基于計算機(jī)視覺的母豬運動規(guī)律分析

劉怡然，馬亞州，張 勇，張宏嬌

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

中國是世界上第一大豬肉生產(chǎn)國和消費國，豬肉是人們?nèi)粘ｏ嬍持惺走x肉類膳食，其市場供應(yīng)量和產(chǎn)品質(zhì)量與人民的健康生活密切相關(guān)，生豬養(yǎng)殖在我國畜牧業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位。母豬的生產(chǎn)管理是生豬養(yǎng)殖環(huán)節(jié)中重要一環(huán)，其健康不僅關(guān)系到自身繁殖率和生產(chǎn)力，還關(guān)系到仔豬的出生和健康。然而，母豬能否正常繁殖的前提在于母豬發(fā)情是否正常，因此，在一定的時間范圍內(nèi)正確地鑒別與判斷母豬發(fā)情狀態(tài)是提高母豬生產(chǎn)率的技術(shù)關(guān)鍵。

在我國規(guī)模化、集約化生豬養(yǎng)殖場中，一般都采用限位欄飼養(yǎng)模式，對母豬的健康及發(fā)情狀態(tài)信息的監(jiān)控與采集主要依靠飼養(yǎng)員的連續(xù)觀察，人力負(fù)擔(dān)繁重，主觀性強(qiáng)且精度較低。近年來，研究人員將關(guān)注點放到了母豬的行為及健康狀態(tài)上，大部分是針對母豬運動、分娩、母性行為等角度展開，監(jiān)測方法也由人力朝電子測量、視頻監(jiān)測和聲音監(jiān)測等方向發(fā)展[1]。

本團(tuán)隊借助機(jī)器視覺的技術(shù)原理，分析養(yǎng)殖場的視頻監(jiān)控文件，自動識別動物行為，并統(tǒng)計表現(xiàn)各種行為的次數(shù)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對豬姿態(tài)、輪廓數(shù)據(jù)加以計算，輔以運動的行為參數(shù)，判定豬形體姿態(tài)和行為趨勢。應(yīng)用計算機(jī)視覺技術(shù)對牲畜進(jìn)行監(jiān)測，具有非接觸性的優(yōu)勢，不易造成牲畜應(yīng)激反應(yīng)，檢測結(jié)果更為客觀，且減少了人力勞動成本，因此，在養(yǎng)殖場內(nèi)部利用計算機(jī)視覺技術(shù)代替人工來監(jiān)測牲畜行為是未來養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展趨勢。

1 材料及實驗方法

1.1 視頻采集

本試驗所用的視頻數(shù)據(jù)來自于2020年7月山西太原五豐養(yǎng)殖種植育種有限公司養(yǎng)殖場采集，分析豬場實際環(huán)境狀況與攝像的頭安裝位置與角度對母豬目標(biāo)檢測有較好的效果，并布置實地視頻采集系統(tǒng)[2]，由于環(huán)境復(fù)雜，為了方便安裝，選用了TP-LINK1080P的云臺無線監(jiān)控攝像頭，型號為TP-IPC42A，采用的物理網(wǎng)絡(luò)連接使用了路由器和無線設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)訪問鏈路的建立采用端口映射以及路由器轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 實驗方法

首先，將豬身從背景中分離出來，選定適用于固定攝像頭的背景減去法作為試驗的運動目標(biāo)檢測方法[3]。其次，建立運動模型，對分幀后的圖片做閾值分割和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理。再次，將數(shù)學(xué)思想中的差分概念運用到母豬運動規(guī)律變化分析中，通過判斷相鄰兩秒內(nèi)位移差的乘值是否小于零，來表示母豬在這一秒內(nèi)是否是持續(xù)加速或者是持續(xù)減速。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為給后續(xù)獲取特征做準(zhǔn)備，在運動目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)上對圖像進(jìn)行一系列預(yù)處理操作，從而得到更為理想的前景。圖像預(yù)處理一般的操作通常包含像素亮度變換、圖像分割[4]、降噪以及數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運算等處理方法。本試驗中對豬只圖像的預(yù)處理操作流程如圖1所示。

圖1 豬只圖像預(yù)處理流程

上述步驟中的關(guān)鍵是采用最大類間方差法(OTSU)對所有采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值處理，核心是找最優(yōu)閾值、最大化方差結(jié)果。最佳測度基于直接由直方圖得到最優(yōu)閾值，從而區(qū)分出圖像的前景和背景。OTSU閾值操作后，對效果圖進(jìn)一步進(jìn)行去除孤立噪聲點和濾波操作，以得到較好的前景效果。

對30幀每秒的連續(xù)俯視視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，測試視頻數(shù)據(jù)圖像預(yù)處理結(jié)果如圖2所示，可看出，圖像預(yù)處理后提取到了較理想的前景目標(biāo)[5]。

圖2 預(yù)處理效果

1.4 豬只質(zhì)心坐標(biāo)計算

由于豬只具有形體特征以及非剛性特征，采用橢圓擬合[6]較合適。通過擬合得到豬只運動的中心點坐標(biāo)，再經(jīng)過數(shù)學(xué)計算公式得到運動特征參數(shù)，從而建立運動模型，流程如圖3所示。

圖3 俯視角度提取運動量

橢圓形狀對豬的非剛性特性不敏感，所以，選用橢圓對豬只進(jìn)行輪廓擬合，為進(jìn)一步提取豬只運動量做準(zhǔn)備。對于發(fā)情母豬的邊緣檢測，采用了多級邊緣檢測canny算子，先計算出待擬合橢圓的邊界坐標(biāo)，獲得輪廓點集向量信息，并得到最小外接矩形，最后將橢圓繪制出來。測試視頻針對發(fā)情豬橢圓擬合效果如圖4所示。

圖4 發(fā)情母豬橢圓擬合

1.5 運動模型建立

在運動目標(biāo)檢測以及圖像分割的基礎(chǔ)上提取豬只的位移、速度以及加速度等運動參量，并在此基礎(chǔ)上分析位移等趨勢改變次數(shù)。實驗數(shù)據(jù)選取幀速率30幀每秒的不同10段連續(xù)13 s的視頻。

因在本試驗中每30幀也就是1s采集一次位移數(shù)據(jù)，所以，位移表示豬只在1 s時間內(nèi)的位置變化，速度表示豬跑得快慢，加速度則描述了豬舍中豬只速度發(fā)生變化的量與發(fā)生這一變化所用時間的比。俯視角度豬只運動量位移提取如式(1)，速度及加速度計算公式分別如式(2—3)所示。

(1)

(2)

(3)

為將運動規(guī)律進(jìn)行更加準(zhǔn)確的判斷和表述，本文根據(jù)相鄰兩秒內(nèi)位移差的乘值是否小于零[7]，來判斷母豬在這一秒內(nèi)是否是持續(xù)加速或持續(xù)減速。當(dāng)差乘值持續(xù)為負(fù)值時，表示母豬運動處于持續(xù)減速狀態(tài)，否則相反。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 運動參數(shù)曲線擬合結(jié)果及分析

本團(tuán)隊計算得出10段視頻曲線擬合圖，如圖5—10所示。為了圖例表示更加清晰，將視頻分為兩組，其中，1—5段視頻為第一組，6—10段視頻為第二組。

圖5 第一組豬只位移隨時間變化圖像曲線

圖6 第二組豬只位移隨時間變化圖像曲線

圖7 第一組豬只速度隨時間變化圖像曲線

圖8 第二組豬只速度隨時間變化圖像曲線

圖9 第一組豬只加速度隨時間變化圖像曲線

圖10 第二組豬只加速度隨時間變化圖像曲線

從兩組位移曲線擬合圖曲線變化直觀來看，視頻1，5，7，10的曲線波動較大，視頻5最大值約為600，視頻7最大值約為6 800，視頻2，3，4較為平緩，最小值約為10。

從兩組加速度曲線擬合圖來看，視頻1，3，4豬只在13 s的數(shù)據(jù)采集中，豬只每秒都在發(fā)生位移及運動速度的變化，視頻2，5，7，8曲線平緩趨于直線，單位時間內(nèi)變化非常小，豬只速度平穩(wěn)。視頻6，9，10在1～6 s的時間段內(nèi)加速度變化較為明顯，后段時間加速度趨于平緩。速度的曲線擬合同位移相似，視頻1，5，7，10單位時間內(nèi)的速度變化最大，視頻2，3，4較為平緩。

2.2 運動特征分析

發(fā)情母豬活躍狀態(tài)下位移會出現(xiàn)明顯的最高單峰值，除此以外的位移均保持在較低范圍內(nèi)[8]。通過將一定范圍內(nèi)的位移數(shù)據(jù)近似看作靜止?fàn)顟B(tài)，以便得到近似靜止?fàn)顟B(tài)占據(jù)整個運動時長的比例，將得到的比例作為研究發(fā)情期母豬運動規(guī)律的最終運動參量特征。統(tǒng)計10段活躍狀態(tài)視頻中的位移最大值、位移累計量、位移變化趨勢改變次數(shù)、加速度正負(fù)變化次數(shù)，結(jié)果如表1所示。

10組試驗數(shù)據(jù)近似靜止時長分別為11 s，13 s，13 s，10 s，4 s，3 s，7 s，11 s，13 s，7 s，分別占總運動時長的比例分別為84.6%，100%，100%，76.9%，30.7%，23.1%，53.8%，84.6%，100%，53.8%。當(dāng)相對靜止時長占運動總時長的80%以下時，判斷發(fā)情豬只處于活躍運動狀態(tài)。實驗的10段視頻中，視頻4，5，6，7，10中的發(fā)情豬只處于活躍狀態(tài)，其余豬只處于老實狀態(tài)。母豬發(fā)情一般會持續(xù)3～7天[9]，發(fā)情母豬一天中睡臥時間依然很長，且發(fā)情運動情況還會因為生產(chǎn)次數(shù)、圈舍中豬只數(shù)量、周圍有無人員干擾等情況的不同而不同。

表1 發(fā)情母豬活動狀態(tài)運動特征

3 結(jié)語

本文研究母豬發(fā)情狀態(tài)運動規(guī)律，采用背景減去法進(jìn)行運動目標(biāo)檢測得到較為理想的母豬前景圖，利用所得結(jié)果進(jìn)行橢圓擬合，得到中心點坐標(biāo)，提取運動參量特征，計算得出母豬的位移、速度、加速度的擬合圖。運用差分方法進(jìn)行運動特征分析，將母豬運動情況分類。就活躍和較為老實這兩種狀態(tài)而言，活躍狀態(tài)下，發(fā)情期母豬運動變化無明顯規(guī)律性，在13 s的時間內(nèi)，靜止不動狀態(tài)持續(xù)的時間較短。較為老實的母豬會表現(xiàn)出具有一定規(guī)律的運動狀態(tài)，曲線平緩且波動有規(guī)律，會在一定范圍內(nèi)波動，不會出現(xiàn)明顯的大峰值。