[發明專利]一種基于機器視覺的小鼠探索的識別方法

在審

• 申請號: 201611135773.6
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN106611159A
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 蘇連成;王晨路;馮起良
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 秦皇島一誠知識產權事務所(普通合伙)13116
• 代理人: 李合印

技術領域

本發明涉及圖像分析識別領域，尤其是一種利用機器視覺對小鼠圖像變化進行監測和小鼠行為識別的方法。

背景技術

實驗動物行為分析是高級神經中樞功能研究的一項重要技術手段。不僅廣泛應用于神經心理學、神經藥理學等傳統領域，而且延伸到人工智能、仿生學、腦機接口等新興交叉研究領域。

動物的行為是由體態和體態的變化構成的，運動學參數只是對動物行為的粗略描述，動物的體態則包含更多的心理信息，在行為分析中具有更重要的意義。

早期的動物行為學監測都以直接觀察和手工記錄為主，存在定性主觀、耗時耗力等諸多問題。隨著計算機技術的發展，使得利用數字圖像處理和識別方法靈活、精細、以及全面地測量和分析動物行為成為可能。

發明內容

本發明目的在于提供一種誤差小、數據精確、減少觀察時統計方便的基于機器視覺的小鼠探索的識別方法

為實現上述目的，采用了以下技術方案：本發明所述方法包括以下步驟：

步驟1，在小鼠實驗區域垂直上空安裝監控攝像機，攝像機鏡頭對地面、墻角區域進行實時監控；攝像機通過數據線與PC設備連接組成監控系統；

步驟2，監控系統以25幀/秒的采樣頻率對攝像機攝錄的圖像進行處理，并對攝錄圖像進行高斯濾波；

步驟3，監控系統利用未放入小鼠之前的背景圖像作為一個基本的背景模型，使用這個背景模型將前景從背景中分割出來；

步驟4，將前景的二值圖像輪廓從背景中分割出來后，為避免實驗環境光照的影響，利用形態學開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應幀圖像通過Canny邊緣檢測技術檢測小鼠輪廓，利用輪廓查找技術獲取其最外層輪廓像素；

步驟6，以步驟5中邊緣檢測結果為基礎，確定每幀圖像中小鼠的質心；

步驟7，根據圖像預處理之后的小鼠形態特征：鼻部和尾部的角點特征特別明顯；采用角點檢測算法，檢測出小鼠最強兩角點，分別標記為B1和B2；

步驟8，以步驟7中所檢測的角點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個像素點，分別標記為E1和F1、E2和F2；然后分別確定E1和F1的中點M1，E2和F2的中點M2，連接M1和B1，連接M2和B2；

步驟9，根據小鼠的體態特征及其實時變換規律，提出比例約束角點算法，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M1B1與E1F1的比值較大，則B1作為鼻部預選點；

步驟10，為防止小鼠體型變換較大而造成的角點檢測失敗，只有當步驟9中的最大值大于0.8時，才確定B1為真正鼻部，M1B1延長線作為鼻部朝向；否則，舍棄B1；依據前一幀圖像確定的鼻部點，當前幀圖像與前一幀圖像的質心坐標變化之差預測出當前幀的小鼠鼻部，并重復步驟8，且以MB延長線作為鼻部朝向；

步驟11，當小鼠鼻部距離目標物體到達一定范圍(自主設定)，且鼻部朝向經過目標物體時，探索次數加一，同時開始計時；當小鼠鼻部離開設定得范圍或方向偏離目標物體時，計時結束，統計小鼠探索目標時間。

其中，步驟3中，由后續幀圖像中的每個像素點的灰度值減去背景圖片中的對應像素點的灰度值，若相減結果絕對值小于30，則將運算結果圖像中相同位置像素點的灰度值置0；否則，置為255。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

1、在生物醫學科研實驗中，通過對小白素圖像進行監控分析來判斷小鼠的行為參數，無需人工監管，節省人力、經濟成本；

2、可智能判斷小鼠探索行為，有效記錄參數，并具備實時監控功能；

3、避免認為定性主觀判斷，精度高；

4、算法極具針對性和創新性，效果明顯，準確識別率高達97％；

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

附圖說明

圖1是本發明方法的系統工作流程圖。

圖2是背景分割技術提取小鼠輪廓的運算算法示意圖。

圖3是輪廓檢測、角點檢測以及查找E、F兩點運算算法示意圖。

圖4是不滿足比例約束時基于質心檢測的角點預測運算算法示意圖。

圖5是小鼠鼻部及其方向確定和小鼠探索行為參數輸出示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明做進一步說明：

如圖1所示的本發明的結構簡圖中，本發明所述方法包括以下步驟：