本发明专利技术涉及海洋装备技术领域，具体地说是一种海洋浮游生物光学成像装置及成像处理方法，包括主架体、闪光灯组件、相机组件和主控制单元，闪光灯组件包括旋转驱动装置、旋转叶轮和闪光灯，旋转叶轮通过旋转驱动装置驱动旋转，在旋转叶轮上设有闪光灯，相机组件包括直线驱动装置、光学成像仪和相机镜头基座，相机镜头基座上设有透镜，相机镜头基座内设有光学成像仪，且所述光学成像仪通过直线驱动装置驱动移动以使合适的镜头与所述透镜对位。通过图像处理程序步骤获取海洋生物的种群图像并分类，分析得到该海洋生物种群的分布。本发明专利技术利用机器视觉技术实现对海底浮游生物种群和颗粒物质的快速识别及量化，避免对海底浮游生物种群和颗粒物质扰动。
An Optical Imaging Device for Marine Plankton and Its Imaging Processing Method
【技术实现步骤摘要】
一种海洋浮游生物光学成像装置及成像处理方法
本专利技术属于海洋装备
，更具体地说，涉及海洋浮游生物光学成像装置及成像处理方法。
技术介绍
浮游生物是海洋生态系统中非常重要的类群,由于浮游生物的复杂性,当前海洋浮游生物观测研究面临的一个瓶颈问题是难以在较大的时空尺度上快速测量其数量与种类组成的变化并完成其细结构的观测。传统的利用浮游生物网具采样的方式仍然是当前浮游生物采样技术的核心,也是许多长时间序列研究和海洋研究计划的基础。随着科技发展，现有技术中的取样设备上也做了一些更新，比如多联网通过压力感应在同一剖面中采集不同水层的样品。虽然新的技术在一定程度上取代了一些传统采样技术，但其所面临的一个挑战是只能在相对较低的时空精度采集样品,且样品分析的周期很长，需要人为进行室内的镜检，由于采样及储存条件的影响因素，比如样品由于水流冲刷导致个体易碎，或者储存时福尔马林长期保存的个体易分解等，往往会导致采样结果与实际海区的分布情况认知有一定的差异。现在科研人员已经普遍认识到许多与浮游生物有关的重要生态学过程发生在更为精细的时空尺度上,而使用传统的采样方法难以达到要求。另外利用网具采样经常会扰乱浮游生物的分布特征(如斑块分布、薄层分布等),这些特征对于更好地了解浮游生物群落结构和分布非常重要,只有通过现场原位观测系统才能保持，而对于生态学上重要但易受损伤的类群来说,如胶质类浮游动物,使用传统网具采集也容易低估它们的数量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种海洋浮游生物光学成像装置及成像处理方法，利用机器视觉技术实现对海底浮游生物种群和颗粒物质的快速识别及量化，并且避免了对海底浮游生物种群和颗粒物质自然维度及水文形态形式的改变，从而可以实现对浮游生物种群行为较为准确的推测。实现本专利技术所采用的技术方案是：一种海洋浮游生物光学成像装置，包括主架体、闪光灯组件、相机组件和主控制单元，闪光灯组件和相机组件均设于主架体上，所述闪光灯组件包括旋转驱动装置、旋转叶轮和闪光灯，所述旋转叶轮通过所述旋转驱动装置驱动旋转，在所述旋转叶轮上沿着圆周方向均布有多个闪光灯，所述相机组件包括直线驱动装置、光学成像仪和相机镜头基座，所述相机镜头基座朝向所述闪光灯组件的一侧设有透镜，在所述相机镜头基座内设有光学成像仪，且所述光学成像仪通过所述直线驱动装置驱动移动以使合适的镜头与所述透镜对位，所述旋转驱动装置、闪光灯、直线驱动装置和光学成像仪均通过所述主控制单元控制。所述主架体内设有闪光灯单元和相机驱动单元，所述闪光灯单元和相机驱动单元平行设置且后端均与主控制单元前端相连，所述闪光灯组件设于闪光灯单元前端，所述相机镜头基座设于相机驱动单元前端，且所述相机驱动单元内设有所述直线驱动装置。所述闪光灯单元内设有为旋转驱动装置和闪光灯供电的驱动电源，且所述驱动电源通过主控制单元控制通断电。所述主控制单元包括监控控制器和嵌入式PC模块，所述直线驱动装置和驱动电源通过所述嵌入式PC模块控制，所述光学成像仪通过所述监控控制器监控；所述主控制单元通过连接缆与一个数据综合处理及分析单元相连；所述主控制单元上设有电池组件和数据存储单元。所述主架体内设有叶绿素浊度传感器和温盐深传感器；所述主架体上侧设有上导流翼板、下侧设有下导流翼板；所述主架体呈前小后大的梭形；所述主架体上设有预留挂载孔。一种海洋浮游生物光学成像处理方法，包括以下步骤：主控制单元接收数据综合处理及分析单元的指令，控制闪光灯组件照射海洋生物，控制相机组件采集海洋浮游生物的原始图像，控制叶绿素浊度传感器和温盐深传感器采集海洋数据并存储，通过图像处理的程序步骤获取海洋生物的种群图像类别并分类，用于分析得到该海洋生物种群的分布。主控制单元输出信号控制旋转驱动装置使旋转叶轮转动，从而旋转叶轮上沿着圆周方向均布的多个闪光灯照射海洋生物；所述主控制单元输出信号控制直线驱动装置驱动光学成像仪在各个透镜之间切换位置，对海洋生物进行对焦拍照。所述图像处理的程序步骤包括：a.加载采集的海洋浮游生物的原始图像；b.对原始图像进行预处理与对焦物体检测、分段阈值计算、梯度分析，初步获取海洋浮游生物的轮廓；c.特征向量提取的步骤：在样本空间构建最优超平面；计算不同样本集与超平面之间的分离距离；计算每个分离距离的均值矩阵和距离矩阵并归一化处理；计算上述归一化后矩阵的对比度、校正度、方差作为特征向量；d.多环境因子参数分析：根据各个传感器获取的温度值、电导率值、压力值、光学叶绿素浓度、浑浊度值、经纬度值分析所在观测位置的剖面生物丰度分布、水文环境因子分布；e.机器学习及深度学习的步骤：在特征向量提取后的图像中插入预设数量的特征点并筛选比较，获取浮游生物的种类特征图像并存储至图像专家库用于深度学习；对图像专家库中存储的图像，采用非线性变换提取多层次多角度特征，根据不同种类的目标形态特征选择具有不同大小、形状和方向特性的结构元素用于学习浮游生物的种群类别，获取自适应特征选取的快速线形分类器；f.利用自适应特征选取的快速线形分类器处理现场采集的图像，按照判别的种群类别对图像进行分类，再结合人工鉴定剔除分类错误的图像。还包括根据该种群的丰度数据和环境因子参数，分析得到该种群的分布。所述预处理与对焦物体检测包括采用灰度校正、图像分割并标记；所述分段阈值计算包括根据设定的阈值进行二值化处理，对感兴趣的区域ROI计算相邻像素的灰度差并设置sobel参数。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用机器视觉技术实现对海底浮游生物种群和颗粒物质的快速识别及量化，其中直线驱动装置驱动光学成像仪移动，以完成不同CCD镜头的切换，扩展了拍摄视野，并且能够实现针对不同尺寸浮游生物和颗粒物质的自动对焦，另外拍摄时，闪光灯组件中的各个闪光灯随旋转叶轮旋转，将各个闪光灯发出的光有效的聚焦，从而保证相机拍照的清晰度，并且也避免了拍摄过程中的阴影部分，经过后续单元数据处理后可以实现对浮游生物种群行为较为准确的推测。2、本专利技术中的闪光灯组件和相机镜头基座相对设置，拍摄时不会扰动浮游生物种群和颗粒物质，避免了对海底浮游生物种群和颗粒物质自然维度及水文形态形式的改变。3、本专利技术中经过图像处理步骤后，能快速将采集到的浮游生物进行识别并分类，从而掌握浮游生物类群的分布情况，对于研究浮游生物的昼夜垂直移动、斑块分布等海洋生态现象具有原位精细化观测与快速鉴定优势。附图说明图1为本专利技术的结构示意图，图2为图1中的A处放大图，图3为图1中的主控制单元、闪光灯单元及相机驱动单元示意图，图4为本专利技术的光学数据后处理流程示意图，图5为多环境因子参数分析-剖面生物丰度分布图，图6为为多环境因子参数分析-水文环境因子分布图，图7为本专利技术的光学成像效果示意图。其中，1为上导流翼板，2为叶绿素浊度传感器，3为主架体，4为主控制单元，5为电池组件，6为温盐深传感器，7为下导流翼板，8为闪光灯单元，9为闪光灯组件，10为相机镜头基座，11为相机驱动单元，12为连接缆，13为连板，14为数据综合处理及分析单元，15为数据存储单元，16为监控控制器，17为嵌入式PC模块，18为驱动电源，19为旋转驱动装置，20为旋转叶轮，21为直线驱动装置，22为光学成像仪，23为透镜。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海洋浮游生物光学成像装置，其特征在于：包括主架体(3)、闪光灯组件(9)、相机组件和主控制单元(4)，闪光灯组件(9)和相机组件均设于主架体(3)上，所述闪光灯组件(9)包括旋转驱动装置(19)、旋转叶轮(20)和闪光灯，所述旋转叶轮(20)通过所述旋转驱动装置(19)驱动旋转，在所述旋转叶轮(20)上沿着圆周方向均布有多个闪光灯，所述相机组件包括直线驱动装置(21)、光学成像仪(22)和相机镜头基座(10)，所述相机镜头基座(10)朝向所述闪光灯组件(9)的一侧设有透镜(23)，在所述相机镜头基座(10)内设有光学成像仪(22)，且所述光学成像仪(22)通过所述直线驱动装置(21)驱动移动以使合适的镜头与所述透镜(23)对位，所述旋转驱动装置(19)、闪光灯、直线驱动装置(21)和光学成像仪(22)均通过所述主控制单元(4)控制。
【技术特征摘要】
1.一种海洋浮游生物光学成像装置，其特征在于：包括主架体(3)、闪光灯组件(9)、相机组件和主控制单元(4)，闪光灯组件(9)和相机组件均设于主架体(3)上，所述闪光灯组件(9)包括旋转驱动装置(19)、旋转叶轮(20)和闪光灯，所述旋转叶轮(20)通过所述旋转驱动装置(19)驱动旋转，在所述旋转叶轮(20)上沿着圆周方向均布有多个闪光灯，所述相机组件包括直线驱动装置(21)、光学成像仪(22)和相机镜头基座(10)，所述相机镜头基座(10)朝向所述闪光灯组件(9)的一侧设有透镜(23)，在所述相机镜头基座(10)内设有光学成像仪(22)，且所述光学成像仪(22)通过所述直线驱动装置(21)驱动移动以使合适的镜头与所述透镜(23)对位，所述旋转驱动装置(19)、闪光灯、直线驱动装置(21)和光学成像仪(22)均通过所述主控制单元(4)控制。2.根据权利要求1所述的海洋浮游生物光学成像装置，其特征在于：所述主架体(3)内设有闪光灯单元(8)和相机驱动单元(11)，所述闪光灯单元(8)和相机驱动单元(11)平行设置且后端均与主控制单元(4)前端相连，所述闪光灯组件(9)设于闪光灯单元(8)前端，所述相机镜头基座(10)设于相机驱动单元(11)前端，且所述相机驱动单元(11)内设有所述直线驱动装置(21)。3.根据权利要求2所述的海洋浮游生物光学成像装置，其特征在于：所述闪光灯单元(8)内设有为旋转驱动装置(19)和闪光灯供电的驱动电源(18)，且所述驱动电源(18)通过主控制单元(4)控制通断电。4.根据权利要求3所述的海洋浮游生物光学成像装置，其特征在于：所述主控制单元(4)包括监控控制器(16)和嵌入式PC模块(17)，所述直线驱动装置(21)和驱动电源(18)通过所述嵌入式PC模块(17)控制，所述光学成像仪(22)通过所述监控控制器(16)监控；所述主控制单元(4)通过连接缆(12)与一个数据综合处理及分析单元(14)相连；所述主控制单元(4)上设有电池组件(5)和数据存储单元(15)。5.根据权利要求1所述的海洋浮游生物光学成像装置，其特征在于：所述主架体(3)内设有叶绿素浊度传感器(2)和温盐深传感器(6)；所述主架体(3)上侧设有上导流翼板(1)、下侧设有下导流翼板(7)；所述主架体(3)呈前小后大的梭形；所述主架体(3)上设有预留挂载孔。6.一种海洋浮游生物光学成像处理方法，其特征在于，包括以下步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘俊，陈磊，于非，刁新源，魏传杰，王延清，
申请(专利权)人：中国科学院海洋研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37
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