本實(shí)用新型涉及漁業(yè)信息化技術(shù)，具體涉及一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模的增大，有必要對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的行為實(shí)時(shí)監(jiān)控。其中，魚類的游動(dòng)速度是衡量魚類群體行為的一個(gè)重要指標(biāo)，因此及時(shí)準(zhǔn)確的獲取魚類的游動(dòng)速度可以為后續(xù)行為分析(例如魚類疾病預(yù)警、投飼控制等)提供重要依據(jù)。

目前，魚類位置計(jì)算方法通過(guò)采用單目、雙目或多目立體機(jī)器視覺方法估計(jì)魚的位置，具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，單攝像頭只能估算魚的二維的位置信息，雙目或者多目攝像頭可以計(jì)算魚類的空間位置，但是對(duì)于兩幅或者多幅圖像中同一個(gè)點(diǎn)的計(jì)算，需要復(fù)雜的算法，難度較高。另外，工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖車間一般光線比較暗，為獲得較好的效果，需要增加光源或者額外補(bǔ)光，有可能會(huì)影響魚類的正常生長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實(shí)用新型提供一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中光線較暗環(huán)境獲取魚類游動(dòng)速度時(shí)需要增加光源或者額外補(bǔ)光而影響魚類正常生長(zhǎng)的問(wèn)題。

第一方面，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算系統(tǒng)，包括：近紅外相機(jī)、近紅外光源和處理設(shè)備；其中所述近紅外相機(jī)、所述近紅外光源設(shè)置在魚池的上方，兩者的光軸光線垂直于所述魚池的水面，并且均與所述處理設(shè)備連接；

所述近紅外光源，用于在所述處理設(shè)備的控制下為所述近紅外相機(jī)補(bǔ)光；

所述近紅外相機(jī)，用于在所述處理設(shè)備的控制下采集魚類的近紅外圖像；

所述處理設(shè)備，還用于接收所述近紅外圖像進(jìn)行處理以獲取所述魚的空間位置。

可選地，所述近紅外光源為點(diǎn)光源，且其焦點(diǎn)與所述近紅外相機(jī)鏡頭的焦點(diǎn)重合。

可選地，所述近紅外相機(jī)的型號(hào)為Manta G-223B NIR近紅外工業(yè)相機(jī)，且其鏡頭型號(hào)為Computar M0814-MP2。

可選地，所述紅外光源由多顆環(huán)繞分布在所述近紅外相機(jī)周圍的近紅外燈組成。

可選地，所述近紅外燈所發(fā)出光線的中心波長(zhǎng)為820nm，功率為3W。

可選地，所述處理設(shè)備為PC機(jī)或工控機(jī)。

第二方面，本實(shí)用新型實(shí)施例還提供節(jié)一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算方法，適于上文中任一項(xiàng)所述的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算系統(tǒng)，包括：

計(jì)算水面光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)；

根據(jù)光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)以及近紅外相機(jī)到水面的高度h計(jì)算光線的入射角α和折射角β；

根據(jù)所述入射角α、所述折射角β和亮度衰減公式獲取所述魚體的深度z₁；

根據(jù)所述魚體的深度z₁以及所述光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)獲取所述魚體的水平坐標(biāo)x₁和y₁。

可選地，所述計(jì)算水面光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)坐標(biāo)的步驟之前，還包括：

以近紅外相機(jī)的光軸延長(zhǎng)線與水面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在水平面建立x軸和y軸；所述近紅外相機(jī)與所述坐標(biāo)原點(diǎn)連接線所在直線為z軸，形成XYZ坐標(biāo)系。

可選地，所述水面光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)坐標(biāo)通過(guò)以下公式獲?。?/p>

公式中，r_px表示近紅外圖像中心到物體的距離；h表示近紅外相機(jī)到水面的高度；F_deg表示近紅外相機(jī)在水平或者垂直方向的視角度數(shù)；F_px表示與F_deg相同方向上的近紅外圖像像素分辨率；x_px和y_px分別表示近紅外圖像像素的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；W_px和H_px分別表示近紅外圖像的像素寬度和高度；i和j分別表示近紅外圖像數(shù)據(jù)陣列中目標(biāo)物體的位置索引。

可選地，所述入射角α和所述折射角β通過(guò)以下公式獲?。?/p>

公式中，r表示入射點(diǎn)M到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；n_α和n_w分別表示空氣和水的折射率；

魚體的深度z₁通過(guò)以下公式利用數(shù)值迭代算法計(jì)算得出：

公式中，I_a(z)表示光線由水吸收引起的光衰減；I_L(z)表示光線由平方反比定律引起的光衰減；_aw表示近紅外光源波段在消遣的吸收率；I表示魚體在像素點(diǎn)位置(i,j)處的平均亮度；I₀表示深度為0時(shí)刻魚體的平均亮度；

水平坐標(biāo)x₁和y₁通過(guò)以下公式計(jì)算：

由上述技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)置近紅外相機(jī)以及近紅外光源獲取魚體的近紅外圖像，然后由處理設(shè)備分析處理近紅外圖像獲取魚的空間位置。本實(shí)用新型可以光線較暗的工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖車間使用，不會(huì)改變魚類的生長(zhǎng)環(huán)境即對(duì)其生長(zhǎng)不會(huì)造成影響。還能實(shí)時(shí)監(jiān)控魚的游動(dòng)速度，為監(jiān)控魚類行為提供可靠依據(jù)。

附圖說(shuō)明

通過(guò)參考附圖會(huì)更加清楚的理解本實(shí)用新型的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖是示意性的而不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行任何限制，在附圖中：

圖1是本實(shí)用新型提供的一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中近紅外光源與近紅外相機(jī)的位置關(guān)系示意圖；

圖3是本實(shí)用新型提供的一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本實(shí)施例公開一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算系統(tǒng)，包括：近紅外光源1、近紅外相機(jī)2和處理設(shè)備3。其中近紅外光源1和近紅外相機(jī)2設(shè)置在魚池0的上方，兩者的光軸光線垂直于魚池0的水面，并且均與處理設(shè)備3連接。

近紅外光源1，用于在處理設(shè)備3的控制下啟動(dòng)為近紅外相機(jī)2補(bǔ)光，以獲取到高質(zhì)量的近紅外圖像；

近紅外相機(jī)2，用于在處理設(shè)備3的控制下采集魚體的近紅外圖像；

處理設(shè)備3，還用于接收近紅外圖像進(jìn)行處理以獲取魚的空間位置。

需要說(shuō)明的是，本實(shí)用新型實(shí)施例中，近紅外光源1為點(diǎn)光源，且設(shè)置其焦點(diǎn)與近紅外相機(jī)鏡頭的焦點(diǎn)重合?？蛇x地，如圖2所示，本實(shí)用新型實(shí)施例中該近紅外光源1由多顆環(huán)繞分布在近紅外相機(jī)2周圍的近紅外燈組成，例如，近紅外燈的數(shù)量可以為8顆，每顆近紅外燈與近紅外相機(jī)2的距離r為5cm。并且，每顆近紅外燈所發(fā)出光線的中心波長(zhǎng)為820nm，功率為3W，即近紅外光源的功率為24W。

另外，該近紅外光源1與近紅外相機(jī)2的光軸光線互相平時(shí)并且垂直于魚池0中的水面。

需要說(shuō)明的是，近紅外相機(jī)2所采集的近紅外圖像與該近紅外相機(jī)2物理像素上接收的光線的反射強(qiáng)度線性分布。實(shí)際應(yīng)用中，相對(duì)于魚池中的水對(duì)光線的吸收情況，由空氣和水中小顆粒引起的光線散射可以忽略?？蛇x地，本實(shí)用新型中近紅外相機(jī)采用德國(guó)AVT生產(chǎn)的，型號(hào)為Manta G-223B NIR近紅外工業(yè)相機(jī)，且其鏡頭型號(hào)為Computar M0814-MP2，其對(duì)角D、水平H、垂直V方向上的視場(chǎng)角分別為67.1°、56.3°、43.7°。

實(shí)際應(yīng)用中，由于水對(duì)近紅外光有強(qiáng)烈的吸收能力，水中目標(biāo)越深，光線經(jīng)過(guò)折射反射后，反射回來(lái)光線的亮度越小，因此可以利用近紅外圖像中目標(biāo)的亮度來(lái)計(jì)算其深度信息。本實(shí)用新型實(shí)施例中處理設(shè)備3可采用現(xiàn)有技術(shù)中的圖像處理方法獲取魚體的平面坐標(biāo)即x坐標(biāo)和y坐標(biāo)；然后再結(jié)合近紅色圖像中魚體的亮度計(jì)算其深度z；最后結(jié)合x坐標(biāo)、y坐標(biāo)和z坐標(biāo)即可得到魚體的空間位置。該處理設(shè)備3可以是PC機(jī)或工控機(jī)。當(dāng)然，處理設(shè)備3也可以采用其他處理器，選擇不同的圖像處理方法得到上述x坐標(biāo)和y坐標(biāo)，同樣可以實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的技術(shù)方案，得到基本相同的技術(shù)效果，同樣落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

為提高計(jì)算精度，本實(shí)用新型實(shí)施例還提供了一種工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算方法，如圖3所示，包括：

S1、計(jì)算水面光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)；

S2、根據(jù)光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)以及近紅外相機(jī)到水面的高度h計(jì)算光線的入射角α和折射角β；

S3、根據(jù)所述入射角α、所述折射角β和亮度衰減公式獲取所述魚體的深度z₁；

S4、根據(jù)所述魚體的深度z₁以及所述光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)獲取所述魚體的水平坐標(biāo)x₁和y₁。

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型提供的估算方法的各步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

需要說(shuō)明的是，在實(shí)現(xiàn)上述估算方法之前，需要建立XYZ坐標(biāo)系：以近紅外相機(jī)的光軸延長(zhǎng)線與水面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，在水平面建立x軸和y軸；所述近紅外相機(jī)與所述坐標(biāo)原點(diǎn)連接線所在直線為z軸，形成XYZ坐標(biāo)系。

另外，實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型提供的估算方法的前提是，近紅外光源為點(diǎn)光源，其焦點(diǎn)與近紅外相機(jī)的鏡頭焦點(diǎn)重合。近紅外相機(jī)和近紅外光源的光軸互相平行并垂直于水面。相對(duì)于水對(duì)光的吸收，由空氣和水中小顆粒引起的光線散射被忽略；且近紅外圖像上像素點(diǎn)與近紅外相機(jī)物理像素上接收的光線的反射強(qiáng)度呈線性分布。

首先，介紹S1、計(jì)算水面光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)的步驟。

當(dāng)魚體在水面即深度為0時(shí)，采用水面光線入射點(diǎn)點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)進(jìn)行表示。上述坐標(biāo)x₀和y₀可以采用近紅外相機(jī)的視場(chǎng)角以及該近紅外相機(jī)與水面的距離計(jì)算得出，公式如下：

公式中，r_px表示近紅外圖像中心到物體的距離；h表示近紅外相機(jī)到水面的高度；F_deg表示近紅外相機(jī)在水平或者垂直方向的視角度數(shù)；F_px表示與F_deg相同方向上的近紅外圖像像素分辨率；x_px和y_px分別表示近紅外圖像像素的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；W_px和H_px分別表示近紅外圖像的像素寬度和高度；i和j分別表示近紅外圖像數(shù)據(jù)陣列中目標(biāo)物體的位置索引。

其次，介紹S2、根據(jù)光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)以及近紅外相機(jī)到水面的高度h計(jì)算光線的入射角α和折射角β的步驟。

利用步驟S1計(jì)算得到的坐標(biāo)x₀和y₀計(jì)算光線的入射角α和折射角β，公式如下：

公式中，r表示入射點(diǎn)M到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；n_α和n_w分別表示空氣和水的折射率。

再次，S3、根據(jù)所述入射角α、所述折射角β和亮度衰減公式獲取所述魚體的深度z₁的步驟。

光傳播過(guò)程中，由水吸收和平方反比定律引起的光線亮度衰減分別為I_a(z)和I_L(z)，其中：

式中，_aw表示近紅外光源波段在消遣的吸收率。

魚體的亮度可以表示為：

I_a(z)表示光線由水吸收引起的光衰減；I_L(z)表示光線由平方反比定律引起的光衰減；_aw表示近紅外光源波段在消遣的吸收率；I表示魚體在像素點(diǎn)位置(i,j)處的平均亮度；I₀表示深度為0時(shí)刻魚體的平均亮度。

由公式(7)結(jié)合數(shù)值迭代算法經(jīng)過(guò)多次迭代可以計(jì)算出魚體的深度z₁。

最后，介紹S4、根據(jù)所述魚體的深度z₁以及所述光線入射點(diǎn)M(x₀,y₀)的坐標(biāo)獲取所述魚體的水平坐標(biāo)x₁和y₁的步驟。

魚體的水平坐標(biāo)x₁和y₁如公式(8)、(9)所示：

本實(shí)用新型通過(guò)提供工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖魚類空間位置計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算魚體(用一條魚體表示)在水面的坐標(biāo)，然后計(jì)算光線入射角和折射角，最后計(jì)算魚體的深度和水平坐標(biāo)。該估算方法可以用于上文所述的估算系統(tǒng)中，從而提高獲取魚的空間位置的精度。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本申請(qǐng)的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本申請(qǐng)可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本申請(qǐng)可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器、CD-ROM、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本申請(qǐng)是參照根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來(lái)描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合。可提供這些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。術(shù)語(yǔ)“上”、“下”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的限制。除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本實(shí)用新型中的具體含義。

本實(shí)用新型的說(shuō)明書中，說(shuō)明了大量具體細(xì)節(jié)。然而能夠理解的是，本實(shí)用新型的實(shí)施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。在一些實(shí)例中，并未詳細(xì)示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對(duì)本說(shuō)明書的理解。類似地，應(yīng)當(dāng)理解，為了精簡(jiǎn)本實(shí)用新型公開并幫助理解各個(gè)實(shí)用新型方面中的一個(gè)或多個(gè)，在上面對(duì)本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例的描述中，本實(shí)用新型的各個(gè)特征有時(shí)被一起分組到單個(gè)實(shí)施例、圖、或者對(duì)其的描述中。然而，并不應(yīng)將該公開的方法解釋呈反映如下意圖：即所要求保護(hù)的本實(shí)用新型要求比在每個(gè)權(quán)利要求中所明確記載的特征更多的特征。更確切地說(shuō)，如權(quán)利要求書所反映的那樣，實(shí)用新型方面在于少于前面公開的單個(gè)實(shí)施例的所有特征。因此，遵循具體實(shí)施方式的權(quán)利要求書由此明確地并入該具體實(shí)施方式，其中每個(gè)權(quán)利要求本身都作為本實(shí)用新型的單獨(dú)實(shí)施例。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求和說(shuō)明書的范圍當(dāng)中。