述處理方法可確定兩條空 間直線Li，L2。當(dāng)Li，L2相交于一點Q時，魚類最優(yōu)軌跡坐標(biāo)即為點Q的坐標(biāo)；當(dāng)L1，L2互為 異面