Morris水迷宫实验图像分析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种Morris水迷宫实验图像分析系统及方法，本发明专利技术主要实现三个功能：一，计算动物在四个象限中的穿越次数；二，识别动物探查方式；三，计算小鼠穿越热区图。主要通过以下步骤完成分析：图像边缘检测、圆形区域识别、目标象限识别、穿越次数计算、探查方式识别、穿越热区计算和可视化。本发明专利技术准确性高，功能齐全。

【技术实现步骤摘要】
Morris水迷宫实验图像分析系统及方法
本专利技术涉及计算机图像处理，尤其涉及一种Morris水迷宫实验图像分析系统及方法。
技术介绍
Morris水迷宫实验强迫实验动物在游泳池游泳，学习寻找隐藏在水中平台(platform)的一种实验，主要用于测试实验动物对空间的学习和记忆能力(NatProtoc.2006；1(2):848–858.)，其基本线索是动物游泳的轨迹和时间信息。实验的基本装置包括：恒温游泳池、逃逸平台(具体为升降台)、以及图像采集和分析系统。一般地，实验流程包括学习和测试两个阶段：在训练阶段，动物连续训练4～5天，训练中，将升降台抬升出水面。将动物放入池中，记录其找到升降平台的时间，此为潜伏时间，如果动物在60秒后仍未找到升降台，则引导动物去升降平台，停留10秒。在测试阶段，即第5或者6天，撤掉升降台，然后记录动物在各象限所滞留的时间，观测总时间为80秒。实验中，可以获得潜伏时间、运动轨迹、平台穿越次数、探查方式等信息。潜伏时间为在训练中，动物找到平台的时间；探查轨迹为动物游泳的路径轨迹；平台穿越次数为在测试阶段，撤去平台后，在实验时间内，实验动物穿越原站台位置的次数。动物穿越隐藏站台位置的次数越多，说明其空间学习记忆能力越好。探查方式包括直线式、趋向式、边缘式和随机式。根据这些信息，可以推测动物的空间学习记忆能力。动物Morris水迷宫的成绩(结果)与神经递质、药物效果等有关，因此该实验被大量用于神经科学的研究，尤其是退行性疾病(阿尔兹海默症)的研究，已经是研究海马回路的关键技术。在这些特征中，运动轨迹、平台穿越次数、探查方式非常重要，探查轨迹与动物的活跃程度、学习记忆能力相关。平台穿越次数直接反映了动物的学习记忆能力。探查方式则与动物分析判断能力和解决问题能力。可见，这三个特征是非常关键的指标。目前，国内使用的Morris水迷宫数据分析软件大都是国外开发，价格不菲(约1万美元)；而且功能不全，不能实现同时获取这三个重要特征指标。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种Morris水迷宫实验图像分析系统及方法，实现对探查轨迹、平台穿越次数、探查方式的准确计算。技术方案：本专利技术所述的Morris水迷宫实验图像分析系统包括：边缘检测模块，用于对多帧Morris水迷宫实验图像进行边缘检测，从而获取图像中的边缘特征；游泳池识别模块，用于从边缘特征中识别出半径介于图形尺寸1/6到1/1.5之一的圆或椭圆，作为水迷宫游泳池区域；象限划分模块，用于以识别出的水迷宫游泳池圆心为原点建立坐标系，并对坐标系进行旋转，使得真实水迷宫游泳池和识别出的水迷宫游泳池的坐标系一致，所述坐标系将水迷宫游泳池区域均分为4个象限；轨迹识别模块，用于从边缘检测模块中获取的边缘特征中识别出像素为1的像素点的位置和数目，将该像素点集合作为动物运动轨迹，并根据动物运动轨迹计算动物穿越各象限的次数；热区图像形成模块，用于对于多帧Morris水迷宫实验图像进行平滑处理，形成热区图像；探查方式识别模块，用于根据运动轨迹判别动物的探查方式；保存模块，用于将分析得到的运动轨迹、穿越各象限次数、热区图像和动物探查方式进行保存。进一步的，所述边缘检测模块进行边缘检测前首先判断Morris水迷宫实验图像是否为RGB三色通道图像，如果是，则获取特定单色通道的值形成单色图像，然后对单色图像采用Canny算子进行边缘检测；否则，直接直接采用Canny算子做边缘检测。进一步的，所述游泳池识别模块中通过圆形霍夫变换方法从边缘特征中识别出半径介于图形尺寸1/6到1/1.5之一的圆或椭圆的圆心和半径。进一步的，还包括调整模块，用于在获取到水迷宫游泳池区域后，通过手动调节圆心和半径，使得游泳池圆心和半径更加准确。进一步的，所述探查方式识别模块具体包括：计算单元，用于获取穿过逃逸平台中心和游泳池圆心的直线L，计算所有运动轨迹点到直线L的距离d，以及所有运动轨迹点到游泳池圆心的距离dd；判别单元，用于在若70％以上的轨迹点到直线L的距离d小于0.15×r，探查方式判定为直线式；若d小于0.75×r的轨迹点超过70％，探查方式判定为趋向式；若dd>0.7×r的点超过70％，探查方式判定为边缘式，如果不满足以上所有情况，探查方式判定为随机式，其中，r为游泳池半径。本专利技术所述的Morris水迷宫实验图像分析方法包括：(1)对多帧Morris水迷宫实验图像进行边缘检测，从而获取图像中的边缘特征；(2)从边缘特征中识别出半径介于图形尺寸1/6到1/1.5之一的圆或椭圆，作为水迷宫游泳池区域；(3)以识别出的水迷宫游泳池圆心为原点建立坐标系，并对坐标系进行旋转，使得真实水迷宫游泳池和识别出的水迷宫游泳池的坐标系一致，所述坐标系将水迷宫游泳池区域均分为4个象限；(4)从步骤(1)中获取的边缘特征中识别出像素为1的像素点的位置和数目，将该像素点集合作为动物运动轨迹，并根据动物运动轨迹计算动物穿越各象限的次数；(5)对于多帧Morris水迷宫实验图像进行平滑处理，形成热区图像；(6)根据运动轨迹判别动物的探查方式；(7)将分析得到的运动轨迹、穿越各象限次数、热区图像和动物探查方式进行保存。进一步的，步骤(1)中进行边缘检测前首先判断Morris水迷宫实验图像是否为RGB三色通道图像，如果是，则获取特定单色通道的值形成单色图像，然后对单色图像采用Canny算子进行边缘检测；否则，直接直接采用Canny算子做边缘检测。进一步的，步骤(2)中通过圆形霍夫变换方法从边缘特征中识别出半径介于图形尺寸1/6到1/1.5之一的圆或椭圆的圆心和半径。进一步的，在步骤(2)获取到水迷宫游泳池区域后，还通过手动调节圆心和半径，使得游泳池圆心和半径更加准确。进一步的，步骤(6)具体包括：(6-1)获取穿过逃逸平台中心和游泳池圆心的直线L，计算所有运动轨迹点到直线L的距离d，以及所有运动轨迹点到游泳池圆心的距离dd；(6-2)如果有70％以上的轨迹点到直线L的距离d小于0.15×r，则探查方式判定为直线式；如果d小于0.75×r的轨迹点超过70％，则探查方式判定为趋向式；如果dd>0.7×r的点超过70％，则探查方式判定为边缘式，如果不满足以上所有情况，则探查方式判定为随机式，其中，r为游泳池半径。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：本专利技术可以实现对动物运动轨迹、平台穿越次数、探查方式的准确计算，且准确率高，稳定性好，成本也更低。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为本专利技术系统的打开界面展示图；图3为打开图像文件后的界面展示图，图中，点击“Step1OPENFILE”打开图像文件，原始图像显示在左边坐标系统内，随机完成边缘检测和圆形区域(游泳池)自动识别，识别结果在右边坐标系统，原点和四个顶点数据显示在“TARGET”上方的文本框中；图4为设定目标象限的界面展示图，图中，根据平台所在象限相对于X轴的角度，填写角度为“X-Axis(Theta)”中，点击“Step2TARGET”，查看结果，可反复调整角度，直至目标象限被正确划分；图5为计算轨迹、计算各象限的穿越频率、计算穿越次数热图、识别探索方式的结果示意图，图中，设定分辨(X和Y)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Morris水迷宫实验图像分析系统，其特征在于该系统包括：边缘检测模块，用于对多帧Morris水迷宫实验图像进行边缘检测，从而获取图像中的边缘特征；游泳池识别模块，用于从边缘特征中识别出半径介于图形尺寸1/6到1/1.5之一的圆或椭圆，作为水迷宫游泳池区域；象限划分模块，用于以识别出的水迷宫游泳池圆心为原点建立坐标系，并对坐标系进行旋转，使得真实水迷宫游泳池和识别出的水迷宫游泳池的坐标系一致，所述坐标系将水迷宫游泳池区域均分为4个象限；轨迹识别模块，用于从边缘检测模块中获取的边缘特征中识别出像素为1的像素点的位置和数目，将该像素点集合作为动物运动轨迹，并根据动物运动轨迹计算动物穿越各象限的次数；热区图像形成模块，用于对于多帧Morris水迷宫实验图像进行平滑处理，形成热区图像；探查方式识别模块，用于根据运动轨迹判别动物的探查方式；保存模块，用于将分析得到的运动轨迹、穿越各象限次数、热区图像和动物探查方式进行保存。

【技术特征摘要】
1.一种Morris水迷宫实验图像分析系统，其特征在于该系统包括：边缘检测模块，用于对多帧Morris水迷宫实验图像进行边缘检测，从而获取图像中的边缘特征；游泳池识别模块，用于从边缘特征中识别出半径介于图形尺寸1/6到1/1.5之一的圆或椭圆，作为水迷宫游泳池区域；象限划分模块，用于以识别出的水迷宫游泳池圆心为原点建立坐标系，并对坐标系进行旋转，使得真实水迷宫游泳池和识别出的水迷宫游泳池的坐标系一致，所述坐标系将水迷宫游泳池区域均分为4个象限；轨迹识别模块，用于从边缘检测模块中获取的边缘特征中识别出像素为1的像素点的位置和数目，将该像素点集合作为动物运动轨迹，并根据动物运动轨迹计算动物穿越各象限的次数；热区图像形成模块，用于对于多帧Morris水迷宫实验图像进行平滑处理，形成热区图像；探查方式识别模块，用于根据运动轨迹判别动物的探查方式；保存模块，用于将分析得到的运动轨迹、穿越各象限次数、热区图像和动物探查方式进行保存。2.根据权利要求1所述的Morris水迷宫实验图像分析系统，其特征在于：所述边缘检测模块进行边缘检测前首先判断Morris水迷宫实验图像是否为RGB三色通道图像，如果是，则获取特定单色通道的值形成单色图像，然后对单色图像采用Canny算子进行边缘检测；否则，直接直接采用Canny算子做边缘检测。3.根据权利要求1所述的Morris水迷宫实验图像分析系统，其特征在于：所述游泳池识别模块具体用于通过圆形霍夫变换方法从边缘特征中识别出半径介于图形尺寸1/6到1/1.5之一的圆或椭圆的圆心和半径。4.根据权利要求1所述的Morris水迷宫实验图像分析系统，其特征在于：还包括调整模块，用于在获取到水迷宫游泳池区域后，通过手动调节圆心和半径，使得游泳池圆心和半径更加准确。5.根据权利要求1所述的Morris水迷宫实验图像分析系统，其特征在于：所述探查方式识别模块具体包括：计算单元，用于获取穿过逃逸平台中心和游泳池圆心的直线L，计算所有运动轨迹点到直线L的距离d，以及所有运动轨迹点到游泳池圆心的距离dd；判别单元，用于在若70％以上的轨迹点到直线L的距离d小于0.15×r，探查方式判定为直线式；若d小于0.75×r的轨迹点超过70％，探查方式判定为趋向式；若dd>0.7×r的点超过70％，探查方式判定为边缘式，如果不满...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏德，罗坤，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32