本發(fā)明涉及圖像分析識(shí)別領(lǐng)域，尤其是一種利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)小鼠圖像變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和小鼠行為識(shí)別的方法。

背景技術(shù)：

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物行為分析是高級(jí)神經(jīng)中樞功能研究的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。不僅廣泛應(yīng)用于神經(jīng)心理學(xué)、神經(jīng)藥理學(xué)等傳統(tǒng)領(lǐng)域，而且延伸到人工智能、仿生學(xué)、腦機(jī)接口等新興交叉研究領(lǐng)域。

動(dòng)物的行為是由體態(tài)和體態(tài)的變化構(gòu)成的，運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)只是對(duì)動(dòng)物行為的粗略描述，動(dòng)物的體態(tài)則包含更多的心理信息，在行為分析中具有更重要的意義。

早期的動(dòng)物行為學(xué)監(jiān)測(cè)都以直接觀察和手工記錄為主，存在定性主觀、耗時(shí)耗力等諸多問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得利用數(shù)字圖像處理和識(shí)別方法靈活、精細(xì)、以及全面地測(cè)量和分析動(dòng)物行為成為可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種誤差小、數(shù)據(jù)精確、減少觀察時(shí)統(tǒng)計(jì)方便的基于機(jī)器視覺(jué)的小鼠探索的識(shí)別方法

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明所述方法包括以下步驟：

步驟1，在小鼠實(shí)驗(yàn)區(qū)域垂直上空安裝監(jiān)控?cái)z像機(jī)，攝像機(jī)鏡頭對(duì)地面、墻角區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；攝像機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與PC設(shè)備連接組成監(jiān)控系統(tǒng)；

步驟2，監(jiān)控系統(tǒng)以25幀/秒的采樣頻率對(duì)攝像機(jī)攝錄的圖像進(jìn)行處理，并對(duì)攝錄圖像進(jìn)行高斯濾波；

步驟3，監(jiān)控系統(tǒng)利用未放入小鼠之前的背景圖像作為一個(gè)基本的背景模型，使用這個(gè)背景模型將前景從背景中分割出來(lái)；

步驟4，將前景的二值圖像輪廓從背景中分割出來(lái)后，為避免實(shí)驗(yàn)環(huán)境光照的影響，利用形態(tài)學(xué)開(kāi)操作將小的噪聲消除，再用閉操作重建邊緣部分；

步驟5，將處理好的二值前景圖與對(duì)應(yīng)幀圖像通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)小鼠輪廓，利用輪廓查找技術(shù)獲取其最外層輪廓像素；

步驟6，以步驟5中邊緣檢測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，確定每幀圖像中小鼠的質(zhì)心；

步驟7，根據(jù)圖像預(yù)處理之后的小鼠形態(tài)特征：鼻部和尾部的角點(diǎn)特征特別明顯；采用角點(diǎn)檢測(cè)算法，檢測(cè)出小鼠最強(qiáng)兩角點(diǎn)，分別標(biāo)記為B1和B2；

步驟8，以步驟7中所檢測(cè)的角點(diǎn)B1和B2為中心，在步驟5中所獲取的最外層輪廓像素中左右各取19個(gè)像素點(diǎn)，分別標(biāo)記為E1和F1、E2和F2；然后分別確定E1和F1的中點(diǎn)M1，E2和F2的中點(diǎn)M2，連接M1和B1，連接M2和B2；

步驟9，根據(jù)小鼠的體態(tài)特征及其實(shí)時(shí)變換規(guī)律，提出比例約束角點(diǎn)算法，確定出鼻部；比較M1B1與E1F1的比值和M2B2與E2F2的比值，確定其最大值；設(shè)M1B1與E1F1的比值較大，則B1作為鼻部預(yù)選點(diǎn)；

步驟10，為防止小鼠體型變換較大而造成的角點(diǎn)檢測(cè)失敗，只有當(dāng)步驟9中的最大值大于0.8時(shí)，才確定B1為真正鼻部，M1B1延長(zhǎng)線(xiàn)作為鼻部朝向；否則，舍棄B1；依據(jù)前一幀圖像確定的鼻部點(diǎn)，當(dāng)前幀圖像與前一幀圖像的質(zhì)心坐標(biāo)變化之差預(yù)測(cè)出當(dāng)前幀的小鼠鼻部，并重復(fù)步驟8，且以MB延長(zhǎng)線(xiàn)作為鼻部朝向；

步驟11，當(dāng)小鼠鼻部距離目標(biāo)物體到達(dá)一定范圍(自主設(shè)定)，且鼻部朝向經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體時(shí)，探索次數(shù)加一，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)小鼠鼻部離開(kāi)設(shè)定得范圍或方向偏離目標(biāo)物體時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束，統(tǒng)計(jì)小鼠探索目標(biāo)時(shí)間。

其中，步驟3中，由后續(xù)幀圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值減去背景圖片中的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值，若相減結(jié)果絕對(duì)值小于30，則將運(yùn)算結(jié)果圖像中相同位置像素點(diǎn)的灰度值置0；否則，置為255。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、在生物醫(yī)學(xué)科研實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)小白素圖像進(jìn)行監(jiān)控分析來(lái)判斷小鼠的行為參數(shù)，無(wú)需人工監(jiān)管，節(jié)省人力、經(jīng)濟(jì)成本；

2、可智能判斷小鼠探索行為，有效記錄參數(shù)，并具備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；

3、避免認(rèn)為定性主觀判斷，精度高；

4、算法極具針對(duì)性和創(chuàng)新性，效果明顯，準(zhǔn)確識(shí)別率高達(dá)97％；

5、能克服小鼠個(gè)體差異，及攝像機(jī)焦距變化帶來(lái)的圖像分辨率差異，具有較好的魯棒性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的系統(tǒng)工作流程圖。

圖2是背景分割技術(shù)提取小鼠輪廓的運(yùn)算算法示意圖。

圖3是輪廓檢測(cè)、角點(diǎn)檢測(cè)以及查找E、F兩點(diǎn)運(yùn)算算法示意圖。

圖4是不滿(mǎn)足比例約束時(shí)基于質(zhì)心檢測(cè)的角點(diǎn)預(yù)測(cè)運(yùn)算算法示意圖。

圖5是小鼠鼻部及其方向確定和小鼠探索行為參數(shù)輸出示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，本發(fā)明所述方法包括以下步驟：

步驟1，在小鼠實(shí)驗(yàn)區(qū)域垂直上空安裝監(jiān)控?cái)z像機(jī)，攝像機(jī)鏡頭對(duì)地面、墻角區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；攝像機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與PC設(shè)備連接組成監(jiān)控系統(tǒng)；

步驟2，監(jiān)控系統(tǒng)以25幀/秒的采樣頻率對(duì)攝像機(jī)攝錄的圖像進(jìn)行處理，并對(duì)攝錄圖像進(jìn)行高斯濾波；

步驟3，監(jiān)控系統(tǒng)利用未放入小鼠之前的背景圖像作為一個(gè)基本的背景模型，使用這個(gè)背景模型將前景從背景中分割出來(lái)；由后續(xù)幀中的每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值減去背景圖片中的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值，若相減結(jié)果絕對(duì)值小于30，則將運(yùn)算結(jié)果圖像中相同位置像素點(diǎn)的灰度值置0；否則則置為255，由此得到圖2；

步驟4，將前景的二值圖像輪廓從背景中分割出來(lái)后，為避免實(shí)驗(yàn)環(huán)境光照的影響，利用形態(tài)學(xué)開(kāi)操作將小的噪聲消除，再用閉操作重建邊緣部分；

步驟5，將處理好的二值前景圖與對(duì)應(yīng)幀圖像通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)小鼠輪廓，利用輪廓查找技術(shù)獲取其最外層輪廓像素；

步驟6，以步驟5中邊緣檢測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，確定每幀圖像中小鼠的質(zhì)心；

步驟7，根據(jù)圖像預(yù)處理之后的小鼠形態(tài)特征：鼻部和尾部的角點(diǎn)特征特別明顯；采用角點(diǎn)檢測(cè)算法，檢測(cè)出小鼠最強(qiáng)兩角點(diǎn)，分別標(biāo)記為B1和B2；

步驟8，以步驟7中所檢測(cè)的角點(diǎn)B1和B2為中心，在步驟5中所獲取的最外層輪廓像素中左右各取19個(gè)像素點(diǎn)，分別標(biāo)記為E1和F1、E2和F2；然后分別確定E1和F1的中點(diǎn)M1，E2和F2的中點(diǎn)M2，連接M1和B1，連接M2和B2；對(duì)背景分割二值化后的圖像進(jìn)行濾波，并且進(jìn)行一次核為3x 3的開(kāi)運(yùn)算，然后進(jìn)行Canny邊緣檢測(cè)，角點(diǎn)檢測(cè)，經(jīng)過(guò)比例約束確定鼻部角點(diǎn)，如圖3所示。

步驟9，根據(jù)小鼠的體態(tài)特征及其實(shí)時(shí)變換規(guī)律，提出比例約束角點(diǎn)算法，確定出鼻部；比較M1B1與E1F1的比值和M2B2與E2F2的比值，確定其最大值；設(shè)M1B1與E1F1的比值較大，則B1作為鼻部預(yù)選點(diǎn)；

步驟10，為防止小鼠體型變換較大而造成的角點(diǎn)檢測(cè)失敗，只有當(dāng)步驟9中的最大值大于0.8時(shí)，才確定B1為真正鼻部，M1B1延長(zhǎng)線(xiàn)作為鼻部朝向；當(dāng)小鼠體型變化較大時(shí)(體型近似圓形時(shí))，角點(diǎn)檢測(cè)不準(zhǔn)確，所檢測(cè)角點(diǎn)均不滿(mǎn)足BM/EF>＝0.80的比例約束，此時(shí)，需根據(jù)質(zhì)心變化以及上一幀所確定的角點(diǎn)，來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前幀的小鼠鼻部角點(diǎn)，如圖4所示。依據(jù)前一幀圖像確定的鼻部點(diǎn)，當(dāng)前幀圖像與前一幀圖像的質(zhì)心坐標(biāo)變化之差預(yù)測(cè)出當(dāng)前幀的小鼠鼻部，并重復(fù)步驟8，且以MB延長(zhǎng)線(xiàn)作為鼻部朝向；

步驟11，確定好小鼠鼻部B，及邊緣像素中以B為中心左右19個(gè)像素的E、F兩點(diǎn)，E、F的中點(diǎn)與B的連線(xiàn)就是小鼠鼻部的朝向。當(dāng)小鼠的鼻部距離目標(biāo)物體在一定范圍(根據(jù)需要自己設(shè)定)，并且鼻部朝向經(jīng)過(guò)目標(biāo)物體時(shí)視為探索行為，并記錄探索時(shí)間，如圖5所示。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。