[發明專利]一種基于體段模型的鳥類啄擊運動研究方法

有效

• 申請號: 201811597842.4
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN109635779B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 劉金國;趙梓淇;沈昕慧
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G06V40/20
• 分類號: G06V40/20;G06T17/00;G09B23/36
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李巨智

本發明涉及一種基于體段模型的鳥類啄擊運動研究方法，利用攝像機拍攝鳥類單次啄擊運動視頻，對視頻進行剪輯和解幀，得到連續的若干張啄擊運動圖像序列；根據該種鳥類啄擊運動中的運動環節，建立鳥類體段模型；提取啄擊運動圖像序列中鳥類軀體外輪廓以及特征點，將鳥類體段模型與圖像序列中鳥類所占區域進行匹配，得到形狀和尺寸數據，建立體段模型的三維模型，進行裝配，得到整鳥的三維模型，仿真得到喙尖的運動軌跡。本發明解決了直接捕捉鳥類羽毛上特征點運動誤差大的問題，得到精確全面的啄擊運動數據，通過三維建模和仿真得到啄擊運動數據，實現在無標記情況下和不接觸的情況下對鳥類啄擊運動進行量化研究，提供了運動研究的新的思路。

技術領域

本發明涉及涉及仿生學領域，具體地說是一種基于體段模型的鳥類啄擊運動研究方法。

背景技術

鳥類因為有獨特的喙結構，所以通常通過喙的啄擊來進行取食、破壞和攻擊，例如啄木鳥、雞、鶴等。其中最典型的為啄木鳥，啄木鳥通過啄擊樹木來取食或筑巢，啄木鳥對樹木的啄擊具有高頻率，并且沖擊加速度達到約1000g，并且啄木鳥能夠避免腦部在沖擊中受到損傷。所以啄木鳥啄木行為的獨特性在結構、材料和力學方面具有重要的工程意義，研究啄木鳥啄擊運動更是探究啄木鳥啄木行為的重要一環。

現有對啄木鳥啄擊運動的研究較少，主要分為兩類，第一類是利用高速相機對啄木鳥頭部特征點(例如喙、眼睛)進行運動捕捉，得到啄木鳥啄擊運動參數；第二類是利用建模的方法對啄木鳥啄擊運動中全身的運動狀態進行研究，包括運動學模型、彈簧阻尼模型、有限元仿真模型等模型，但是這些模型均在很大程度上簡化了啄木鳥的運動或形態，不能很好的解釋啄木鳥產生啄擊運動的機理。主要存在兩個問題，一是在生物實驗層面，沒有可以測量啄木鳥運動姿態和形態的方法，二是在仿真研究層面沒有較為準確的模型。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種基于體段模型的鳥類啄擊運動研究方法，解決因鳥類通體被羽毛覆蓋，直接捕捉鳥類羽毛上特征點，導致啄擊運動數據誤差較大的問題。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：

一種基于體段模型的鳥類啄擊運動研究方法，包括以下過程：

步驟1：利用攝像機拍攝鳥類單次啄擊運動視頻，對視頻進行剪輯，并對剪輯后的視頻進行解幀，得到連續的若干張啄擊運動圖像，形成啄擊運動圖像序列；

步驟2：根據該種鳥類啄擊運動中的運動環節，建立鳥類體段模型；

步驟3：提取啄擊運動圖像序列中鳥類軀體外輪廓以及特征點；

步驟4：設定體段模型中各個體段的初始形狀及所述初始形狀的尺寸，并根據鳥類軀體外輪廓以及特征點將鳥類體段模型與圖像序列中鳥類所占區域進行匹配，如果匹配，則將該鳥類體段模型中相鄰體段中心線夾角以及鳥類尾部體段中心線與水平面夾角作為體段模型的姿態數據，將體段模型中各個體段的初始形狀及所述初始形狀的尺寸作為體段模型的形狀和尺寸數據，并執行步驟5；否則修改體段模型中各個體段的形狀及所述形狀的尺寸，重新進行匹配；

步驟5：根據得到的體段模型的形狀和尺寸數據建立體段模型中各個體段的三維模型，并將相鄰體段相互連接的兩個面處理為同直徑的球面，利用該球面將相鄰體段的三維模型進行裝配，得到整鳥的三維模型；

步驟6：根據整鳥的三維模型和體段模型的姿態數據，對鳥類啄擊運動進行仿真，得到啄擊運動過程中喙尖的運動軌跡。

所述鳥類體段模型為：包括一個頭部體段、一個或多個頸部體段、一個或多個軀干體段、一個或多個尾部體段、一個或多個腿部體段；每個體段上有與鳥類軀體特征點相對應的體段特征點，相鄰體段間相鄰面的中心點鉸接。與大地接觸的部位可在體段模型中對應部位根據實際情況設置簡單運動副，例如鉸接、球接、固定副、滑動副。

所述頭部體段為由一個圓錐和一個圓柱組成的組合體；