游泳型鱼类智能投喂

1、目录1背景、目的及意义2 材料和方法Contents3结果与讨论4 结论5 展望水产养殖中投喂的重要性背景、目的及意义 投喂成本 ：约占养殖成本50% 鱼类福利：饥饿/ 过量投喂材料和方法结果与讨论结 论高效投喂?鱼: 充足的营养保障水: 尽少量的饲料残留展 望3人工投喂（基于经验）背景、目的及意义劳动强度材料和方法结果与讨论结 论责任心投喂经验展 望4设备自动投喂（定时定量）背景、目的及意义稳定性准确性拓展性材料和方法结果与讨论结 论展 望5智能投喂（定时投喂，判断何时停止投喂）背景、目的及意义 基于残饵检测(水声传感器, 水下摄像机,等)材料和方法结果与讨论结 论 入侵式 对仪器本身质量要

2、求较高，易损耗 局部区域检测，无法适用于RAS中的全局（多点）投喂（Juell et al., 1993; Fang and Chang, 1999; Flood et al., 2010）展 望6智能投喂（定时投喂，判断何时停止投喂）背景、目的及意义 基于鱼群行为检测(计算机视觉技术)材料和方法结果与讨论结 论 自动、非入侵式 相对经济有效 但运动鱼群中多目标个体跟踪仍是挑战展 望7如何做到智能投喂？背景、目的及意义理想状态：根据养殖鱼类实时饥饿程度进行反馈投喂问题：如何判断鱼的饥饿程度或摄食行为强度？材料和方法结果与讨论结 论展 望8基于鱼群行为检测(计算机视觉技术)背景、目的及意义乔峰等

3、（2015）利用简单图像处理方法对网箱养殖鲈鱼的摄食活动特征进行量化，通过对摄像机视野范围内摄食鱼群的个体数量进行识别，从而实现鱼群摄食激烈程度的衡量，该方法避免了个体追踪，却未考虑鱼群摄食时溅起的水花以及个体重叠等因素的干扰。(SBCS函数)Liu et al. (2014) 通过帧间差分法对RAS养殖大西洋鲑鱼群的摄食活动进行分析，免去了对个体追踪的繁琐，该方法以帧间差分值为参考依据，精度不足，且忽略了由鱼群摄食活动引起的水面反光因素，并需要事先对前后2帧图像中肉眼可见的鱼的个体数进行判断，在实际应用中是繁琐的。(CVAFI函数)材料和方法结果与讨论结 论展 望9循环水养殖车间背景、目的及

4、意义养殖环境可控稳定材料和方法结果与讨论结 论展 望10探寻适用于RAS智能投喂新方法背景、目的及意义从RAS出发，结合游泳型鱼类的摄食特性，在单轮多次投喂策略的基础上，利用计算机视觉技术对鱼群摄食行为强度进行量化分析，并结合肠胃饱满指数对鱼群的摄食行为强度进行评估。材料和方法结果与讨论结 论展 望11实验对象背景、目的及意义材料和方法结果与讨论结 论尼罗罗非（广东苗场）数量: 120条平均重量: 205g展 望12实验装置背景、目的及意义DO : ( 6.50.5 ) mg/L；TAN：0.6 mg/L；水温: ( 272 ) ；pH: 7.80.3；材料和方法结果与讨论结 论水体流速: (

5、50010) L/h养殖池半径: 1m；水位高度:（432）cm展 望13实验装置背景、目的及意义计算机视觉系统主要包括：视频采集系统（Dell服务器：CPU Xeon X5650，频率2.66GHz，内存24GB、海康威视CCD高清摄像机：DS-2CD6233F-SDI型）；照明系统（今台LED）；材料和方法投喂系统（杭州启程QC-TR-15）。结果与讨论结 论视频采集系统中，摄像机安装在养殖池正上方，距离水面1.2m；其采集图像为24-bit RGB、10801920真彩图像，采集速率为25帧/s。照明系统中，LED照明灯由PLC（三菱FX2N）控制。展 望14实验方法背景、目的及意义鱼苗

6、在实验室RAS中暂养60d，使其适应实验室RAS养殖环境。投饲：每天饱食投喂3轮（00:00、08:00、16:00），每轮分n次投喂（n由罗非鱼鱼龄决定）；材料和方法光照：LED照明灯模拟光照周期（06:00-18:00白昼，18:00-06:00黑夜）。结果与讨论结 论本实验中所投喂饲料均为浮性饲料，购于通威股份有限公司。展 望15实验方法 （肠胃饱满指数测定）研究所涉及实验是基于罗非鱼肠胃排空的，另设置3个平行对照池用于罗非鱼肠胃饱满指数（Digesta index of gastro-intestine, DI）的测定（董桂芳等，2013）。背景、目的及意义实验开始前，将鱼饥饿36h，

7、以便充分排空各自胃肠中的内容物。实验期间, 实验鱼在同一时间段统一饱食投喂一次，并在饱食投喂后每间隔半小时对分别对实验池、平行对照池进行饱食投喂实验。材料和方法每次饱食投喂时，实验池上方摄像机记录当前鱼群摄食行为的同时，每个平行对照池中随机捞出3尾罗非鱼放入已溶解有MS222水溶液的塑料桶中进行深度麻醉（防止解剖时实验鱼胃肠蠕动而导致解剖结果产生误差）；然后将9尾鱼单独称量（鱼体湿质量Mi），冰盘上解剖，取出胃和肠中的内含物，60干燥至质量恒定, 继而称重（肠胃内含物干质量Ni），最后计算出每尾鱼的肠胃饱满指数，并取其平均值。结果与讨论结 论整个实验周期中，实验池和对照池中的鱼是恒定不变的：每

8、当对照池中有鱼被捞出时，3条相似的罗非鱼将被补充进相应对照池。展 望16鱼群摄食行为分析方法背景、目的及意义 目标特征提取材料和方法 基于改进动能模型的鱼群摄食行为强度评估结果与讨论结 论展 望17目标特征提取背景、目的及意义 鱼群目标特征提取尽管背景差分法 （Ye et al., 2016）和粒子平衡流方案 （Zhao et al.,2016）能有效用于鱼群前景目标的分割，但对于RAS而言，稳定的背景和平稳的水流环境通常是较难以满足的。本研究中利用一个改进的基于复杂网络 （Zhang et al., 2012）的前景目标分割方法对鱼群特征点进行提取。材料和方法结果与讨论结 论 水面反光区域提

9、取展 望18鱼群目标特征提取背景、目的及意义 视图像I (10801920)包含10801920个节点，每个节点Xij 代表图像的一个灰度级像素点,(i, j) 表示节点坐标；材料和方法矩阵I(x) 、I(y) 分别为图像水平梯度和垂直结果与讨论结 论梯度计算后的结果；展 望19鱼群目标特征提取背景、目的及意义 设定一个滑动窗Wnodes (k k)，其中心为节点X ，毗邻节点为记为X ；ijmn材料和方法 节点X 的权重值w 通过公式1计算而得；ijij结果与讨论结 论w w(x) w(y) I(x) I(x) I(y) I(y)(1)ijijijijmnijmnI Wmnnodes其中i,

10、 m1,1080, j, n1,1920 , i m, j n.展 望20鱼群目标特征提取背景、目的及意义令0 1，w 为w 中的最大值，则节点maxijX 的自由度d (非负数)可计算得：ijij材料和方法w , if d w & d dijijmaxijmn(2)结果与讨论 dij0, otherwise结 论自由度dij为正数的节点被视为当前图像中的鱼群目标初始特征点。展 望21鱼群目标特征提取背景、目的及意义 上述特征点的检测都是基于其相较于周围节点的高梯度值的，因此，一些背景特征点（例如深色的养殖装置）可能会被误检；材料和方法 考虑到这些背景特征点的低速性，光流法被用于缓解这一现象，

11、即速度较低（低于vstan）的鱼群初始特征点将会被剔除；结果与讨论结 论展 望22鱼群目标特征提取背景、目的及意义 此外，水面反光区域噪声有时亦会被误检为特征点，因此，本文中通过公式3对此干扰进行剔除；材料和方法0, if I (s) T & I (v) Tijsijvdij (3)结果与讨论结 论wij , otherw ise其中I(s)和I(y)分别表示图像I在HSV色彩模型中的饱和度值和亮度值，T 和T 分别表示I(s) 和I(y)相应的sv展 望阈值。23鱼群目标特征提取背景、目的及意义材料和方法(a)(b)结果与讨论结论(c)展望24图2 (a) 原始图像; (b) 初始特征点提取

12、; (c) 基于背景和反光干扰去除的前景特征点提取.鱼群目标特征提取背景、目的及意义但在实际养殖中，由于现场养殖环境的复杂性（灯光昏暗、鱼群多层次分布、水体浑浊等）以及养殖对象自身体色变化（鱼体色会趋向于养殖池池壁颜色变化，从而提升计算机识别难度)，使得基于上述方法的鱼群目标特征点分割效果的可靠性降低。材料和方法结果与讨论结 论展 望25水面反光区域提取背景、目的及意义水面反光区域变化特征不但能在一定程度上反应水体流场的变化强度；且经长期实验观察，由鱼群摄食行为活动引起的水面反光区域的变化特征更能在一定程度上反映鱼群摄食行为活动强度。因此，除了从鱼群自身行为角度分析外，本研究亦从养殖水体的水面

13、反光区域的变化特征角度对鱼群摄食行为强度进行分析。材料和方法结果与讨论结 论展 望26基于改进动能模型的鱼群摄食活动强度评估背景、目的及意义针对RAS实际养殖特点（动能模型以目标聚集程度和目标运动速度为主要参考因素的模型。为防止鱼群争食时的过度拥挤，饲料往往是全局或者多点抛洒的，鱼群的聚集程度并不明显），提出了一种针对游泳型鱼类摄食活动强度分析的改进动能模型：材料和方法C ( v ) 2E(4)结果与讨论结 论( k n )Ea v e r a g e式中C 鱼群运动特征变化的不规律程度；v Eaverage鱼群运动平均变化速度；EK 鱼群运动动能。展 望27鱼群运动平均变化速度鱼群的不规律运

14、动程度主要体现在其运动速度和运动方向上， 利用光流法对鱼群自身行为变化特征以及由鱼群运动而产生的水面反光区域变化特征（即像素点的运动速度）进行提取（运动方向上的变化在本实验中并不明显）背景、目的及意义设连续2帧图像之间的光流为F，则目标运动的变化幅度表示为：材料和方法结果与讨论结 论1 0 8 0 1 9 2 0 F ( m , n )N (5) 1 n 1vma v e r a g e其中N为当前帧中非零运动矢量总数。展 望28鱼群运动特征变化的不规律程度速度直方图一种非参数估计的方法，本研究中将变化速度分为若干个角度区间，然后将连续2帧目标图像中的运动矢背景、目的及意义量速度幅值归类到不同

15、区间中取进行统计。如图3为鱼群自身行为以及反光区域变化特征统计直方图，横轴表示变化速度，纵轴表示不同速度出现的概率。材料和方法结果与讨论结 论展 望29图3 (a) 鱼群自身变化特征统计直方图(b) 反光区域变化特征统计直方图鱼群运动特征变化的不规律程度背景、目的及意义利用信息熵（Jiang et al., 2010）来对鱼群自身行为及光面反光区域变化特征分布概率的无规律程度进行衡量，从而实现鱼群运动不规律程度材料和方法的分析：m P( j) l b (P( j)结果与讨论结 论C(6)Ej 1在统计学中，信息熵用来衡量不确定度，熵越大，则被测变量的无规律程度越高（Sethna , 2006）

16、。在信息理论中，信息熵被用来判定随机变量的不确定度与无规律性（Biaynicki-Birula, 1975）。展 望30仿真结果背景、目的及意义分别利用本文中提出的改进动能模型，即EK函数、针对循环水养殖大西洋鲑智能投喂的CVAFI函数、材料和方法 针对网箱养殖鲈鱼的智能投喂的SBCS函数对四种不同肠胃饱满指数DI1、DI2、DI3和DI4分别为结果与讨论186.3510、131.7210、74.2810、12.4910；值越小，鱼群饥饿程度越高）下的罗非鱼鱼群在单轮多次投喂策略（间隔时间为（402）s）下所表现出来的摄食活动强度进行仿真(重复实验取平均值)。结 论展 望31仿真结果背景、目的

17、及意义材料和方法结果与讨论图5 基于EK函数的鱼群摄食活动强度仿真（基于水面反光区域）图4 基于EK函数的鱼群摄食活动强度仿真（基于鱼群目标特征点）结 论展 望32图6 基于CVFAI函数的鱼群摄食活动强度仿真 图7 基于SBCS函数的鱼群摄食活动强度仿真投饲模糊控制雏形背景、目的及意义根据图4和5中仿真结果特性，实际养殖中单轮投饲量Q(n)可由下式模糊控制：材料和方法结果与讨论EK(n)EK(n1)Q(n)Q(n1), 0 1, n3(7)其中，Q(n)和E (n)分别表示当前投喂点投喂量和E 值，KK为校正系数，该系数需由不同条件下的实验拟合。此外，结论展望为消除计算时正负数的干扰，每个E

18、 (n)在计算时需和一个正整数 进行叠加。K33需注意的地方背景、目的及意义本试验所设计循环水养殖池中的排水口含有钢制地漏，易反光，这在一定程度对养殖池中反光区域的精准分割带来影响，因此应该尽量避免使用类似白色反光材料。材料和方法结果与讨论结 论展 望34需注意的地方背景、目的及意义本试验所用罗非鱼，无论其大小和群体规模均具备运动时搅动水体以达到水面反光区域剧烈变化的效果。但在实际养殖中，当养殖对象的大小和规模不足以搅动水体以达到水面反光区域变动时，本研究中所提出的方法的可实施性将会降低。材料和方法结果与讨论结 论展 望35结 论背景、目的及意义利用改进动能模型对鱼群自身特征点以及由鱼群摄食活动引起的水面反光区域的变化特征进行量化、仿真