本實(shí)用新型涉及海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測(cè)，具體涉及一種基于雙目視覺(jué)技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測(cè)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(duì)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(guò)程，產(chǎn)生一大批新的化合物。因此，單純的化學(xué)檢測(cè)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(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，這就是生物毒性監(jiān)測(cè)。生物毒性監(jiān)測(cè)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(cè)或人類(lèi)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(cè)技術(shù)進(jìn)行的海洋水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)中，針對(duì)貝類(lèi)生物的研究最多。這取決于貝類(lèi)生物種類(lèi)豐富，活動(dòng)性極小，針對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)多種污染物具有富集特征，而且檢測(cè)成本較低。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，正常情況下貝類(lèi)都處于半張殼狀態(tài),通過(guò)濾水來(lái)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(lái)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(guò)其蚌殼的開(kāi)合變化來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境狀況。

貝類(lèi)生物監(jiān)測(cè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)重金屬污染及其通過(guò)食物網(wǎng)對(duì)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(guó)際預(yù)警中心，其中就有以貝類(lèi)生物作為監(jiān)測(cè)對(duì)象而建立的水體生物毒性監(jiān)測(cè)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(duì)水體污染進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的連續(xù)監(jiān)測(cè)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(cè)中。

2)烏克蘭“國(guó)家科學(xué)院海洋水文物理研究所”基于黑海中貽貝類(lèi)生物的行為反應(yīng)連續(xù)監(jiān)測(cè)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(cè)儀。該生物監(jiān)測(cè)儀所采用的是根據(jù)霍爾效應(yīng)的磁敏元件監(jiān)測(cè)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(chǎng)的大小會(huì)發(fā)生變化，所產(chǎn)生的電勢(shì)隨著蚌殼的張合也將發(fā)生變化。

通過(guò)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(duì)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(wú)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(chǎng)干擾精度不高，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量精度≥±0.5mm，而一般個(gè)體貽貝蚌殼最大張開(kāi)距離不超過(guò)8mm，誤差率高達(dá)±6.25％，這種誤差級(jí)別無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測(cè)量水體不同濃度、不同種類(lèi)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。

本實(shí)用新型通過(guò)非接觸方式的雙目機(jī)器視覺(jué)技術(shù)解決以上存在的所有問(wèn)題，為今后開(kāi)發(fā)基于雙目立體視覺(jué)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(cè)系統(tǒng)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為克服現(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(jué)技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測(cè)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(cè)體系、連接攝像機(jī)固定架和貽貝活性觀測(cè)體系的滑軌、視覺(jué)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(jué)信號(hào)處理運(yùn)算電路的水密電纜和與視覺(jué)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(cè)體系包括貽貝觀測(cè)槽和帶有標(biāo)記點(diǎn)的貽貝活體，貽貝觀測(cè)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(cè)體系的距離在200mm—500范圍內(nèi)可調(diào)。貽貝觀測(cè)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(cè)槽有24個(gè)通筒。

優(yōu)選地，貽貝觀測(cè)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(zhǎng)期的貽貝對(duì)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(cè)對(duì)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(lèi)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(cè)對(duì)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(cè)體系由貽貝觀測(cè)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(zhǎng)的足絲固定在有機(jī)玻璃制作的觀測(cè)槽襯底上,在貝殼上下表面各做一個(gè)標(biāo)記點(diǎn),通過(guò)固定的雙目視覺(jué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)觀察標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)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(cè)平臺(tái)將可以同時(shí)對(duì)20只以內(nèi)的貽貝進(jìn)行張合狀況監(jiān)測(cè)，每50ms可以傳回一張圖像特征，通過(guò)前后圖像的特征點(diǎn)變化對(duì)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(cè)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(guò)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(guò)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，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便更換貽貝活體；分辨率高，測(cè)量精度高；非接觸測(cè)量，不影響貝類(lèi)的生活習(xí)慣，對(duì)生物體活性無(wú)影響，能夠比較精確的測(cè)量貝類(lèi)對(duì)于水體毒性的反應(yīng)(蚌殼的開(kāi)合)，可靠性高。

附圖說(shuō)明

圖1：本實(shí)用新型一種基于雙目視覺(jué)技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2：本實(shí)用新型一種基于雙目視覺(jué)技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性監(jiān)測(cè)設(shè)備立體圖；

圖3：本實(shí)用新型中雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖；

圖4：本實(shí)用新型中雙目攝像機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)仰視圖；

圖5：本實(shí)用新型中雙目攝像機(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(cè)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(jué)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(cè)對(duì)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(píng)價(jià)殼長(zhǎng)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(lèi)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(cè)對(duì)象，以下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所選的監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)對(duì)象。

如圖1-5所示，一種基于雙目視覺(jué)技術(shù)的海洋水質(zhì)毒性生物監(jiān)測(cè)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(cè)體系、連接攝像機(jī)固定架6和貽貝活性觀測(cè)體系的滑軌4、視覺(jué)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(jué)信號(hào)處理運(yùn)算電路8的水密電纜7和與視覺(jué)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(cè)體系包括貽貝觀測(cè)槽3和帶有蚌殼標(biāo)記點(diǎn)2的活體貽貝1，貽貝觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)體系由貽貝觀測(cè)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(zhǎng)的足絲固定在有機(jī)玻璃制作的觀測(cè)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(guò)固定的雙目視覺(jué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)觀察標(biāo)記點(diǎn)的相對(duì)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(cè)平臺(tái)將可以同時(shí)對(duì)20只以內(nèi)的貽貝進(jìn)行張合狀況監(jiān)測(cè)，每50ms可以傳回一張圖像特征，通過(guò)前后圖像的特征點(diǎn)變化對(duì)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(cè)槽3的每一格中，于水下靜置。貽貝觀測(cè)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(guò)自身生長(zhǎng)的絲足固定在觀測(cè)槽的格中，觀測(cè)槽采用前后通透結(jié)構(gòu)，方便海水交換。貽貝觀測(cè)槽3固定在滑軌4上，不可移動(dòng)。雙目視覺(jué)監(jiān)測(cè)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(duì)稱(chēng)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(jiàn)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(cè)到整體目標(biāo)區(qū)域——活體貽貝1。雙目視覺(jué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和視覺(jué)信號(hào)處理運(yùn)算電路8之間通過(guò)水密線纜7連接。視覺(jué)信號(hào)處理運(yùn)算電路8主要處理簡(jiǎn)單的二維圖像信息，通過(guò)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(guò)50ms的圖像拍攝速度，進(jìn)而得出蚌殼的開(kāi)合角度、頻率，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)海洋水質(zhì)毒性的功能。

針對(duì)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(guò)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(guò)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。

以上所述僅是本實(shí)用新型的基本原理，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何限制，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(zhuān)利技術(shù)保護(hù)方案的范疇之內(nèi)。