（农业机械化工程专业论文）规模化蛋鸡养殖场数字化监视系统的研制.pdf

摘要规模化养鸡是把先进的科学技术和工业设备应用于养鸡事业，用管理现代经济的科学方法管理养鸡生产，充分合理地利用饲料、设备，高效率地生产鸡肉、鸡蛋。其中鸡舍的温湿度都是重要的信息，而且要求鸡舍密闭性要好，免受人员的干扰。随着高科技的发展，规模化养鸡场在各个方面已经趋于自动化，然而在统计产蛋量上还需要人工，耗时耗力。本课题将计算机视觉、图像处理、人工智能和自动化监测技术集成一体，采用传感器、单片机和计算机技术完成了一套在实际中可以运用于大规模鸡舍的全程监测系统。该软件实现一个高度集成的系统，可以在主控机上监视鸡舍环境情况、观测鸡舍温、湿度变换情况，并高效的完成基于机器视觉的鸡蛋计数功能。首先，利用基于v f w 的视频捕捉技术，建立了普通数字摄像头的图像检测平台。使生产人员和管理者可随时对鸡场中每个区域甚至每一只鸡的生产情况进行实时观察，并为后期的基于视频图像的鸡蛋计数做了有力的铺垫。其次，采用算法设计与实验系统开发相结合的方法，提出了基于机器视觉图像处理的方法对传送带上鸡蛋计数。在研究算法过程中主要采用虚拟检测带的方法，将鸡蛋信息反映到检测带中，对检测带图像进行预处理、领域比较帧差计算，提取数据流并修正数据流从而实现鸡蛋的计数。最后设计了一种实时可靠的完整算法，并在w i n d o w s 操作平台上用v c + + 开发工具编程实现，取得了较好的效果。再次，通过单片机控制温度、湿度传感器进行大规模鸡舍的温度、湿度采集，并将当前的温湿度值用l c d 显示，同时通过串口通信，将单片机采集到的温湿度值发送到主控机。主控机主要是进行编程，对温度进行实时显示等并实现单片机与主控机的通信。最后，搭建一个鸡舍的综合监视平台，将鸡舍的全程监测模块、温湿度监测模块、鸡蛋智能计数模块集成起来，提供给用户一个统一的监测平台。并对鸡蛋计数模块进行实验统计、识别率平均可达9 2 9 7 。关键词：视频采集，帧差法，数据流，鸡蛋计数，单片机，温度，湿度a bs t r a c ti nt h el a r g e s c a l ec h i c k e nf a r m s ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya r ei m p o r t a n tf a c t o r s ，a n dt h eh e n h o u s es h o u l db ep r o p e r l yc l o s e dw i t hf e w e rd i s t u r b a n c e s a sa d v a n c e ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a le q u i p m e n ta r ea p p l i e di np o u l t r yf a r m i n g ，w i t hm o d e ma u t o m a t i cm a n a g e m e n t ，i ti sa v a i l a b l et om a k ef u l lu s eo ft h ef e e da n de q u i p m e n t ，a n dt op r o d u c ec h i c k e n ，e g g sw i t hh i g he f f i c i e n c ya sw e l l h o w e v e r , t h ec a l c u l a t i o no fe g g so u t p u ti ss t i l lt i m e - c o n s u m i n ga n dl a b o r - c o n s u m i n g t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rv i s i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t e dm o n i t o r i n gw e r ei n t e g r a t e d ，w i t hs e n s o r s ，m i c r o c o n t r o l l e ra n dc o m p u t e r , t od e v e l o pas e to fw h o l ep r o c e s sm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h el a r g e - s c a l ec h i c k e nf a r m s t h eh i g h l yc o m p o s i t i v es y s t e mc o u l dm o n i t o rt h eh e n h o u s ea n do b s e r v et h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , a n dt h e r ew a se f f i c i e n tf u n c t i o nm o d u l eb a s e do nc o m p u t e rv i s i o nt oc o u n te g ga u t o m a t i c a l l y i nt h ef i r s tp l a c e ，ag e n e r a ld i g i t a lc a m e r ai m a g ed e t e c t i o np l a t f o r mb a s e do nv f v i d e oc a p t u r et e c h n o l o g yw a se s t a b l i s h e d t h ep l a t f o r m ，w h i c hw a saf o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho fe g g sc o u n t ，c o u l dh e l pf a r mm a n a g e r sa n ds t a f f so b s e r v i n ge a c hr e g i o n ，e v e ne v e r yc h i c k e ni nt h eh e n h o u s e s e c o n d l y , am e t h o do fc o n v e y o rb e l te g g s - c o u n tb a s e do nm a c h i n ev i s i o na n di m a g ep r o c e s s i n gw a sd e v e l o p e d ，a tt h eb a s i so fa l g o r i t h md e s i g na n de x p e r i m e n t a ls y s t e m a t i ce x p l o r a t i o nc o m b i n a t i o n t h em e t h o do fv i r t u a ld e t e c t i o nb a n d ，w h i c hc o u l dr e f l e c ti n f o r m a t i o no fe g g sa n dp r e - p r o c e s st h ei m a g e so fd e t e c t i o nb a n d ，w a sa p p l i e di nt h er e s e a r c ho fa l g o r i t h m ，a n di tc o u l dc o m p a r et h ea d j a c e n ta r e aa n dd i f f e r e n c e so ft w of r a m e sa n de x t r a c td a t af l o wt oa c h i e v ea c t u a le g g sn u m b e r m o r e o v e r , ai n t e g r a t e da n dr e l i a b l ea l g o r i t h m ，w a sd e s i g n e du n d e rw i n d o w sp l a t f o r mw i t hv c + + p r o g r a m m i n gt o o l s ，a n di t so p e r a t i o ne f f e c tw a sw e l l t h i r d l y , as i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rw a su s e dt oc o l l e c tt h ed a t ao ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yb ys e n s o r si nt h el a r g e s c a l eh e n h o u s e ，a n dam a i nc o n t r o lc o m p u t e rw a sp r o g r a m m e dt or e c e i v et h ed a t af r o ms c mb ys e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dd i s p l a yt h e mo nl c d f i n a l l y , ac o m p r e h e n s i v es u r v e i l l a n c ep l a t f o r mf o rt h eh e n h o u s ew a sb u i l t ，w h i c hi n t e g r a t e dt h r e em a i nm o d u l e s ，i n c l u d i n gm o n i t o r i n gm o d u l e ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym o n i t o r i n gm o d u l e s ，a n di n t e l l i g e n te g g s - c o u n tm o d u l e t h et e s to fe g g s - c o u n tm o d u l es h o w e dt h a tt h ea v e r a g er e c o g n i t i o nr a t ec o u l dr e a c h9 2 9 7 ，a n dt h eu n i t e dp l a t f o r mw a sr e l i a b l e k e yw o r d s ：v i d i oc a p t u r e ，f r a m ed i f f e r e n c em e t h o d ，d a t af l o w , e g g - c o u n t ，s c m ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y1 1 1华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书学位论文如需保密，解密时间年月日是否保密独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究x - 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同2 t _ 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。研究蚣各函1 碲帅：垆6 月彤日学位论文使用授权书本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学校要, - i t 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同3 - 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，并授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不f 最：- t - 汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论文) 在解密后适用于本授权书。学位敞储始i 1 诈翩鲐火反影签名日期：州年f 月日签名日期：叫年多月甲注：请将本表直接装订住学位论文的扉页和目录之问第一章绪论1 1 选题背景及研究意义第一章绪论规模化养鸡是指养鸡专业户或企业为获得规模效益，而以较大的投入，采用现代管理和先进技术，对优良品种蛋鸡或肉鸡进行规模化生产的养鸡生产经营方式。同一地区，由于饲料成本、劳动力成本、品种价格及市场价格等差异不大，因而规模经济的效益往往取决于养鸡规模大小、设备条件和经营管理方式。规模化养鸡是家禽的自然再生产过程和社会再生产过程在更高程度上的有机结合，它是把先进的科学技术和工业设备应用于养鸡事业，用管理现代经济的科学方法管理养鸡生产，充分合理地利用饲料、设备，高效率地生产鸡肉、鸡蛋( 张浩吉和王双同，2 0 0 5 ；郭强等，2 0 0 4 ) 。国外规模化养鸡始于2 0 世纪5 0 年代，随后发展较快，进入7 0 年代，大规模、高度机械化、自动化的养鸡企业已遍布北美、西欧。美国是世界规模化养鸡业的发源地，诸多单个养鸡企业亦具有较大的规模，如美国泰森公司，肉鸡周屠宰量达4 0 0 0万只，年屠宰量超过2 0 亿只。回顾和总结国外规模化养鸡业的发展，可以看出有以下特点( 王金洛等，2 0 0 2 ) ：1 ) 品种日渐优化。自6 0 年代以来，品系杂交及育种方法在生产上的使用，培育出了很多高产优质的新品种。如美国7 0 年代蛋鸡的料蛋比是4 5 ：1 ，而9 0 年代则为2 5 2 7 ：1 ，如今料蛋比降为2 ：1 。2 ) 新技术不断应用，综合配套技术程度越来越高。随着家禽生理学、生物化学、环境卫生等研究的深入，与高度密集饲养相适应的鸡舍设备和工艺、营养全价饲料以及有效的疾病防治技术相继建立、日趋成熟和综合配套，特别是生物技术和计算机在规模化养鸡业中的应用，全面提升了规模化养鸡的技术水平。3 ) 经营管理集约化程度r 益提高。在密集饲养条件下，人为控制鸡舍通风、光照和温度等微环境条件，给水、给料、集蛋和除粪等生产流程高度机械化和自动化，各生产环节甚至都由计算机操控。4 ) 专业化生产和一体化经营成为规模化养鸡业突出的生产经营特点。我国的规模化养鸡业，6 0 年代术起步，至今仅4 0 年的时间，而在这短短的4 0年罩为丰富城市居民，提高人民生活水平做出极人的负献，同时还带动了我固箭牧o # 中农业人学f 映| 学位论文：规模化生鸡养聃场数，化舭视系统的t 0 1 制业集约化、工厂化、现代化和产业化的发展。但由于我围规模化养鸡企业在建立初期发展过快，后来又经受体制改革的阵痛，现又面临加入世贸组彩：后的挑战。因此，面对市场变化和国际市场的冲击，我国规模化养鸡还存在许多问题亟待认识和解决。规模化蛋鸡养殖场数字化监视系统的研制就是针对当前我国规模化蛋鸡养殖场饲养中技术投入不足、经营管理落后而提出的。本文将机器视觉、人工智能技术、单片机技术、图像处理技术和计算机技术相结合研制出了规模化蛋鸡养殖场数字化监视系统。该系统具有以下功能：采用摄像头实时监视鸡舍现场；监测鸡舍内温度、湿度等主要环境指标；使用计算机视觉统计鸡舍的产蛋情况。该系统的成功研制对促进蛋鸡生产方式从以物流管理为核心的传统养殖模式向以信息流管理为核心的现代化养殖模式的转变，对蛋鸡饲养提供全方位的信息共享与交流通道、降低养殖成本，增强规模化蛋鸡产业可持续发展的能力等具有重要意义。1 2 国内外相关研究与应用现状1 2 1 自动控制技术在家禽业中的应用现状随着自动控制技术和计算机技术与传统家禽养殖业的结合，已经逐步实现了养鸡生产管理综合系统研究和开发。计算机在国外家禽业的应用始于6 0 年代，用于一般统计分析和饲料配方计算( 陆昌华，2 0 0 3 ) 。美国的t i m m o n s m b 等人将家禽生物学模型和鸡舍环境控制模型与专家系统相结合，研制了家禽管理专家系统，能在不同的饲料、燃料、电和肉鸡价格及室外温度的条件下，计算鸡舍所需的温度，以获得最大经济效益( t i m m o n sm b ，e ta l ，1 9 8 9 ) ；t h o m e d h 等人研制了蛋鸡高湿度日粮饲喂自动化系统( t h o r n edh ，e ta l ，1 9 8 9 ) ；b u r n e t t g a 等报道了自动控制自然通j x l 系统( a c n v ) 的性能及其在一个蛋鸡场的应用( b u r n e t tg a ，e ta l ，1 9 8 9 ) 。f i l m e r - d 等利用f l o c k m a n 系统来控制集约化鸡舍的温度、相对湿度、氨水平和通j x l 等环境条件，主要通过传感器与计算机作为鸡舍的自动化控制系统，进行以鸡舍为单元的科学管理( f i l m e rd ，e ta l ，1 9 9 1 ) ；s e r g e a n t d 等报道了家禽监视系统，该系统采用视频对肉鸡进行监控，并应用于肉鸡的行为学分析( s e r g e a n td ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。m o i n a r d c 等( 2 0 0 5 ) 将数字视频技术应用于大规模集约化鸡舍下，蛋鸡行为( 跳跃、下蛋等) 和影响蛋鸡产蛋量因素的分析。计算机在国内家禽业的应用比国外晚约1 5 年。8 0 年代中期，王立方等率先进ij 二了 _ t - j ：统计、生产管理系统的研究与研制，其它一些养码场办有部分研究，系统2第一章绪论研制虽然较多，但大多集成度低，且较分散( 王立方等，1 9 9 9 ；高迎春等，2 0 0 5 ；白红武等，2 0 0 6 ) ：滕光辉等设计了密闭式鸡舍环境自动控制系统及监控软件，采用单片机技术，实现了密闭式鸡舍的以鸡龄为基准的温度、光照度等环境的控制( 滕光辉和崔引安，1 9 9 5 ) ；2 0 0 2 年胡肄农等研制的“规模化蛋鸡场自动监控和监视系统”，可对温度、湿度、光照和有害气体浓度等环境参数进行监测，并自动调节通风、湿度、照明等环境( 胡肄农等，2 0 0 2 ) ；2 0 0 3 年陆昌华和陆庆文等研制的“规模化蛋鸡场现代化生产管理系统”，可对鸡舍环境进行温湿度监测、移动摄像和设备的自动控制，实现鸡场远程管理( 陆昌华等，2 0 0 3 ) ；2 0 0 6 年中国农业大学和北京德青源健康养殖生态园开发的“蛋鸡健康养殖网络化管理信息系统 ，具有蛋鸡管理、视频监控等功能( 白红武等，2 0 0 6 ) ：赵瑞雪主持研制的“商品鸡数字化养殖技术平台”，使用单片机系统及无线局域网技术对鸡舍环境参数进行采集、控制和管理( 赵瑞雪等，2 0 0 6 ；赵瑞雪和吾际舟，2 0 0 5 ) 。1 2 2 图像处理对运动目标计数方面应用图像处理技术在目标物的跟踪、识别、计数等方面的应用始于交通局的车流量统计。交通流参数监测的方法主要有超声波、红外线、环形感应圈、计算机视觉等几种。超声波监测的精度不高、监测距离短( 一般不超过1 2 m ) ，且容易受车辆遮挡和行人影响；红外线监测受车辆本身热源的影响，抗噪声的能力不强，监测精度不高；环形感应器监测精度高，但要求设置于路面土木结构中，对路面有损坏，施工和安装不便，安装数量不宜过多；计算机视觉监测近年来随计算机技术、图像处理、人工智能、模式识别等技术的发展，在交通流监测中获得了越来越广泛的应用。1 9 7 2 年日本首先研制成功了采用图像处理技术实时测量交通参数的设备，之后世界各发达国家都相继丌展了此方面的研究。美国伯克利大学的k o l l e r 教授和d a l i l i i d i s 教授采用基于轮廓的方法来表示运动目标( d k o l l e ra n dk d a l i l i i d i s ，1 9 9 3 ) ，而b e y m e r 教授则采用提取的角点特征来表示运动目标，并进一步跟踪处理( d b e y m e r 等，1 9 9 7 ) ；英国雷丁大学的v i e w s 项目组研制的车辆跟踪系统，通过分析模型投影与输入图像的相关性，来确定车辆的位置信息，从而实现跟踪和计数( g ；d s u l l i v a n 等，1 9 9 7 ) ；m i t 的s t a u f f e r 教授提出了一种基于混合高斯模型的运动目标监测算法，将每一个像素点建模为混合高斯模型，根据最适合当自，j 像素值的高斯分布是否属于背景模型来判断此像素点属 背景还是目标，从而方便的对目标进行跟踪、统计( c s t a u f f e r , w e l g r i m s o n ，19 9 9 ) 。半中农q k 人学坝i j 学化论文：规模化生鸡养矾场数j ：化躲佻系统的研制我国的智能交通研究丌始于7 0 年代木，而车辆监测等i t s 基础性研究和丌发则是近十年的事情。2 0 0 1 年魏武、张起森等实现了基于计算机视觉和图像处理的交通参数监测( 魏武等，2 0 0 1 ) ，可完成双向四车道高速公路和城市道路的车辆计数和车辆速度监测；2 0 0 4 年长安大学的巨永锋和西安应用光学研究所提出一种基于计算机视觉的车流量监测算法( 巨永锋等，2 0 0 4 ) ，研究了视场距离标定算法和基于灰度统计的通行车辆识别算法。近年来国内许多科研机构都推出了视频交通流监测产品：清华大学和清华紫光合作开发的视频交通流量监测系统v s 3 0 0 1 ，利用计算机图像处理与模式是识别对摄像机采集到的交通流连续图像进行处理，从而获取道路的交通流量信息；上海高德威智能交通系统有限公司推出的g d w - v d 2 0 0 2 型视频监测器，采用了模式识别、图像处理等先进技术，能够对车辆运动过程动态跟踪，获取全面实时的交通信息。目前大多规模化蛋鸡场都实现了集蛋作业机械化，其中较常用的一种方法是用传送带将蛋运到集蛋室，虽然其他环节均实现了自动化，如鸡蛋的清洗、检验、包装，但是对于统计鸡蛋的数量还是采用人工计数，传统落后、耗时费力。本课题瞄准国内大规模蛋鸡场逐步实现信息化、集约化、机械化的趋势，借鉴发达国家养鸡业各个生产环节均采用先进技术和集约化管理的成功经验，并结合交通流智能监测技术的新思想，首次将计算机视觉、图像处理、人工智能技术运用于蛋鸡场生产量的统计，从而实现对r 产蛋量自动、精确的统计。1 3 研究目标和内容概述1 3 1 研究目标本课题研究目标有以下几方面：实现鸡舍全程实时监测模块，利用多个摄像头实现对鸡舍全方位实时监测；实现智能鸡蛋自动计数模块，用计算机视觉实现对鸡舍传送带上的鸡蛋自动计数；实现鸡舍温湿度多点采集模块，对鸡舍的温湿度实时监测；搭建一个鸡舍的综合监测平台，将鸡舍的全程监测模块、温湿度监测模块、鸡蛋智能计数模块集成起来，给用户提供一个统一的监测平台。本课题的研究目标具体介绍如下：1 ) 鸡舍全方位实时视频监视模块的研制第。章绪论在监测计算机一l 实时显示由底层多个u s b 摄像头构成的采集系统的图像。通过摄像头图像实时采集，可以监测蛋鸡生产情况和设备状况；实现对鸡舍环境的实时监测，生产人员和管理者能随时观察鸡场中每个区域甚至每一只鸡的生产情况进行。2 ) 智能“鸡蛋计数”模块的研制研制智能“鸡蛋计数”模块，使用计算机视觉、图像处理和人工智能技术对传送带上的鸡蛋进行自动、精确计数，从而实现规模化鸡场产蛋量的准确统计。具体方法为计算机对摄像头采集到的图像进行实时处理，对传送带上的鸡蛋进行检测、计数。3 ) 鸡舍温湿度监测模块的研制研制鸡舍温湿度监测模块。温湿度监测模块采用单片机及温度、湿度传感器对规模化鸡场的温度、湿度进行采集，将当前的温湿度显示在温湿度监测模块的l c d屏上，同时通过r s 一4 8 5 总线，与作为上位机的p c 机( 主监测机) 保持通信，收到上位机的命令后，及时将温湿度信息上传到上位机。4 ) 鸡舍综合监测平台的研制研制鸡舍综合监测平台，将前面三个规模化鸡场监测模块进行集成，给用户提供一个综合的监测平台。采用v i s u a lc + + 开发上位机监测平台，将鸡舍全方位实时视频监视模块、智能鸡蛋计数模块和鸡舍温湿度监测模块集成起来，提供给用户一个统一的鸡场监测平台。1 3 2 研究内容1 ) 建立采用u s b 接口的机器视觉系统原型。该系统原型主要由一台p c 机、两个u s b 接口的c c d 数字摄像头，在v i s u a lc + + 开发平台下，利用v f w ( v i d e of o rw i n d o w s ) 软件包开发面向对象的图像实时采集程序，实现图像的实时采集。2 ) 在已建立的图像采集程序框架中利用c + + 语言编写图像处理与分析程序，对采集到的包含鸡蛋及传送带背景的图像序列进行实时图像处理。3 ) 运用前面丌发的图像采集和处理分析程序对采集样本图像数据进行处理和分析，将鸡蛋与从背景中分离出来，并进行计数。4 ) 运用单片机技术采集鸡舍内的湿度、温度，并通过串口通信送往p c 机，让管理者不仅能实时观测鸡舍的场景，还可以实时了解鸡舍的温度、湿度参数。o 二中农业人学坝f 学位论文：姚模化生坞养呐场数。，化：惭视系统的研：b 01 4 论文结构本论文主要框架如下：第一章绪论。首先阐述了本课题的研究背景和研究意义，然后概述了国内外数字化鸡舍智能系统的研究与应用现状，并分析了当前国内的鸡舍效率底下的弊端，还简单叙述本课题研究主要目标和内容。最后介绍了本文的主要工作和论文章节安排；第二章u s b 视频图像实时监视模块设计与实现。首先分析了u s b 接口的特点，接着对视频图像的实时采集进行了研究，分析了v f w 的体系结构，对a v i c a p窗口类进行了详细分析，给出了本课题中视频采集程序的具体实现，实现了鸡舍全方位视频监视模块，同时为后章的鸡蛋计数的实现做了一定的铺挚；第三章鸡蛋计数模块设计与实现。结合图像处理方法对截取的检测带里的鸡蛋进行准确的计数。本课题比较多种目标监测方法，选择了帧差法，然后对帧差法的原理和具体实现进行了理论的叙述，最后通过v i s u a lc + + 编程实现了鸡蛋数据流的提取，并进行修正，完成对鸡蛋的准确计数；第四章温、湿度采集模块设计与实现。本章首先详细叙述课题所选用的单片机a t 8 9 s 5 2 ，温度、湿度传感器，并实现了单片机控制温度、湿度传感器对大规模鸡舍的温度、湿度进行采集，并将当前的温湿度值用l c d 进行显示，同时介绍r s 4 8 5串口通信的优点，并设计整个系统模块。最后实现了硬件电路和单片机程序代码。第五章蛋鸡养殖场综合监视平台实现。本章设计一个综合软件系统，将单片机采集的温度、湿度通过串口送到主控机，让管理者对鸡舍的温度、湿度变换情况一目了然，并且能实时全方位的观察鸡舍各个角落。还对温湿度进行采集，并通过串口通信，将单片机采集到的温湿度值发送到主控机并进行显示。最后对鸡蛋计数模块进行实验验证，准确率平均可达9 2 9 7 ，算法实时性也达到要求。第六章总结及展望。对课题的研究工作进行总结，并对今后的进一步工作提出些建议。第一：章u s b 丰见频实时临说模块设计j 实现第二章u s b 视频实时监视模块设计与实现图像的采集和处理在科学研究：公共安全、工农业生产等领域得到了越来越广泛的应用，而这些应用的前提就是要有一套高速的图像采集系统。而图像采集也是进行图像处理、识别、压缩的基础，所以图像采集系统的研制具有重要的价值和现实意义。而要对图像进行采集就需要一种高速的，能进行长时间、大吞吐量数据传送的计算机接口，u s b 2 0 接口就是一种符合图像采集要求的计算机接口( 巫锴，2 0 0 5 ) 。当前，计算机的许多外围设备都采用了u s b 接口来实现与计算机间的数据通信。本文采用u s b 2 0 接口的普通摄像头做为图像传感器，以p c 机作为上位机，并采用v f w 技术，搭建了一套适合实验推广、性价比较高的图像监视平台。为鸡舍全方位视频实时监视模块的实现及后期基于视频图像的鸡蛋计数做了有力的铺垫。2 1 视频图像实时采集研究微软公司1 9 9 2 年推出的v f w 软件包使轻松的实现视频捕捉成为可能。v f w 能使应用程序通过数字化设备从传统的模拟视频源得到数字化的视频剪辑。州的一个关键思想是播放时不需要专用硬件的支持。v f w 通过引进a v i ( a u d i o v i d e oi n t e r l e a v e d ) 文件标准，对数据进行压缩，解决了数字视频数据量大的问题。a v i 能直接访问视频缓冲区，不需要生成中间文件，因而效率很高，实时性也很强；另外，它还可将数字视频捕获到文件中；并且a v i c a p 支持视频单帧捕获和实时的视频流捕获，支持对m c i ( m e d i ac o n t r o li n t e r f a c e ) 视频源的控制( 谷玮和盛翊智，1 9 9 9 ) 。因此，我们可以在应用程序中控制视频捕捉的开始和结束位置，并增加单帧捕捉的功能。用户安装v f w 时，安装程序会自动安装、配置视频所需要的组件，如设备驱动程序、视频压缩程序等，而且使用v f w 开发的应用程序可移植性和兼容性较好。v f w 的体系结构如图2 - 1 所示，v f w 软件开发包中包含了视频的一整套捕捉函数、宏、数据结构等。它主要由a v i c a p d l l ，m s v i d e o d l l ，m c i a v i d l l ，a v i f i l e d l l ，i c m ( 压缩管理器) ，a c m ( 音频压缩管理器) 六部分组成。这六部分协调i ：作可灵活实现视频捕捉和处理( 保文星，2 0 0 2 ；赵军等，2 0 0 2 ) 。下面将重7。产中农q k 人学坝l ，学位论文：脱模化生鸡养聃场数，化恍 ij t 视系统的研制点介绍a v i c a p 窗口类和回调函数以及如何在v i s u a lc + + 6 0 巾用a v i c a p 窗i l 类实现视频捕捉。2 2a v i c a p 编程研究图2 - 1v f w 体系结构f i g 2 - 1s t r u c t u r eo fv f wa v i c a p 窗口类支持实时单帧图像捕获和实时视频流捕获。另外，a v i c a p 窗e l类提供了对视频源的控制( m c i 媒体控制接口设备) ，因此可以通过应用程序控制视频捕获丌始和结束的位置，并且可以对帧捕获进行的控制。使用a v i c a p 类可以完成如下任务( 于永彦，2 0 0 3 ) ：1 ) 将视频流和音频捕获到一个a v i 文件中；2 ) 动态的连接和断开视频和音频捕获设备；3 ) 以预览或重叠方式实时显示捕获的视频信号；4 ) 在捕获时指定所使用的文件，并将捕获文件的内容拷贝到另一个文件；5 ) 设置捕捉帧的速率；6 ) 对视频源、视频格式进行控制，显示相应的对话框；7 ) 创建、保存和载入调色板；8 ) 把图像和调色板拷贝到剪贴板；9 ) 捕捉单帧图像并以d i b ( d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 格式保存。a v i c a p 子集包括：a v i c a p 窗i s l 类函数、与视频捕捉相天的同调函数、向a v i c a p窗口发送消息命令的消息宏、函数集等。以下两节重点介绍a v i c a p 窗i s l 类和a v i c a pl j l 渊函数。第二章u s b 视频实时临视模块改计j 实现2 2 1a v i c a p 窗口类a v i c a p 为应用程序提供了个基于消息的简单、灵活的接口，使之能够很容易访问视频采集硬件，对其进行控制并将捕捉的视频流保存到磁盘。通过使用a v i c a p窗口类，可以在应用系统中方便的完成视频采集功能。在进行视频捕获之前必需先创建一个“捕获窗 ，并以它为基础进行所有的捕获及设置操作。“捕获窗”用a v i c a p窗口类的c a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w 函数来创建，它类似一个标准控件( 如按钮、下拉框等) ，其窗口风格一般为w sc h i l d 和w sv i s i b l e 。下面的代码描述了如何在应用程序中简单地应用a v i c a p 窗口类实现视频捕获。在应用程序中创建视频捕获窗口m h c a p w n d = c a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w ( ( l p t s t r ) t e x t ( ”视频捕捉程序”) ，w s c h il d w s v i s i b l e w s e x _ c l i e n t e d g e i w s _ e x _ d l g m o d 蛆j r am e ，0 ，0 ，6 4 0 ，4 8 0 ，p w n d 一 g e t s a f e h w n d 0 ，0 ) ；连接视频捕获设备s e n d m e s s a g e ( m _ h c a p w n d ，w m c a p _ d r i v e r _ c o n n e c t , 0 宰w l n d e x 宰，0 l ) ；开始视频流的捕获s e n d m e s s a g e ( m _ h c a p w n d ，w m c 气p - - s e q u e n c e ，0 ，0 l ) ；mh c a p w n d 为c a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w 函数返回所创建的捕获窗口的句柄，后面其他操作就是通过向该句柄发送消息实现的。在一个程序中可创建多个捕获窗口，且每个窗口连接到不同的捕获设备上。使用w mc a pd r i v r c o n n e c t 消息，可以创建捕获窗口与设备驱动之间动态连接或断开。在捕获窗体和捕获设备驱动连接后，即可向窗体发送针对设备的消息了，如设置视频设备的属性等。若系统安装了多个捕获设备，可通过在发送w mc a pd r i v e rc o n n e c t 消息时，设置w p r a r m 参数以指定捕获窗口与哪个视频捕获设备相连接。w p r a r m 参数是一个整数，表示系统中已安装的视频捕获设备列表的索引，该索引从0 丌始。宏接口具有与s e n d m e s s a g e 函数同样的效果，可以选择宏接口或s e n d m e s s a g e函数来实现上面的功能，但宏接口可以让代码更容易理解。下面为宏接口的描述：m h c a p w n d = c a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w ( ( l p t s t r ) t e x t ( ”视频捕捉程序”) ，w s c h il d w s v i s i b l e i w s e xc l i e n t e d g e i w s e x d l g m o d a l f r am e ，0 ，0 ，6 4 0 ，4 8 0 ，p w n d 一 g e t s a f e h w n d 0 ，o ) ；连接视频捕获设备9。# 中农、j k 人学坝f 化论文：规模化坐鸡养殖场数。，化舱视系统n 勺圳制c a p d r i v e r c 0 n n e c t ( m h c a p w n d ，0 ) ；宏接口丌始视频流的捕获c a p c a p t u r e s e q u e n c e ( m h c a p w n d ) ；宏接口从上面的两段程序看出：在应用程序中创建a v i c a p 捕捉窗e l 并与捕捉设备驱动程序连接后，只用简单的发送一个w m c a ps e q u e n c e 消息( 或用c a p c a p t u r e s e q u e n c e 宏) 就可丌始视频捕捉，直到有以下事件发生：用户按下e s c键或鼠标按钮；应用程序停止或放弃捕捉操作；磁盘空间满。a v l c a p 在显示视频图像时提供了以下两种模式：1 ) 预览模式：从捕获设备硬件得到的数据帧被传送到系统内存，并且在捕获窗口中使用g d i 函数来显示这些数据帧。当捕获窗口的父窗体失去焦点的时候，应用程序的视频预览数据将变慢；父窗体获得焦点后，将对预览显示进行加速，因而这种预览处理的方式将大大提高整个系统的效率。2 ) 叠加模式：该模式不占用c p u 的处理资源，直接在显示器上显示视频内容，所有的处理是由捕获设备硬件来完成的。叠加模式打开后，将自动关闭预览模式。该方式的视频显示比预览方式具有更好的连贯性。本程序通过发送w mc a ps e to v e r l a y 消息( 或c a p o v e r l a y 宏) 给捕获窗口，从而采用叠加模式。然后用c a p p r e v i e w 宏启动预览功能，这样就可以在捕获窗口中看到来自摄像头的图像了。可见，利用a v i c a p 窗口类就可以建立一个基本的视频捕捉程序，但是如果想自己处理从设备捕捉到的视频数据，则要使用捕捉窗口回调函数来处理。2 2 2a v i c a p 回调函数回调函数是针对w i n d o w s 中的窗口而设置的，回调过程由操作系统完成，而回调函数的具体内容则由程序员编写。某一回调函数在系统中注册后，当某一特定条件满足时，操作系统将自动调用该回调函数。a v i c a p 窗口类共提供了七种回调函数，如表2 1 列出了用来设定回调函数的消息( 邓海霞，2 0 0 6 ) ，下面对本文用到的部分回调函数详细说明。1 ) 错误回调函数：捕获窗e l 使用错误通知消息告知应用程序，发生了a v i c a p错误，如磁盘空间用完、尝试对一个只读文件进行写操作、不能访问硬件、丢帧太多等。错误通知内容包括个消息i d 和一个格式化的文本7 7 - 符串。应用程序可以通1 0第二章u s b 视频实时：临视模块驶汁。j 实现过使用该消息i d 过滤错误报告，决定是否将该消息向用户显示。消息i d 为0 表示一个新操作正在丌始，且该回调函数将清除所有显示的错误信息。2 ) 状念回调函数：当视频捕获向磁盘写数据，或在进行其它较长的操作期间，捕获窗口可向状念回调函数发送消息通知正处理该操作的应用程序。状态信息包括一个消息l d 和和一个格式化的文本字符串。应用程序可通过使用消息i d 过滤通报，决定是否将该消息向用户显示。在捕获期间，发给回调函数的第一个消息总是i d c a p g e g i n ，最后一个总是i d c a p e n d 。消息i d 为o 表示，一个新操作正在进行，且回调函数将清除当前状态。3 ) 视频流回调函数：在视频流捕获期间，应用程序可使用视频流回调函数来处理一个捕获到视频帧。视频窗体只能在每次向磁盘写数据帧之前，调用视频流回调函数。表2 1 回调函数的消息设定t a b l e2 - 1m e s s a g es e t t i n go fc a l l b a c kf u n c t i o n消息具体说明w m _ c a p s e t _ c a l l b a c k _ e r r o r设定当发生错误时调用的回调函数，也可以使用c a p s e t c a l l b a c k o n e r r o r 宏w m _ c a p _ s e t _ c a l l b a c k _ f r a m e设定当预览帧被捕捉时调用的回调函数，也可以使用c a p s e t c a l l b a c k o n f r a m e 宏w m _ c a p _ s e t _ c a l l b a c k _ c a p c o n t r o l设定精确指定视频捕捉开始和结束同调函数，也u - - l 以使用c a p s e t c a l l b a c k o n c a p c o n t r o l 宏w m _ c a p s e t _ c a l l b a c k _ v i d e o s t r e a m设定一个新的视频缓冲区，也可以使川c a p s e t c a l l b a c k o n v i d e o s t r e a m 宏w m _ c a p _ s e t _ c a l l b a c kw a v e s t r e a m设定一个新的音频缓冲区，也可以使用c a p s e t c a l l b a c k o n w a v e s r e a m 宏w m c a p s e tc a l l b a c ky i e l d设定当程序让位时调用的同调函数，也可以使川c a p s e t c a l l b a c k o n y i e l d 宏w m c a p _ s e tc a l l b a c ks t a t u s设定当状态改变时调用的回调函数，也可以使川c a p s e t c a l l b a c k o n s t a t u s 宏。# 中农业人学坝i j 学f t 论文：脱模化生鹏养帅场数。，化恍1 l i t 视系统的制2 3 采集程序编程实现本文利用控件发送的消息捕捉视频设备的信号，并利用上面介绍的v f w 中的a v i c a p 窗口类的一些函数就很容易实现视频图像实时采集，实现大规模鸡舍多方位实时监控。但是在下一章中要实现传送带上鸡蛋准确计数，不仅要利用a v i c a p 窗口类提供的函数，还需要利用a v i c a p 回调函数。下面首先介绍视频捕捉流程图，如图2 2 和捕捉视频图像并处理流程图，如图2 3 ，然后具体介绍鸡舍全程监控程序实现过程。鸡蛋计数原理和实现将在第三章详细说明。2 3 1 采集程序的基本流程图如图2 2 为视频捕捉流程图，图2 3 为捕捉视频图像并处理流程图。开始1r创建视频捕获窗口r与视频捕获设备相连接1r获取视频采集设备的能力1r设置捕获窗口的显示模式终i 卜视频捕捉并断开与视频采