（生物医学工程专业论文）基于体态识别的动物行为自动分析研究与应用.pdf

浙江夫学博上学位论文( 2 0 0 5 )结果表明，基于曲率和谱系聚类的方法对图像分辨率较敏感。为了克服图像分辨率对识别率的影响，提取描述轮廓的“粗略”特征参数，并且所选特征具有旋转、平移、尺度不变性。由于这些特征参数是对轮廓特征的“粗略”描述，并非对轮廓在每点上进行描述，使得对体态类内的多样性不敏感。朴素贝叶斯网络是一种基于概率的网络，其结构简单，却是最优的分类器之一。本文应用朴素贝时斯分类器和提取的旋转、平移、尺度不变量对大鼠体态进行识别。通过训练集( d p i ：1 9 4 ) 对分类器各个参数进行概率密度估计，经过学习的分类器用于图像的分类。取四组不同分辨率的图像p i ：1 4 6 ，ii 6 ，8 6 ，6 8 1 作为验证集对该算法进行测试，训l 练集和测试集的识别率分别为9 8 6 ，9 2 1 ( 各组分别是：9 4 o ，9 3 8 ，9 2 o ，8 9 1 ) 。结果表明该方法适用于不同分辨率的图像，具有很好的鲁棒性和实用性。将体态的算法结合运动分析的方法进行行为分类，所分类的行为模式有：修饰、伸长、曲身、蹲卧、站立、漫步、转弯、跑动。当对处理图像序列进行处理时，就可以形成行为谱；进而结合连续帧之间的关系，对行为谱进行修正和整合，对修正后的行为谱进行统计分析、分段分析等等。以上述行为分析算法为核心，开发了新的行为自动分析系统。整套实验系统由实验装置( 如水迷宫，旷野实验箱等) 、摄像设备、p c 机和行为分析软件组成。系统主要模块有信息输入模块、参数设置模块、数据分析与采集模块、信息输出模块、数据查看模块、离线分析模块。信息输入模块管理实验相关信息、动物自然信息等；参数设罱模块的参数主要有实验参数( 如：采集频率、实验时间、感兴趣区域、二值化闽值) 以及图像参数( 色调饱和度、对比度等图像参数) ；数掘分析与采集模块进行实时采集数据并存储、在线分析处理，并且实时描记动物轨迹和行为谱；信息输出模块进行信息和实验结果打印；数据查看模块允许查看实验的各种信息、实验结果数据以及实验报告；离线分析模块允许对采集视频进行详细观察和重新分析等。与现有的基于运动分析的系统相比，本系统将体态识别用于行为分析中，可以进行行为谱的实时描述和在绒分析，在数据分析的实时性和提供新参数的可能性方面有更多的优越性；摄像设备采用u s b 通用接口摄像头。无论从软件和硬件方面讲，系统更加方便，整套系统也更经济实用。浙江人学博士学位论文( 2 0 0 5 )将上述系统应用于三个不同的实验：实验一：睡眠剥夺( s l e e p d e p r i v a t i o n ：s d ) 对大鼠行为的影响：实验大鼠分四组，除对照组外，其余三组分别进行3 6 h ，4 8 h ，7 2 h 睡眠剥夺，而后进行旷野实验行为分析。与对照组相比：3 6 h s d 组和4 8 h s d 组的运动距离、跑动时间、站立次数、站立时间显著增加：修饰次数、静止时间、显著减少，表明了s d 组大鼠的兴奋性和探究性均增强：7 2 h s d 组也呈现相同趋势，但跟前两组相比兴奋性有所降低。这表明大鼠睡眠剥夺在定时间内可以增加大鼠神经行为的兴奋性，继续增加睡眠剥夺时间，兴奋性开始降低，结论与文献报道一致：同时也支持了文献中伸长跟焦虑和抑郁有关的假设。实验二：通过睡眠剥夺的黄芪干预实验探讨和评估黄芪对大鼠睡眠剥夺的保护作用：实验大鼠分三组，分另4 为对照组、睡眠剥夺组( 注射生理盐水) 、黄芪干预组，睡眠剥夺组和黄芪干预组均经过7 2 h 睡眠剥夺。对各组大鼠进行旷野行为分析：跟对照组相比，睡眠剥夺后的两组大鼠的运动距离、站立次数、跑动时间、蹲卧时间、中央比例呈增加趋势，静止时间、伸长时间等呈减少趋势，表明了兴奋性和探究性均增加；黄芪干预组和睡眠剥夺组相比，运动距离、中央比例、站立次数、跑动时间减少，伸长时间增加，说明黄芪干预组比睡眠剥夺组大鼠神经兴奋性有所降低，结果表明了黄芪药物对睡眠剥夺大鼠的保护作用。也支持了文献中伸长跟焦虑和抑郁有关的假设。实验三：通过水迷宫实验测试i c r 小鼠空间学习记忆能力：实验进行五天，前四天进行定位航行实验，第五天进行的空间搜索实验。从每天的运动轨迹图、平均速度、登台角度等参数对比可得出结论：随着训练天数增加，小鼠在站台周围的搜索路线增加，小鼠寻找站台能力逐步提高，逐渐以更- 陕的速度、更短的时间、更短的距离找到站台，学习记忆能力在提高。通过以上实验，表明了自动分析系统及基于体态分析的行为：识别算法的优越性：不但可以精确定量基于运动的参数，同时也对行为谱进行分析和定量描述，提供了更多可靠的参数，利用多参数综合对行为进行评价。关键词：动物行为学，行为谱，体态，行为，数字图像处理和分析，实时，自动分析系统浙江大学博士学位论文( 2 0 0 5 )a b s t r a c ta s s e s s y n e n to fa n i m a lb e h a v i o r a le f f e c t si sw i d e l yu s e di nr e s e a r c h e so fc e n t r a ln e l w o u sf u n c t i o n s ，s u c ha sm o t o r i a lf u n c t i o n ，l e a r n i n ga n dm e m o r y i th a sb e c o m ea r le s s e n t i a lp a r to fn e u r a ls c i e n c e ，e s p e c i a l l yn e u r a lp h y s i o l o g ya n de t h o p h a r m a c o l o g ye t c m e t h o d sa n dt e c h n o l o g i e so fb e h a v i o r a la n a l y s i sh a v ep r o g r e s s e df r o mm a n u a lb e h a v i o r a lo b s e r v a t i o na n dt r a n s d u c e r d e t e c t i o nt ov i d e ot r a c k i n gt e c h n o l o g y r e c e n t l y d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt ot r a c k i n gt h ep o s i t i o na n dp a t ho fa na n i m a l ，a n da l s of u r t h e rl o c o m o t o r yp a r a m e t e r ss u c ha sd i s t a n c em o v e d ，a v e r a g es p e e d t h o u g ht h i st e c h n i q u eh a sm o r ea d v a n t a g e st h a nf o r m e rm e t h o d s ，i ti sb a s e do n l yo na n a l y s i so fl o c o m o t o r yp a t t e r n sw i t ht h ea n i m a lr e p r e s e n t e da ss p a t i a lc o o r d i n a t e so fi t sb a r y c e n t e r h o w e v e r , b e h a v i o rc o n s i s t so fp o s t u r e sa n dc h a n g e so fp o s t u r e s ( i n c l u d i n gc h a n g e so fp o s i t i o n s ) a sa l le s s e n t i a lp a r to fb e h a v i o r , p o s t u r ec o n t a i n sm o r ep s y c h o l o g i c a li n f o r m a t i o n c o n s e q u e n t l y ,r e c o g n i t i o no fa n i m a lp o s t u r e sa n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o no fa n i m a lb e h a v i o rh a v eb e c o m ea ni n t e r e s t i n gr e s e a r c ha r e ai ne t h o l o g y , e s p e c i a l l yi nb e h a v i o rr e s e a r c h e so fr o d e n t s b ya t t a c k i n gs e v e r a lk e ys t e p s0 1 ib e h a v i o ra n a l y s i s ，w ed e v e l o p e ds o m ea l g o r i t h m sa n dan e wa u t o m a t i cb e h a v i o ra n a l y s i ss y s t e mf o rr e a l t i m ep o s t u r er e c o g n i t i o n ，e t h o g r a md e s c r i p t i o n ，a n do n l i n ea n a l y s i s i no r d e rt ob er o b u s ti nt h ee n v i r o n m e n to f a n i m a lb e h a v i o re x p e r i m e n t ，s u c ha si l l u m i n a t i o nc h a n g e s ，an e wo b j e c td e t e c t i o nm e t h o db a s e do nr g bt h r e s h o l ds u b t r a c t i o nw a sp r e s e n t e d i nc o n t r a s tt ot h ei m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d su s e di nc u r r e n ta u t o m a t i ca n a l y s i ss y s t e m s ，i ts h o w e dm u c hh i g h e ri m m u n i t yt oe n v i r o m n e n t a li n f l u e n c e r a tp o s t u r e sw e r ec a t e g o r i z e di n t o f i v ec l a s s e sf o re m p i r i c a lr e a s o n ，i e ，g r o o m ，s t r e t c h e da t t e n d ，s t a t i o n a r yr o t a t i o n ，s i t ，a n dr e a r d u r i n ge x p e r i m e n t ，r a t sc o u l dm o v ef r e e l yi no n ea r e a ，w h i c hc a nb r i n gi t so r i e n t a t i o na n dp o s i t i o nc h a n g e sc o n s t a n t l y r e l y i n go ut h i s f e a t u r eo f ! h es h a p eo fr a ti m a g eb o u n d a r i e ss h o u l db ev浙江a 学博士学位论文( 2 0 0 5 )r o t a t i o n ，t r a n s l a t i o ni n v a f i a n t n o r m a l i z e dc u r v a t u r e w a su s e dt od e s c r i b et h ec o n t o u ro fr a t an o v e lp o s t u r er e c o g n i t i o nm e t h o db a s e do nc o n t o u rc u r v a t u r ea n dh i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n ga n a l y s i sw a st h e np r e s e n t e d c u r v a t u r ei sak e yn o t i o ni ni n t u i t i o n i s t i cd e s c r i p t i o no fc o n t o u r an e wc u r v a t u r ee s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nc h a i n c o d ew a si n t r o d u c e da n da p p l i e dt oc a l c u l a t et h ec u r v a t u r ef u n c t i o no far a t sc o n t o u r a n dt h e nt h es p e c t r ao ft h ec u r v a t u r ef u n c t i o n sw e r eu s e da se i g e n v e c t o r sf o rp o s t u r ec l a s s i f i c a t i o n a c c o r d i n gt om u l f i f o r m i t yo fr a t s p o s t u r e s ，s u b c l a s s e si ne a c hp o s t u r ec l a s sw e r ec o n s t r u c t e du s i n gh i e r a r c h i c a lc l u s t e r i n ga n a l y s i si no r d e rt oo b t a i nh i g h e rc o r r e c tr e c o g n i t i o nr a t e s i no u re x p e r i m e n t ，t w og r o u p so fi m a g e sw i t ht h es a m er e s o l u t i o n ( d p i ：d o tp e ri n c h ：19 4 ) w e r eu s e da st r a i n i n gs e ta n dv a l i d a t i o ns e t ，a n dt h ec o r r e c tr e c o g n i t i o nr a t e sa r e9 4 1 6 a n d8 9 5 8 r e s p e c t i v e l y i nr e a la p p l i c a t i o n ，r e s o l u t i o nc h a n g e so fi m a g e sm a yb ei n d u c e db yr a ts i z ev a r i e t ya n dc a m e r af o c u sc h a n g e sa n ds oo n w h e ni m a g e sw i t hd i f f e r e n tr e s o l u t i o n( d p i ：11 6 ) w a su s e da sv a l i d a t i o ns e t ，t h ec o r r e c tr e c o g n i t i o nr a t ei s6 3 5 ，w h i c hs h o w e dt h a tt h ep r e s e n t e dm e t h o di sn o ta p p l i c a b l ef o rr e s o l u t i o nc h a n g e s i no r d e rt ob er o b u s ti nr e s o l u t i o nc h a n g e s t o u r “c u r s o r y ”f e a t u r e so fr a tc o n t o u rw e r ee x t r a c t e d ，w h i c hw e r ea l s op r o v e dt ob er o t a t i o n ，t r a n s l a t i o n ，a n ds c a l i n g ( r t s )i n v a r i a n t t h ef e a t u r e sw e r e ”c u r s o r y ”，w h i c hr e s u l ti nh i g hi m m u n i t yt oi n t r a - c l a s sm u l t i f o r m i t y an a f v eb a y e sc l a s s i f i e ri sap r o b a b i l i s t i cc l a s s i f i e r a l t h o u g hi th a sam u c hs i m p l e rs t r u c t u r et h a no t h e rm o d e l s ，i ti ss t i l lo b s e r v e dt ob es u c c e s s f u la sac l a s s i f i e ri np r a c t i c e a n o t h e rs h a p ea n a l y s i sm e t h o db a s e do nn a i v eb a y e sc l a s s i f i e rw a sp r e s e n t e da n dw a ss e l e c t e dt og e n e r a l i z ei m a g e so fd i f f e r e n tt a r g e to b j e c tr e s o l u t i o n ( d p i ：d o tp e ri n c h ) ，w i t ht h e c u r s o r y ”f e a t u r e sa sa t t r i b u t ev a l u e s i no u re x p e r i m e n t ，f i v eg r o u p so fi m a g ef r a m e sw i t hd i f f e r e n tr e s o l u t i o nw e r ea c q u i r e d o n eg r o u p ( d p i ：1 9 4 ) w a su s e da st r a i n i n gs e tt oe s t i m a t et h ep o s s i b i l i t yd e n s i t yo fe a c hf e a t u r e ，a n dt h eo t h e rf o u r ( d p i ：1 4 6 ，1 1 6 ，8 6 ，6 8 ) a sv a l i d a t i o ns e t a sar e s u l t ，t h ea l g o r i t h m sp e r c e n t a g ec o r r e c t n e s so nt r a i n i n gs e ta n dv a l i d a t i o ns e ta r e9 8 6 a n d9 2 1 ( 9 4 o ，9 3 8 ，9 2 o ，8 9 1 ，r e s p e c t i v e l yf o re a c hv a l i d a t i o ng r o u p ) t h i ss h o w e dt h a tt h em e t h o dh a sap r o m i s i n gp o t e n t i a li nb e h a v i o rv浙篷大学博士学位论文( 2 0 0 5 )c l a s s i f i c a t i o na n dr e c o g n i t i o n a l g o r i t h m so fp o s t u r ec l a s s i f i c a t i o na n dl o c o m o t o r ya n a l y s i sw e r ec o m b i n e dt op e r f o r mb e h a v i o rr e c o g n i t i o n a n8 - 一p a t t e r ne t h o g r a mw a su s e dt od e s c r i b er a tb e h a v i o r , i e ，g r o o m ，s t r e t c h e da t t e n d ，s t a t i o n a r yr o t a t i o n ，s i t ，r e a r ，w a l k r o t a t i o n ，f a s tw a l k ar e v i s e de t b o g r a mc a r lb ea c q u i r e dw i t ha n a l y s i so fr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u c c e s s i v e 丘a r n e s ，a n dt h e ns t a l i s t i c a a n a l y s i sa n ds e g m e n ts t a t i s t i c a la n a l y s i sc a nb ep e r f o r m e d r m p l e m e n t i n gt h eb e h a v i o rr e c o g n i t i o na l g o r i t h m sm e n t i o n e da b o v e ，an e wb e h a v i o ra n a l y s i ss y s t e mw a sd e v e l o p e d t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so fas u b j e c tc o n t a i n e r ( m o r r i sw a t e rm a z eo ro p e n f i e l db o x ，e t e ) ，d i g i t a lv i d e o c a p t u r ed e v i c e ，ap cc o m p u t e ra n dt h eb e h a v i o ra n a l y s i ss o f t w a r ew ed e v e l o p e d t h es o f t w a r ec o n s i s t so fs i xm a i nm o d u l e s ：i n f o - i n p u tm o d u l e ( e g t oi n p u te x p e r i m e n ti n f oa n dr a ti n f oe t c ) ，p a r a m e t e r s e t t i n gm o d u l e ( e g t os e tf p s ( f r a m ep e rs e c o n d ) ，e x p e r i m e n tt i m e ，a r e n a s & z o n e s ，t h r e s h o l d se t c ) ，d a t a - s a m p l i n g - a n a t y s i sm o d u l e( e g t os a m p l ef r a m e s ，a n a l y z el o c o m o t o r ym o v e m e n t s ，d r a we t h o g r a ma n dp a t h si nr e a lt i m e ，a n ds t o r et h ev i d e oi ns y s t e m d e f i n e df o r m a t ) ，i n f o o u t p u tm o d t f l e ( e g t oo u t p u te x p e r i m e n tr e s u l t sa n dl o g s ) ，d a t a v i e wm o d u l e ( e g t ov i e wl o c o m o t o r yr e s u l t s ，e t h o g r a mr e s u l t s ，a n de x p e r i m e n tl o g se t c ) a n do f f - l i n ea n a l y s i sm o d u l e ( e g t od oo f f i i n ea n a l y s i so nt h er e c o r d e dv i d e o ，t h e no u t p u te x p e r i m e n tl o g sa n de t c ) c o m p a r e dw i t hs o m ee x i s t i n gs y s t e m sb a s e do nl o c o m o t i o na n a l y s i s ，t h i ss y s t e mc a r td om o r ei n d e p t ha n a l y s i sa n de v e nn o v e lp a r a m e t e ra n a l y s i su s i n gp o s t u r e sa n dp o s t u r ec h a n g e so fa n i m a l s a n da l s o ，i tc a ng i v ear e a l t i m ed e s c r i p t i o no fe t h o g r a m 。s i n c et h i ss o f t w a r ei sc o m p a t i b l ew i t hu s bv i d e oc a m e r a ，i ts h a r p l yr e d u c e st h eh a r d w a r ec o s tw h i l es t i l lk e e i g st h ep e r f o r m a n c eh i g h t h r e ee x p e r i m e n t sw a sc o n d u c t e du s i n gt h es y s t e mw e ，d e v e l o p e d ：e x p e r i m e n t1 ：a ne x p e r i m e n tt oa n a l y s i sb e h a v i o r so fs l e e p d e p r i v a t i o nr a tw a sc o n d u c t e du s i n gt h es y s t e mm e n t i o n e da b o v e d a t af r o mf o u rg r o u p so fr a tw e r er e c o r d e d ，w i t hs l e e pd e p r i v a t i o n ( s d ) c o n d i t i o n s ：0h o u r ( c o n t r o lg r o u p ) ，3 6h o u r s ，4 8h o u r sa n d7 6h o u r st h es y s t e ms u g g e s t st h ef o l l o w i n gr e s u l t sb yas t a t i s t i c a la n a l y s i so fv l浙扛大学博士学位论文( 2 0 0 5 )e x p e r i m e n td a t a ：c o m p a r i n gw i t ht h ec o n t r o lg r o u p ，3 6 h - s dg r o u pa n d4 8 一s dg r o u ph a ss h o w nas i g n i f i c a n tn u m e r i ci n c l i n e0 1 1oneg r o u po fd a t af e a t u r e s ( d i s t a n c em o v e d ，f a s tw a l kp e r c e n t a g e ，r e a rt i m e s ，r e a rp e r c e n t a g e ) ，a n das i g n i f i c a n tn u m e r i cd e c l i n eo na n o t h e rg r o u po fd a t af e a t u r e s ( g r o o mt i m e s ，s t i l lp e r c e n t a g e ) ，w h i c hi sag o o de v i d e n c eo fi n c l i n eo ne x c i t e m e n ta n de x p l o r e 7 2 h - s dg r o u pa l s os h o w e ds i m i l a rt r e n d so nt h o s ed a t af e a t u r e s b u td e c l i n ec o m p a r e dw i m3 6 h s da n d4 8 一s d s ot h er e s u l t ss u g g e s tt h a ts l e e pd e p r i v a t i o ns h o r t e rt h a n4 8 hw o u l di n c l i n et h ee x c i t e m e n to fr a t ，b u tl o n g e rs l e e pd e p r i v a t i o nm a yb e g i nt od e c l i n et h ee x c i t e m e n t t h i sc o n c l u s i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l ti ne x i s t i n gl i t e r a t u r e sw h o s ee x p e r i m e n td a t aw a sm a n u a l l yc o l l e c t e d e x p e r i m e n t2 ：t oe x p l o r et h ee f f e c to fr a d i xa x t r a g a l io ns l e e pd e p r i v a t i o n ，a n o t h e re x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e du s i n gt h es a m es y s t e m b e h a v i o ro ft h r e eg r o u p so fr a tw a sr e c o r d e df o rt h i se x p e r i m e n t ：c o n t r o lg r o u 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逃避行为的条件反射( 包括主动逃避、被动逃避) ，( 4 ) 迷宫行为的条件反射( 如t 型迷富及y 型三等分辐射式迷宫) ( 5 ) 旷野自主行为和社会行为等 旷野实验) 。根据这些行为研究模式，研究者们设计出了各种各样的大鼠行为实验装置。常用的大鼠行为实验装罱有旷野实验箱、水迷宫、y 迷宫、穿梭箱等。浙江大学博士学位论文( 2 0 0 5 )从行为分析方法上，可以将实验分为两大类