羅世林 ，何秀文 ，孫云濤 ，彭興鵬 ，郭龍飛 ，何云泉

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045；2.江西省畜牧設(shè)施技術(shù)開發(fā)工程研究中心，江西 南昌 330045）

0 引言

動物體重數(shù)據(jù)是研究動物生長、飼喂、健康條件以及疾病發(fā)生的重要參考指標(biāo)之一[1-2]，動物體重的增長情況也是檢驗(yàn)動物營養(yǎng)與生長環(huán)境條件的重要參數(shù)與指標(biāo)。動物養(yǎng)殖所帶來的利潤與收支平衡緊密相連，而這些都依賴于動物的重量與尺寸[3]。隨著人們對肉類質(zhì)量的要求越來越高，飼養(yǎng)者與研究人員都在努力用最少的投入增加經(jīng)濟(jì)收益[4]。最低投入的概念有兩個含義，一方面是需要盡可能地控制在生產(chǎn)過程中的開銷，另一方面是飼養(yǎng)者要將動物控制在一個符合標(biāo)準(zhǔn)生長曲線的合適的體重范圍內(nèi)[5]。豬體重的變化主要受豬的基因[6]、采食量、溫度、競爭力[7]等的影響，如果在生長過程中對體尺差異大的豬只不加以管理，則不同豬只間存在體重差異也是正常且不可避免的[8]，飼養(yǎng)者最終會淘汰這些生長過程中較弱的豬只[9]。因此，實(shí)時檢測體重數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)體重進(jìn)行對比，可以通過減少或增加個體豬飼料中的營養(yǎng)成分來避免產(chǎn)量的降低。隨著人口的增長和人們對食品需求的不斷增加，農(nóng)業(yè)的發(fā)展變得越來越重要。而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，畜牧業(yè)是重要的組成部分。多年以來，國家出臺了一系列的惠農(nóng)政策，隨著政策的不斷實(shí)施，畜牧業(yè)正展現(xiàn)出前所未有的快速發(fā)展趨勢，生產(chǎn)方式正在加速轉(zhuǎn)變，養(yǎng)殖過程正朝著規(guī)模化的方向發(fā)展，養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)也伴隨著產(chǎn)業(yè)化的要求不斷提高[10]。其中，豬養(yǎng)殖[11]是世界上最主要的畜牧業(yè)之一，而豬只體重的檢測是豬養(yǎng)殖中的重要環(huán)節(jié)之一。豬只體重檢測是指對整個豬群的體重進(jìn)行檢測和管理，傳統(tǒng)的豬只體重檢測方法不僅需要人力投入，費(fèi)時費(fèi)力，而且容易使豬產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，嚴(yán)重時還會造成豬的生產(chǎn)機(jī)能下降，甚至發(fā)病[12]。

盡管電子稱重設(shè)備已逐漸運(yùn)用于生產(chǎn)檢測中，可以幫助提高人工效率并提升檢測的準(zhǔn)確度，但在給豬只稱重的過程中，由于電子稱重設(shè)備存在污穢積累，不僅會影響檢測的準(zhǔn)確性，而且還需要人工進(jìn)行清潔處理，使用成本較高。如今，隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，其被廣泛應(yīng)用于豬只體重檢測中。機(jī)器視覺技術(shù)可以通過圖像處理與分析，實(shí)現(xiàn)對豬只體尺特征的提取和測量，從而推算出豬只的體重。接下來，本文將重點(diǎn)介紹基于機(jī)器視覺技術(shù)的豬只體重檢測研究現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 豬只體重檢測的重要性及現(xiàn)有的檢測方法

豬只體重是種豬培育及生豬養(yǎng)殖所關(guān)注的主要生長指標(biāo)之一，也是評價種豬生長性狀的關(guān)鍵指標(biāo)。豬只體重的增長與市場需求和供應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，市場對于不同體重范圍的豬只有不同的需求，通過合理控制豬只的體重，可以滿足市場需求，提高產(chǎn)品的市場競爭力，增加銷售額和利潤。同時，生豬養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對于農(nóng)村地區(qū)的就業(yè)和經(jīng)濟(jì)增長具有重要意義。隨著生豬養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大和技術(shù)的進(jìn)步，養(yǎng)殖戶需要更多的勞動力參與養(yǎng)殖工作，從而創(chuàng)造出更多的就業(yè)機(jī)會，推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1.1 豬只體重檢測的重要性

1.1.1 健康管理

豬只的健康管理[13]工作是生豬飼養(yǎng)管理的關(guān)鍵，常與飼養(yǎng)控制、生態(tài)管理、食物安全等諸多因素密切相關(guān)。豬群的快速健康成長也是生長催肥階段的工作重點(diǎn)，所以供應(yīng)最佳日糧、加強(qiáng)飼養(yǎng)控制、改良豬舍條件、提高生豬免疫力、降低感染風(fēng)險等工作必不可少。豬只體重檢測是豬只健康管理的重要組成部分，通過監(jiān)測豬只的體重變化，可以及時發(fā)現(xiàn)豬只的健康問題，如生長發(fā)育異常、營養(yǎng)不良等。及時采取相應(yīng)的措施，可以預(yù)防和控制疾病的發(fā)生，提高豬只的生長效益和養(yǎng)殖效益。

1.1.2 飼養(yǎng)管理

生豬育肥時期的飼養(yǎng)十分重要，直接關(guān)系到養(yǎng)殖戶的效益，養(yǎng)殖戶要想增加效益，必須通過提高種豬的繁殖效率、飼養(yǎng)質(zhì)量和瘦肉量才能達(dá)到，只有全面掌握生豬在各個生長階段所需的營養(yǎng)物質(zhì)，才能合理提高飼料質(zhì)量，促進(jìn)生豬快速生長，適應(yīng)社會需求。這是因?yàn)樵谏i育肥階段，生豬骨骼、肌肉等組織快速生長，必須供給營養(yǎng)豐富的配合飼料來滿足生豬快速生長的需求[14]。豬只體重檢測可以幫助養(yǎng)殖戶進(jìn)行科學(xué)的飼養(yǎng)管理，通過監(jiān)測豬只的體重變化，了解豬只的生長情況和飼料轉(zhuǎn)化率，從而調(diào)整飼養(yǎng)策略，合理配制飼料，提高飼養(yǎng)效益。同時，體重檢測還可以幫助養(yǎng)殖戶確定適宜的出欄時間，避免過早或過晚出欄導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。

1.1.3 繁殖管理

豬的繁殖性能[15]是決定豬場效益的關(guān)鍵要素之一。人們都希望獲得更多數(shù)量且健康的仔豬，這就需要做好豬的繁殖方面的工作。豬只的繁殖管理是確保豬只繁殖健康、繁殖效益最大化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提高豬的繁殖力，是發(fā)展生豬養(yǎng)殖的基礎(chǔ)。豬只體重檢測對于繁殖管理具有重要意義，通過監(jiān)測母豬的體重變化，可以判斷母豬的生理狀態(tài)和繁殖能力，及時調(diào)整飼養(yǎng)和繁殖計劃，增強(qiáng)繁殖效果。此外，體重檢測還可以幫助確定合適的配種時間和配種對象，提高繁殖效率。

1.1.4 經(jīng)濟(jì)效益

為了將豬只的經(jīng)濟(jì)效益提高，可以選擇品種較好的仔豬來育肥，結(jié)合有效的飼養(yǎng)技術(shù)和管理措施，同時給豬只提供優(yōu)良的環(huán)境和飲水設(shè)施，使用科學(xué)的方法來育肥，為后續(xù)豬只的成功養(yǎng)殖以及獲取最高的經(jīng)濟(jì)效益打下了良好的基礎(chǔ)。豬只體重檢測可以幫助養(yǎng)殖戶實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，提高養(yǎng)殖效益。通過合理的飼養(yǎng)管理和繁殖管理，可以提高豬只的生長速度和飼料轉(zhuǎn)化率，降低飼料養(yǎng)殖成本，提高豬只出欄體重和銷售價格，從而增加經(jīng)濟(jì)收益。

1.2 現(xiàn)有的豬只體重檢測方法

現(xiàn)有的豬只體重檢測方法主要包括：手動稱重法、自動稱重法、電子稱重法、體尺測量法和機(jī)器視覺法等。

1.2.1 手動稱重法

手動稱重法是一種傳統(tǒng)的方法，也是最常見的方法，是通過使用稱重器或者稱重臺，將豬只放置在上面進(jìn)行稱重。這種方法操作簡單，成本較低，準(zhǔn)確度較高，需要人工將豬群逐一捉住，放入稱重器中進(jìn)行稱重，適用于小規(guī)模養(yǎng)殖場或臨時體重檢測。但這種方法比較耗費(fèi)人工和時間成本，容易造成豬只的應(yīng)激反應(yīng)。

1.2.2 自動稱重法

自動稱重法是一種利用電子稱重設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動化體重檢測的方法。該方法通常使用稱重傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將豬只放置在稱重臺上，稱重傳感器會測量豬只的重量，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行處理和記錄。該方法的自動化程度高，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的體重檢測，不僅能夠減少人工操作的誤差，還能夠減少對豬只的壓力和干擾。自動稱重法是一種較為先進(jìn)的方法，可以通過安裝傳感器在豬舍中實(shí)現(xiàn)對豬的稱重。但是，這種方法需要耗費(fèi)大量的成本進(jìn)行安裝和維護(hù)，同時還需要保證稱重臺的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性。

1.2.3 電子稱重法

電子稱重法是一種目前比較常見的方法，可以通過在地板上安裝電子秤，實(shí)現(xiàn)對豬的稱重。使用電子稱重法進(jìn)行體重檢測的優(yōu)點(diǎn)包括測量準(zhǔn)確、操作簡便、效率高，適用于大規(guī)模養(yǎng)殖場或需要頻繁進(jìn)行體重檢測的場合。同時，電子稱重設(shè)備通常具有數(shù)據(jù)存儲和導(dǎo)出功能，方便數(shù)據(jù)管理和分析。然而，需要注意設(shè)備的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以確保測量結(jié)果的可靠性。

1.2.4 體尺測量法

體尺測量法是通過測量豬只的體尺參數(shù)，如胸圍、體長等，然后根據(jù)已有的體尺與體重數(shù)據(jù)建立的模型進(jìn)行估算。常用的公式有：1）方法一，豬體重（市斤）=胸圍（cm）的平方×體長÷7 600。2）方法二，測量豬的胸圍，然后減去一尺五寸，用剩余的每一寸乘以10得到的即為豬的近似體重（市斤）。方法二相對簡單，但準(zhǔn)確度較低，存在一定的誤差。

1.2.5 機(jī)器視覺法

機(jī)器視覺法是利用機(jī)器視覺技術(shù)，通過拍攝豬只的圖片，通過圖像處理技術(shù)和算法分析提取圖像特征，并結(jié)合已知的圖像與體重數(shù)據(jù)建立模型，實(shí)現(xiàn)對豬只體重的自動測量。這種方法可以實(shí)現(xiàn)對大量豬只的體重數(shù)據(jù)進(jìn)行自動化管理和分析，準(zhǔn)確度較高，但需要相應(yīng)的設(shè)備和算法支持。

2 基于機(jī)器視覺的豬只體重檢測技術(shù)原理及現(xiàn)有的研究

2.1 技術(shù)原理

機(jī)器視覺是一種利用計算機(jī)和相關(guān)技術(shù)來模擬人類視覺系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)人類視覺系統(tǒng)能力的技術(shù)。它通過使用攝像機(jī)或其他圖像傳感器來獲取圖像數(shù)據(jù)，并利用圖像處理、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法和方法對圖像進(jìn)行分析和理解，從而實(shí)現(xiàn)對圖像中物體、場景和特征的感知、識別和理解[16]。機(jī)器視覺是一門涉及多個領(lǐng)域的交叉學(xué)科[17]，對其各部分的發(fā)展研究是促進(jìn)視覺系統(tǒng)快速發(fā)展的關(guān)鍵。機(jī)器視覺技術(shù)在豬只體重檢測方面有著廣泛的應(yīng)用。通過使用攝像頭或其他圖像采集設(shè)備獲取豬只的圖像，然后利用機(jī)器視覺算法對圖像進(jìn)行處理和分析，可以實(shí)現(xiàn)對豬只體重的非接觸式、實(shí)時、精準(zhǔn)的檢測。機(jī)器視覺技術(shù)主要包括圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、建立模型和目標(biāo)檢測與識別五個步驟。

2.2 現(xiàn)有研究

目前，基于機(jī)器視覺的豬只體重檢測技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究。其中，研究者主要采用了兩種方法：

第一種方法是基于體尺測量的機(jī)器視覺技術(shù)。體尺信息特別重要，通過體尺可以反映出很多信息，例如能夠反映出豬只體型大小、體軀結(jié)構(gòu)和發(fā)育情況等[18]，還能夠間接地反映出組織器官發(fā)育情況，例如生產(chǎn)性能、對外界環(huán)境的適應(yīng)能力等。Whittemore等[19]和White等[20]很早就通過機(jī)器視覺技術(shù)對活體豬的體尺進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，利用可視化的圖像分析（Visual Image Analysis, VIA）方法對豬只進(jìn)行檢測，以獲得豬只的背部尺寸和形狀信息。劉同海等[21]發(fā)明的基于機(jī)械視覺的豬體尺檢查點(diǎn)獲取方法，可用來獲得豬只的體長、體寬，以及用體尺量算的九個體尺檢查點(diǎn)的位置，實(shí)踐證明，此方法對豬只體長的實(shí)測數(shù)值平均相對誤差很小，而且平均值的相對誤差也僅為0.92%；其次是腹部的體寬值，其平均相對誤差為1.39%。李卓等[22]研發(fā)出基于雙目視覺原理的豬體尺檢測系統(tǒng)，將測試結(jié)果與手工測量結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)平均相對誤差只有2%左右，而且平均誤差小于2 cm，可以實(shí)現(xiàn)對豬只體尺的無接觸檢測。司永勝等[23]提出了一種豬體理想姿態(tài)檢測算法，調(diào)整豬體為水平方向，可識別頭部和尾部的位置，判斷頭部位置是否歪斜，結(jié)果表明：該方法與最理想的狀態(tài)之間偏差較小，因此準(zhǔn)確性很高，體寬測量的平均準(zhǔn)確性達(dá)到了95.5%，體高測量的平均準(zhǔn)確性達(dá)到了96.3%，體長測量的平均準(zhǔn)確性達(dá)到了97.3%，這三項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)的總體準(zhǔn)確性都相當(dāng)高。杜曉冬等[24]對國內(nèi)外豬只的體尺測量、體重預(yù)估展開了研究分析，從計算機(jī)視覺和三維點(diǎn)云兩種角度加以分析研究，結(jié)果表明：通過計算機(jī)視覺方法測定生豬的體尺、重量，能夠克服以往檢測中出現(xiàn)的豬只應(yīng)激、人工效率不足等缺陷；同時，通過點(diǎn)云技術(shù)，可以直接獲取豬的體尺參數(shù)，減少外部環(huán)境對拍攝造成的影響，提高檢測精度。

基于體尺測量的機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以在豬不受干擾的情況下進(jìn)行檢測。但該方法還面臨著若干問題，例如不能測量深度數(shù)據(jù)以獲得豬體高等數(shù)據(jù)，二維圖像中出現(xiàn)噪聲影響以及背景干涉等，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。同時，還要求具有精密的計算儀器和復(fù)雜的計算能力。

另一種方法是基于行為識別的機(jī)器視覺技術(shù)。楊秋妹等[25]提出了基于機(jī)器視覺的豬只飲水行為自動識別方法，使用傳統(tǒng)的閾值分割方法，對豬只進(jìn)行背景中的提取和飲水行為的識別，再通過深度學(xué)習(xí)的方法構(gòu)造豬體頭部的檢測器，更加準(zhǔn)確地判別飲水行為的發(fā)生，該方法在測試結(jié)果中的識別正確率達(dá)到了92.11%，可應(yīng)用到實(shí)際的豬只生產(chǎn)過程中輔助管理決策。譚輝磊[26]提出了基于機(jī)器視覺的豬個體身份和飲水行為的識別方法，提取視頻中具有獨(dú)特性和穩(wěn)定性的特征區(qū)域以及其他特征，再結(jié)合向量相似度計算方法，采用改進(jìn)的Douglas-Peucker多邊形近似法、匈牙利算法和身份識別算法，最后得到的豬只飲水行為的識別準(zhǔn)確率為94.05%，較好地區(qū)分了飲水狀態(tài)和非飲水狀態(tài)。李丹等[27]針對目前豬只爬跨行為自動化檢測程度較低的問題，提出了一種基于Mask R-CNN的豬只爬跨行為識別算法，能夠有效檢測豬只爬跨行為，算法的準(zhǔn)確率為94.5%。2018年，康飛龍[28]利用機(jī)器視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對豬群狀態(tài)與豬個體行為識別進(jìn)行了智能化研究，實(shí)現(xiàn)了對豬站立和躺臥這兩種靜態(tài)狀態(tài)的良好識別效果，為實(shí)現(xiàn)對豬休息狀態(tài)的行為識別奠定了基礎(chǔ)。李光昌等[29]借鑒OpenPose人體姿態(tài)估計算法，并對其進(jìn)行改進(jìn)，采用K-最近鄰算法對豬只行為進(jìn)行分類，有效地滿足了生豬規(guī)?；B(yǎng)殖中豬只行為自動化監(jiān)控的需求。

基于行為識別的機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以在豬自由活動的情況下進(jìn)行檢測。但是，該方法也存在一些問題，如需要準(zhǔn)確的行為識別算法和行為數(shù)據(jù)等。

3 基于機(jī)器視覺技術(shù)的豬只體重檢測的未來發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)

未來，基于機(jī)器視覺技術(shù)的豬只體重檢測研究將面臨許多挑戰(zhàn)，主要包括以下幾個方面：

其一，需要進(jìn)一步提高機(jī)器視覺技術(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。目前，機(jī)器視覺技術(shù)在處理豬只圖像時，往往會受到光照、角度、遮擋等因素的影響，導(dǎo)致識別準(zhǔn)確度降低。其二，需要拓展機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用范圍。目前，機(jī)器視覺技術(shù)主要應(yīng)用于豬只體重檢測，而在豬養(yǎng)殖中還有許多其他的應(yīng)用場景，如豬的疾病檢測、豬的行為識別等。其三，還需要解決數(shù)據(jù)隱私和信息安全等問題。在進(jìn)行機(jī)器視覺研究時，需要收集大量的豬只圖像數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)可能會涉及豬的隱私和商業(yè)機(jī)密等問題。

綜上所述，基于機(jī)器視覺技術(shù)的豬只體重檢測方法有著廣闊的發(fā)展前景，但是也需要不斷克服技術(shù)和應(yīng)用方面的挑戰(zhàn)。