一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，包括水下摄像机和视频处理工作站，水下摄像机与视频处理工作站中的图像采集卡连接。鱼道入口安装有防逃网，水下摄像机安装在鱼道侧壁，并靠近防逃网出口，在拍摄场景上方安装有光源向鱼道内水下打光照明。在视频处理过程中，首先通过软件在视场中设计部分区域视为计数缓冲区以降低计算量，并在计数缓冲区中进一步设置增强计数区。当鱼从一侧逐渐进入有效记数区，系统自动、连续对鱼进行识别、跟踪，当系统跟踪到某条鱼从一侧进入增强计数区并逐渐从另一侧开始游出时，准备计数，后经在连续3帧图像内监测、确认后启动计数，实现了计数时段内鱼道内实际过鱼量的全天候自动计数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下目标监测与计数领域，具体涉及到一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统。
技术介绍
近年来我国兴建了大量各型水电站，这些电站的坝体给鱼类自由迁移造成了困难，尤其是季节性和生理性迁徙带来了问题，威胁到鱼类的生存和繁衍。为解决这一问题，目前新建的大坝上专门设计有供鱼类通过的鱼道，并利用光、声及生化诱鱼技术试图将鱼诱导到鱼道入口，引导并帮助其通过鱼道。但是不同的鱼类通过鱼道的能力不同，不同的鱼道类型也使得鱼的过坝效果不同，因而需要对鱼道内实际过鱼情况进行统计，以便结合实际情况对鱼道结构进行优化设计、为鱼类保护措施的制定等提供依据。但由于过鱼时段、数量等较为随机，不可能通过人工二十四小时对鱼道进行监控，需要开发自动化和智能化的监控、统计方法。研究表明，一般的磁、电和接触类传感器都难以胜任鱼类计数工作，而视觉技术有非接触、可视化、信号易采集传输的优点，可以应用于对鱼道过鱼计数的开发，但依然存在诸多技术难点，主要表现在：(1)自然水环境下能见度低，光的散射、反射较强，使得视频对比度差，给鱼目标识别带来困难；(2)鱼为柔性体，游动过程中姿态多变，同类鱼之间除尺寸外也缺乏明显的可区别特征，给鱼目标锁定、跟踪造成困难；(3)鱼一般有趋光性或趋流性，在视场照明光源及鱼道水流下，鱼易在摄像机视场内悬停、抖鳍(造成体态变化)、翻滚、回游等，这些都给计数造成困难。已公开的专利技术专利(“一种基于计算机视觉的活鱼自动计数系统”，201510437308.7)提出了一种可用于鱼苗计数的视频计数方法，但因其实验设施、条件、方法等的限制，无法在自然水环境尤其是真实的大坝鱼道过鱼量计数场合使用，主要因为：(1)硬件方面：鱼道尺寸只有数十厘米，使得检测的鱼必须尺寸足够小，且活动范围小，游态单一，且需要附加滤水箱、吸鱼器、分鱼器等，这些限制条件在真实的大坝鱼道监测环境中是不可能实现的；(2)计数规则与方法：该专利技术中选取沿顺流方向有下降坡度的实验鱼道，认为检测到某条被跟踪的鱼在当前帧的质心坐标较上一帧下降时，计数器加1，而实际上，鱼在鱼道中游动是极不规则的，常见鱼在一较小区域内沿水深方向上下快速窜游，或者悬在某处摆尾抖动导致质心位置变化(而实际上并无明显移位)，尤其在有光源的情况下鱼群因有趋光性易围绕光源呈“漩涡”状绕游，这些常见的情况都会使得该专利的计数规则失效。此外，该专利采用的“标准背景”，即首先拍摄并提取没有鱼出现的场景作为标准背景模板，此后监测时用当前帧图像与标准背景模板差分来求取前景(鱼)，这在真实大坝鱼道中也是无法使用的，因为大坝鱼道中的水质、流速、自然环境光照等会发生变化，导致能见度不同，即背景会发生变化，采用固定的背景模板并不适用。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，结合计数现场实际情况，对计数方法和规则进行了开发，收到了明显的效果。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，它包括水下摄像机和视频处理工作站，所述水下摄像机与视频处理工作站中的图像采集卡连接，并通过安装在视频处理工作站中的计数软件进行处理、计数；鱼道入口安装有防逃网，所述水下摄像机安装在鱼道侧壁，并靠近防逃网出口，在水下摄像机的拍摄场景上方安装有照明光源向鱼道内水下打光照明。在所选取水下摄像机拍摄场景范围内一部分区域作为有效计数区，仅当鱼开始游进该区域时启动对该鱼进行监测。所选取有效计数区内部一部分区域记为增强计数区，未划入部分视为计数缓冲带，所述计数缓冲带前后对称，所述增强计数区大小根据实际水下环境及硬件、照明质量等进行调整。一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，它包括以下步骤：S1：运动鱼或鱼群目标识别与跟踪，包含以下步骤：S11：抗干扰背景建模：建立有效计数区域的混合高斯背景模型，能够自适应排除有效计数区域内光照变化、水体波动、静态背景、固定位置摆动的杂物(如被鱼道内部件拦截的垃圾等)的干扰；S12：识别运动目标：将当前帧中有效计数区内图像与所建有效计数区背景模型进行差分，并对差分结果二值化，即可获得当前有效计数区内的运动目标，即为当前有效计数区内检测出的鱼或鱼群；S13：二值化图像形态学处理：因鱼游动时身体扭曲，其不同身体部位反光程度不同，二值化时可能将同一条鱼分割成多块(即多条鱼)，因而进一步对二值化图像依次进行腐蚀-膨胀-开运算-闭运算，再将小面积干扰虑除，完成当前有效计数区内运动目标识别；S14：运动目标跟踪与锁定：由于每条鱼在相邻帧图像中的位置不会有大的突变，设前一帧和当前帧图像中有效计数区域内各运动目标的几何中心分别为：其中下标为图像帧序号，上标为运动目标数，以为基准，在中搜索与距离最短的中心点，即则两帧图像中的该两中心点对应的目标即为同一目标，不断重复此过程，即可实现鱼的锁定、跟踪。S2：自动计数，包含以下步骤：S21：判别运动方向：当识别到鱼正处于半进入或完全进入某侧计数缓冲带时，锁定运动目标并判断其运动方向，但不计数。方向判断的方法是：计算该鱼在相邻帧中几何中心的变化矢量，矢量方向即为其游动方向。特别地，当鱼前进至身体有部分进入增强计数区后，利用其已进入增强计数区的部分(而不是整体)计算该鱼的几何中心，其目的同样是为降低鱼尾部运动对计算其几何中心带来的误差；S22：计数。继续跟踪过程中，若某锁定的鱼身有部分穿过了增强计数区，即有部分身体从一侧的计数缓冲带进入到了另一侧的缓冲带，准备计数，继续在后续的3帧内跟踪、锁定该鱼，若此后仍判断该鱼身体位置满足上述条件，则启动计数。计数方向由S21中的方法确定，计数增加或者减少由人为指定，如鱼顺水方向计为减少，迎水方向计为增加，否则反之。一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，用于统计大坝过鱼通道内鱼类的流通情况，给后续的生态环境研究提供数据支持。本专利技术的优点与有益效果在于：1、通过在鱼道入口处安装防逃网能够有效的避免鱼进入鱼道后再次回流逃逸，并可达到尽量使鱼游动状态简单化的目的。2、通过在拍摄场景上方安装照明光源并向鱼道内水下打光照明，能够通过鱼的趋光应激反应，减少进入拍摄区的鱼回游逃逸，同时通过光照保证了拍摄效果，进而提高了准确度。3、通过选取水下摄像机拍摄场景范围内一部分区域作为有效计数区，仅当鱼开始游进该区域时启动对该鱼进行监测，以减少计算量，提高实时性。4、选取有效计数区内部一部分区域记为增强计数区，未划入部分视为计数缓冲带，缓冲带前后对称。增强计数区大小可根据实际水下环境及硬件、照明质量等进行调整。设置增强计数区的目的是：鱼在迎水或有汇聚光源时易在水中悬停、扭动、向后漂移、急转、加速逃逸、快速翻滚、急速环游等，鱼的游态及身体形态变化快而复杂，若一旦检测到鱼就立即开始计数，则在鱼高频改变游动轨迹及形态的情况下易得到错误的结果，也易因计数过于灵敏而出现误差，故给出一定的区间(时间)加以强化甄别，以合理减少计数次数，提高计数准确性。5、通过建立有效计数区域的混合高斯背景模型，可以自适应排除有效计数区域内光照变化、水体波动、静态背景、固定位置摆动的杂物(如水下垃圾)的干扰。6、通过采用二值化图像形态学处理，是因为鱼游动时身体扭曲，其不同身体部位反光程度不同，二值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，其特征在于：它包括水下摄像机(2)和视频处理工作站(3)，所述水下摄像机(2)与视频处理工作站(3)中的图像采集卡连接，并通过安装在视频处理工作站(3)中的计数软件进行处理、计数；鱼道(1)入口安装有防逃网(5)，所述水下摄像机(2)安装在鱼道(1)侧壁，并靠近防逃网(5)出口，在水下摄像机(2)的拍摄场景上方安装有照明光源(4)向鱼道(1)内水下打光照明。

【技术特征摘要】
1.一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，其特征在于：它包括水下摄像机(2)和视频处理工作站(3)，所述水下摄像机(2)与视频处理工作站(3)中的图像采集卡连接，并通过安装在视频处理工作站(3)中的计数软件进行处理、计数；鱼道(1)入口安装有防逃网(5)，所述水下摄像机(2)安装在鱼道(1)侧壁，并靠近防逃网(5)出口，在水下摄像机(2)的拍摄场景上方安装有照明光源(4)向鱼道(1)内水下打光照明。2.根据权利要求1所述一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，其特征在于：选取水下摄像机拍摄场景范围内一部分区域作为有效计数区，仅当鱼开始游进该区域时启动对该鱼进行监测。3.根据权利要求2所述一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，其特征在于：选取有效计数区内部一部分区域记为增强计数区，未划入部分视为计数缓冲带，所述计数缓冲带前后对称，所述增强计数区大小根据实际水下环境及硬件、照明质量等进行调整。4.一种基于水下视频的鱼道过鱼量自动计数系统，其特征在于，它包括以下步骤：S1：运动鱼或鱼群目标识别与跟踪，包含以下步骤：S11：抗干扰背景建模：建立有效计数区域的混合高斯背景模型，能够自适应排除有效计数区域内光照变化、水体波动、静态背景、固定位置摆动的杂物(如被鱼道内部件拦截的垃圾等)的干扰；S12：识别运动目标：将当前帧中有效计数区内图像与所建有效计数区背景模型进行差分，并对差分结果二值化，即可获得当前有效计数区内的运动目标，即为当前有效计数区内检测出的鱼或鱼群；S13：二值化图像形态学处理：因鱼游动时身体...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈从平，聂葳，胡琼，黄正，李林波，郑霞忠，石小涛，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42