杜曉冬,滕光輝,李英英,李 卓

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué),北京 100083）

0 引言

生豬養(yǎng)殖過程中，豬只稱重是一個必要的環(huán)節(jié)，畜禽重量是其健康狀態(tài)和市場價值的一個重要指標(biāo)[1]91[2]204[3]。傳統(tǒng)養(yǎng)殖過程中豬只稱重采用體重箱、電子秤，費時、耗力，同時會對家畜產(chǎn)生應(yīng)激，不利于其生長發(fā)育[4，5]。機(jī)器視覺主要研究用計算機(jī)來模擬人的視覺功能從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制[6]。機(jī)器視覺技術(shù)已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用，學(xué)者們應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)和圖像技術(shù)開展一系列研究[7-10]。機(jī)器視覺技術(shù)可為豬體質(zhì)量、體尺測量提供一種新方法，通過利用機(jī)器視覺技術(shù)，獲取視頻及圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像處理，可對豬體體尺實現(xiàn)無接觸測量，減少應(yīng)激[11]。目前，機(jī)器視覺技術(shù)已被應(yīng)用到豬體質(zhì)量預(yù)估研究中，并取得了良好的效果[12]。

相關(guān)研究表明，機(jī)器視覺中光源與照明對相機(jī)采集圖像質(zhì)量具有十分重要的影響[13]31[14-15]。楊艷等通過機(jī)器視覺技術(shù)，測量和計算種豬的投影面積，并分析其與體質(zhì)量的相關(guān)性。然而圖像采集過程中，由于光照條件的影響，即使是同一頭豬，在不同時候采集到的圖像差異也很大[16]。機(jī)器視覺獲取圖像質(zhì)量的好壞，主要取決于光源、圖像攝像機(jī)和視場幾何圖形這3 個因素[17]。在機(jī)器視覺應(yīng)用中，外部光源中的非均勻照明會造成比環(huán)境照明還要壞的圖像分割。因此，好的均勻照明是非常重要的[13]31。英國學(xué)者Wu JiaHua 等人建立了一套較為復(fù)雜的圖像采集系統(tǒng)，然而，一般條件下的低環(huán)境光水平和有限大小相機(jī)光圈滿足不了圖像采集的需要，為此，增加輔助的閃光單元，能較好的構(gòu)建豬體3D 模型[2]208。澳大利亞學(xué)者Kollis 等研究表明，由于實驗環(huán)境較為封閉，當(dāng)前光照水平難以滿足圖像采集要求，增加2 個照明燈會提升圖像采集質(zhì)量[1]92。

然而，實際豬舍中光照環(huán)境較為復(fù)雜，簡單的輔助照明裝置滿足不了機(jī)器視覺對照明的需求，機(jī)器視覺系統(tǒng)輔助光源應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場光照環(huán)境進(jìn)行設(shè)計，以減少外界光照環(huán)境對圖像采集的影響。就典型豬舍飲水區(qū)的光照環(huán)境進(jìn)行實地調(diào)研，分析比較夏季、冬季2 個具有代表性季節(jié)的豬舍飲水區(qū)光照環(huán)境，為今后豬體質(zhì)量預(yù)估中機(jī)器視覺照明系統(tǒng)的設(shè)計作參考。

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗材料

本試驗分別于2012 年6 月13 日至6 月18 日和2014年10 月30 日至11 月3 日在天津市惠康種豬育種有限公司的規(guī)模種豬場進(jìn)行，研究圍繞我國北方地區(qū)常見的長白豬品種而展開，選取育肥豬階段進(jìn)行試驗。試驗儀器：北京師范大學(xué)光電儀器廠型號為ST-85L 光照度計，測量范圍0.1～199 900 lx，精確度為測量值的±4%；?，攦x表公司AS813 一體式光照度計，測量范圍0～100 000 lx，精準(zhǔn)度為測量值的±4%，分辨率1 lx。

1.2 試驗方法

主要在9 號育成豬舍進(jìn)行舍內(nèi)光照度的測量。該育成豬舍內(nèi)共有12 個圈欄，實驗選取6 號和9 號圈欄進(jìn)行，由于豬場育肥舍換圈，夏季試驗在9 號欄進(jìn)行，冬季試驗調(diào)整到6號欄進(jìn)行。9 號育成舍長45.5 m，寬9.2 m，共12 個欄位，如圖1 所示（以下所有示意圖長度單位均為毫米）。

圖1 天津惠康豬場9 號育成舍欄位分布平面示意圖（單位：mm）

相機(jī)安裝在飲水區(qū)正上方，所以在飲水區(qū)圈定（2×2） m的區(qū)域，均勻劃分為4×4 共16 個測點，每個測點間隔40 cm，在以下示意圖中以×號表示。測點位置采用記號筆在相應(yīng)欄桿處標(biāo)記，保證每次測量位置固定不變，確保數(shù)據(jù)真實、可靠。實測現(xiàn)場光照環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)，如最大照度、最小照度、平均照度等。飲水區(qū)分布及光照測量布點如圖2所示：

圖2 飲水區(qū)分布示意圖（單位：mm）

圖3A 為光照測量布點直角坐標(biāo)系，選取飲水區(qū)西南角為坐標(biāo)原點，建立飲水區(qū)直角坐標(biāo)系，水平方向為X 軸，垂直方向為Y 軸，每個測量點的坐標(biāo)由X 軸、Y 軸坐標(biāo)確定。

測量時間主要從8：00—18：00，每間隔2 h 進(jìn)行一次采集，每次采集3 組重復(fù)數(shù)據(jù)，每天采集6 次。每次采集都記錄天氣情況，夏季、冬季分別連續(xù)采集3 d 的光照數(shù)據(jù)。

圖3A 飲水區(qū)光照測量布點示意圖

圖3B 實際豬場飲水圖

2 試驗結(jié)果與分析

數(shù)據(jù)處理軟件選用SPSS17.0，對采集的光照數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理，剔除異常數(shù)值，確保數(shù)據(jù)真實、可靠。現(xiàn)將這6 d實測數(shù)據(jù)天氣狀況統(tǒng)計如表1 所示。

8：00—18：00 每個時間段光照值采集3 組，取3 組平均值作為參考值，繪制夏季和冬季晴天時豬舍飲水區(qū)光照變化趨勢圖，如圖4 所示：

圖4 夏季、冬季飲水區(qū)光照變化趨勢圖

從圖4 中可知，夏季和冬季豬舍飲水區(qū)光照度達(dá)到峰值時刻基本在10：00—12：00 之間，夏季光照強(qiáng)度明顯要高于冬季的光照強(qiáng)度?？偟膩砜?，夏季光照度變化幅度可達(dá)800～900 lx 左右，冬季可達(dá)500～600 lx 左右。

一天中飲水區(qū)光照變化反映的是一個時間序列上的光照變化，單個時間點上的飲水區(qū)光照環(huán)境又是如何分布的。選取單個時間點光照數(shù)據(jù)波動較大的樣本進(jìn)行分析，分析該時間點飲水區(qū)光照均勻性。表2、表3、表4、表5 分別為選取的夏季晴天、陰天，冬季晴天、陰天光照度數(shù)據(jù)：

表1 試驗期間天氣狀況

表2 夏季晴天飲水區(qū)光照環(huán)境實測數(shù)據(jù)（單位：lx）

表3 夏季陰天飲水區(qū)光照環(huán)境實測數(shù)據(jù)（單位：lx）

表4 冬季晴天飲水區(qū)光照環(huán)境實測數(shù)據(jù)（單位：lx）

飲水區(qū)光照均勻性分析主要采用照度均勻度來衡量，照度均勻度主要采用2 個參數(shù)，U1和U2。U1為最小照度和最大照度之比，即U1=Emin/Emax；U2為最小照度和平均照度之比，即U2=Emin/Eave[18-19]。針對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表6：

表5 冬季陰天飲水區(qū)光照環(huán)境實測數(shù)據(jù)（單位：lx）

表6 飲水區(qū)照度與照度均勻度測試結(jié)果

從表6 中可以看出，夏季、冬季豬舍飲水區(qū)不同位置受太陽光照射不同，照明標(biāo)準(zhǔn)要求照度最小值與最大值之比不應(yīng)小于0.50，即U1＞0.50；照度最小值與平均值之比不應(yīng)小于0.70，即U2＞0.70[20]。該照明標(biāo)準(zhǔn)借鑒體育場照明設(shè)計要求，進(jìn)行體育賽事電視轉(zhuǎn)播及拍攝圖像時要求較高的圖像質(zhì)量，同時對光照環(huán)境要求較高，所以借鑒此照明標(biāo)準(zhǔn)對飲水區(qū)光照環(huán)境進(jìn)行評價。分析結(jié)果可知，夏季晴天U1=0.44，小于參考值0.50，U2=0.55，小于參考值0.70，照度均勻性差；夏季陰天U1=0.31，小于參考值0.50，U2=0.48，小于參考值0.70，照度均勻性差。冬季晴天U1=0.49，小于參考值0.50，U2=0.73，滿足要求；冬季陰天U1=0.50，U2=0.75，基本滿足要求?？偟膩砜?，夏季飲水區(qū)照度均勻性差，冬季飲水區(qū)照度均勻性較差。

綜上所述，飲水區(qū)一天中光照變化幅度較大，單個時間點飲水區(qū)光照分布不均勻，存在較大差異。飲水區(qū)光照度變化幅度大、照度均勻性差。

3 結(jié)論與建議

綜合上述得出如下結(jié)論：

1）一天當(dāng)中豬舍飲水區(qū)光照度變化幅度較大，夏季光照度變化幅度可達(dá)800～900 lx 左右，冬季可達(dá)500～600 lx。

2）一天中單個時間點飲水區(qū)光照度存在分布不均勻現(xiàn)象，夏季照度均勻度差，U1＜0.5，U2＜0.7，冬季照度均勻度較差，U1≤0.5，U2＞0.7。

豬舍復(fù)雜光照環(huán)境滿足不了相機(jī)圖像采集的需要，因此，應(yīng)設(shè)計輔助光源以滿足機(jī)器視覺照明需求。研究人員在機(jī)器視覺后期圖像處理方面已進(jìn)行大量算法方面的研究，但是針對機(jī)器視覺照明系統(tǒng)設(shè)計方面研究很少。機(jī)器視覺系統(tǒng)中光源的研究具有很大的意義并富有挑戰(zhàn)性，保持相機(jī)整個視場內(nèi)光照度均勻，依據(jù)周圍光照環(huán)境可實時調(diào)節(jié)照明等是今后的研究方向。

[1] Kollis K，Phang C S，Banhazi T M，et al.Weight estimation using image analysis and statistical modelling：A preliminary study[J]. Applied Engineering in Agriculture，2007，23(1)：91-96.

[2] Wu J，Tillett R，McFarlane N，et al. Extracting the three-dimensional shape of live pigs using stereo photogrammetry[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2004，44(3)：203-222.

[3] Schofield C P.Evaluation of image analysis as a means of estimating the weight of pigs. Journal of Agricultural Engineering Research， 1990，47(C)：287-296.

[4] 楊艷，滕光輝，李保明.計算機(jī)視覺技術(shù)在種豬體尺體重估算中的應(yīng)用[A].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會.農(nóng)業(yè)工程科技創(chuàng)新與建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)——2005 年中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集第三分冊[C].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會，2005：4.

[5] Turner M J B，Benson J A，Hanley M， et al.Automatic weight monitoring of pigs-Part 1：Trials of prototype weigh platforms[C].Divisional Note DN 1266，AFRC Institute of Engineering Research， Silsoe，1985.

[6] 段峰，王耀南，雷曉峰，等.機(jī)器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述[J].自動化博覽， 2002(03)：59-61.

[7] 楊艷，滕光輝，李保明.利用二維數(shù)字圖像估算種豬體重[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，11(3)：61-64.

[8] 吳雪.計算機(jī)視覺技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品和食品檢測中的應(yīng)用[J].糧油加工與食品機(jī)械， 2002(03)：38-39.

[9] 趙靜，何東健.果實形狀的計算機(jī)識別方法研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2001(02)：165-167.

[10] 蔡健榮，方如明，張世慶，等.利用計算機(jī)視覺技術(shù)的煙葉質(zhì)量分選系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000(03)：118-122.

[11] 劉同海，滕光輝，付為森，等.基于機(jī)器視覺的豬體體尺測點提取算法與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013(2)：161-168.

[12] Wang Y S，Yang W，Winter P，et al.Walk-through weighing of pigs using machine vision and an artificial neural network[J].Biosystems Engineering， 2008，100(1)：117-125.

[13] 張巧芬，高健.機(jī)器視覺中照明技術(shù)的研究進(jìn)展[J].照明工程學(xué)報， 2011，22(2)：31-37.

[14] 穆向陽，張?zhí)?機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計[J].西安石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2007，22(06)：104-109.

[15] 唐向陽，張勇，李江有，等.機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報：理工版，2004，29(2)：36-39.

[16] 楊艷，滕光輝，李保明，等.基于計算機(jī)視覺技術(shù)估算種豬體重的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006，22(2)：127-131.

[17] Sieczka E J，Harding K G. Light source design for machine vision， 1992[C].International Society for Optics and Photonics，1992.

[18] 陳梅，李峰.體育館內(nèi)光環(huán)境照度與照度均勻度的實測分析[J].運動， 2011(10)：143-144.

[19] 胥正祥.體育場照明設(shè)計需關(guān)注的幾個問題[J].智能建筑電氣技術(shù)， 2008(01)：38-41.

[20] GB 50034-2004，建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].