一种多数据类型的平面群集运动数据采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多数据类型的群集运动数据采集系统，包括：实验图像采集单元、运动数据采集单元和上位机处理单元。实验图像采集单元包括摄像机、支撑架、可控光源、稳压源；运动数据采集单元包括惯性传感器和主控机，惯性传感器包括三轴磁力计、三轴陀螺仪、三轴加速度计；主控机通过蓝牙与上位机处理单元连接通信；上位机处理单元包括图像处理模块和传感器数据存储模块；图像处理模块对采集的群集运动目标视频图像进行处理，获取运动目标的轨迹信息；传感器数据存储模块用于记录运动目标的加速度、角加速度、磁场和方位。本发明专利技术整合了数据采集设备和数据处理软件，可获得多种类型的运动数据，大大提高数据采集精度、减小传输延迟、增强灵活性。

【技术实现步骤摘要】
一种多数据类型的平面群集运动数据采集系统
本专利技术属于运动数据实时采集
，具体涉及一种多数据类型的平面群集运动数据采集系统。
技术介绍
从人群到飞鸟、游鱼、昆虫、细菌，自然界中广泛存在着丰富的群体运动现象，相互联系而不断运动的个体所组成的系统涌现出丰富多彩而高度协调的群体运动行为。自然界群集动力学行为所展现出的惊人的魅力，为工业、社会群体的认识和优化提供了丰富的思想源泉。从应用角度出发，作为当今物理科学、自动化科学、系统科学、计算机科学、等交叉领域的热点研究方向，深入理解自然界群集构型演化机理或将推动群体机器人协同技术的深刻变革，对于无人系统控制、区块链技术应用、人体群体行为调控疏导等领域提供十分可观的应用价值。近年来，广泛的研究关注于大规模个体组成的群体产生的群集运动行为，研究重点在于理解群集运动的产生机理和内部潜在机制，而研究的基础在于，需要大量准确的实验数据，因此建立完善的实验装置、数据采集与处理系统对于群集运动的分析有着举足轻重的作用。
技术实现思路
针对现有数据采集精度不足、类型单一的问题，本专利技术的目的在于提供一种高精度多数据类型的平面群集运动数据采集系统，为群集动力学的演化研究提供精确的群集运动的实时同步数据。为实现本专利技术的技术目的，本专利技术提供了一种多数据类型的平面群集运动数据采集系统，包括：实验图像采集单元、运动数据采集单元和上位机处理单元。实验图像采集单元包括摄像机、支撑架、可控光源、稳压源；其中，摄像机置于支撑架上，立于实验场地正上方，将整个实验场地完全覆盖拍摄；可控光源放置在实验场地的四周，提供均匀的柔性光照；稳压源用以控制补光灯的亮度；运动数据采集单元包括惯性传感器和主控机，惯性传感器安装于运动目标身上，惯性传感器包括三轴磁力计、三轴陀螺仪、三轴加速度计；主控机通过蓝牙与上位机处理单元连接通信，将惯性传感器采集的信号传送给上位机；上位机处理单元包括图像处理模块和传感器数据存储模块；图像处理模块对采集的群集运动目标视频图像进行处理，获取运动目标的轨迹信息；传感器数据存储模块用于记录运动目标的加速度、角加速度、磁场和方位信息。进一步地，所述图像处理模块包括：视频帧提取子模块，用于提取群集运动目标的视频；目标运动区域提取子模块，用于从当前视频帧中提取目标运动区域；背景滤除子模块，用于对目标运动区域滤除背景；可疑目标定位子模块，用于将滤除背景的目标运动区域与目标灰度阈值进行比较，判定大于目标阈值的像素点为可疑目标像素点，将邻近的可疑目标像素点视为一个可疑目标；可疑目标识别子模块用于将可疑目标与预定目标长度、宽度和面积阈值进行比较，判定可疑目标为个体目标、多目标重合、非目标中的一种；个体目标跟踪子模块用于若可疑目标为个体目标，则将可疑目标与当前视频帧的目标预测位置进行匹配，将匹配成功的目标ID赋值给可疑目标多目标重叠跟踪子模块用于若可疑目标为多个个体目标重叠，则进行可疑目标拆分操作，再将拆分得到的个体目标与当前视频帧的目标预测位置进行匹配，将匹配成功的目标ID赋值给个体目标；非目标跟踪子模块用于若可疑目标为非目标，则忽略。进一步地，所述可疑目标识别子模块的具体实现过程为：设可疑目标d的长为a，宽为b，面积为s；预订的长度边界上、下阈值为Amax，Amin，宽度边界上下阈值为Bmax，Bmin，面积的边界上下阈值为Smax，Smin，则：如满足Amin＜a＜Amax,且Bmin＜b＜Bmax,且Smin＜s＜Smax，则d是个体目标；如满足a＜Amin，或b<Bmin，或s<Smin，则d是非目标；如满足a＞Amax，或b>Bmax，或s>Smaxs，则d为多目标重合。进一步地，所述个体目标跟踪子模块的具体实现过程为：依据前一帧定位的目标位置、方向、速度预测目标在当前帧中的位置，将可疑目标与当前视频帧的目标预测位置进行匹配，将匹配成功的目标ID赋值给可疑目标。进一步地，所述多目标重叠跟踪子模块的具体实现过程为：往当前帧的相邻前后几帧中，找寻可疑目标区域附近的目标，如果存在几个运动目标，则根据这几个目标的速度和方向，预测这几个目标在当前帧中的位置，若预测目标位置在可疑目标区域中，则在当前帧中将预测目标作为目标；若预测目标位置不在可疑目标区域中，则忽略该可疑目标。进一步地，还包括后期修正子模块，用于：遍历所有视频帧，找到目标个体数量异常减少的视频帧，手动增加个体运动目标；遍历所有视频帧，找到目标个体数量异常增加的视频帧，手动减少个体运动目标；遍历所有视频帧，找到目标个体速度和方向异常突变的视频帧，将涉及异常的两个目标ID进行交换。进一步地，所述目标灰度阈值其中，threshold是目标灰度阈值，X(p)是像素点p的灰度值，u(p)是背景图像像素点p的值，σ(p)是像素点p的标准差。进一步地，蓝牙传输模块采用板载陶瓷天线。本专利技术的有益技术效果体现在：本专利技术提出了一种高精度多数据类型的群集运动数据采集系统，其一是通过安装在图像采集装置支撑架上的高分辨率数码摄像机获取平面群集运动过程的视频，包括群集运动中的领导跟随、迁徙、涡旋等现象，随后使用图像处理软件对运动视频进行分析，得到个体的运动轨迹、运动位置等信息；其二是将惯性传感器附着在运动个体上(如：鱼)，通过蓝牙通信将数据实时传输到上位机中，并用数据记录存储软件(MAS-Analysis)实时记录运动个体的加速度、角加速度等相关信息并实时存储。本专利技术运动数据实时采集系统它整合了数据采集设备和数据处理软件，大大提高数据采集精度、减小传输延迟、增强灵活性、有利于用户自定义使用，可以为群集运动的研究提供翔实的数据，大大推动了群集运动的研究。本专利技术图像处理方法无需对实验个体使用外界标志进行目标标记，对实验个体无伤害，简单易行，有利于实验的扩展进行。附图说明图1为全系统结构示意图；图2为视频采集系统示意图；图3为传感器内部模块示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实验实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供了高精度多数据类型的群集运动数据采集系统，该数据采集系统包括：实验图像采集单元、运动数据采集单元和上位机处理单元。实验图像采集单元包括摄像机101、支撑架102、可控光源103、稳压源104；其中摄像机101置于支撑架102上，立于实验场地正上方，将整个实验场地完全覆盖拍摄，可控光源103放置在实验场地的四周，提供均匀的柔性光照，抵消实验装置外壁带来的黑色阴影对图像处理的影响，稳压源104用以控制补光灯的亮度。运动数据采集单元包括惯性传感器2，惯性传感器2包括通过IIC扩展磁力计传感器的三轴磁力计201、三轴陀螺仪、三轴加速度计202、主控机MCU203，利用IIC接口输出9轴信号。主控机MCU203使用蓝牙206与上位机205连接通信，将所采集的运动数据传输至上位机205，上位机对数据进行存储。三轴陀螺仪用于采集被测物体的三轴角速度，三轴加速度计用于采集被测物体的三轴加速度，三轴磁力计用于采集被测物体的方位及磁场强度以便后续计算出被测物体当前与东南西北四个方向上的夹角。上位机处理单元包括图像处理模块3和传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多数据类型的群集运动数据采集系统，其特征在于，包括：实验图像采集单元、运动数据采集单元和上位机处理单元。实验图像采集单元包括摄像机、支撑架、可控光源、稳压源；其中，摄像机置于支撑架上，立于实验场地正上方，将整个实验场地完全覆盖拍摄；可控光源放置在实验场地的四周，提供均匀的柔性光照；稳压源用以控制补光灯的亮度；运动数据采集单元包括惯性传感器和主控机，惯性传感器安装于运动目标身上，惯性传感器包括三轴磁力计、三轴陀螺仪、三轴加速度计；主控机通过蓝牙与上位机处理单元连接通信，将惯性传感器采集的信号传送给上位机；上位机处理单元包括图像处理模块和传感器数据存储模块；图像处理模块对采集的群集运动目标视频图像进行处理，获取运动目标的轨迹信息；传感器数据存储模块用于记录运动目标的加速度、角加速度、磁场和方位信息。

【技术特征摘要】
1.一种多数据类型的群集运动数据采集系统，其特征在于，包括：实验图像采集单元、运动数据采集单元和上位机处理单元。实验图像采集单元包括摄像机、支撑架、可控光源、稳压源；其中，摄像机置于支撑架上，立于实验场地正上方，将整个实验场地完全覆盖拍摄；可控光源放置在实验场地的四周，提供均匀的柔性光照；稳压源用以控制补光灯的亮度；运动数据采集单元包括惯性传感器和主控机，惯性传感器安装于运动目标身上，惯性传感器包括三轴磁力计、三轴陀螺仪、三轴加速度计；主控机通过蓝牙与上位机处理单元连接通信，将惯性传感器采集的信号传送给上位机；上位机处理单元包括图像处理模块和传感器数据存储模块；图像处理模块对采集的群集运动目标视频图像进行处理，获取运动目标的轨迹信息；传感器数据存储模块用于记录运动目标的加速度、角加速度、磁场和方位信息。2.根据权利要求1所述的多数据类型的群集运动数据采集系统，其特征在于，所述图像处理模块包括：视频帧提取子模块，用于提取群集运动目标的视频；目标运动区域提取子模块，用于从当前视频帧中提取目标运动区域；背景滤除子模块，用于对目标运动区域滤除背景；可疑目标定位子模块，用于将滤除背景的目标运动区域与目标灰度阈值进行比较，判定大于目标阈值的像素点为可疑目标像素点，将邻近的可疑目标像素点视为一个可疑目标；可疑目标识别子模块用于将可疑目标与预定目标长度、宽度和面积阈值进行比较，判定可疑目标为个体目标、多目标重合、非目标中的一种；个体目标跟踪子模块用于若可疑目标为个体目标，则将可疑目标与当前视频帧的目标预测位置进行匹配，将匹配成功的目标ID赋值给可疑目标多目标重叠跟踪子模块用于若可疑目标为多个个体目标重叠，则进行可疑目标拆分操作，再将拆分得到的个体目标与当前视频帧的目标预测位置进行匹配，将匹配成功的目标ID赋值给个体目标；非目标跟踪子模块用于若可疑目标为非目标，则忽略。3.根据权利要求2所述的多数据类型的群集运动数据采集系统，其特征在于，所述可疑目标识别子模块的具体实现过程为：设可疑目标d的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈都鑫，张海涛，袁烨，徐博文，刘晓露，朱桃，肖颖，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42