[发明专利]一种基于行为特征谱联动的犊牛状态监测的装置和方法

权利要求书

1.一种基于行为特征谱联动的犊牛状态监测的装置，其特征在于，包括双目网络摄像机、计算机、外部控制器、SIM通讯装置、风扇及喷淋器；摄像机与计算机采用RJ45网线连接；计算机通过串口连接有外部控制器、SIM通讯装置，外部控制器与外部执行器相连；外部控制器内设有SIM通讯装置和控制板；外部执行器包括风扇、喷淋器、声光报警器；

所述的摄像机采用双目网络摄像机；

所述的摄像机的数量有两台，一台安装于犊牛围栏短轴方向并与长边平行，另一台安装于长轴方向并与短边平行，两台摄像机的镜头视线与围栏中心点的夹角为90度；

在与摄像机正对的围栏后方和侧方分别放置与地面垂直的红色幕布；

所述的外部控制器中控制板包括单片机、光电耦合器、双向可控硅、继电器；所述的光电耦合器输入端与单片机I/O口连接，输出端与双向可控硅的控制端、阳极连接；所述的继电器与单片机另一I/O口连接，经三极管放大路控制继电器线圈的通断；

所述的SIM通讯装置包括主控板、电源电路、复位电路，所述的电源电路由稳压芯片输出恒定电压到主控板的VCC和GND引脚；所述的复位电路由RC回路与主控板复位引脚连接，当系统上电后自动产生复位脉冲；

基于行为特征谱联动的犊牛状态监测的装置的监测步骤为：

一、监测犊牛的基本行为：卧倒、走动、跑跳；具体包括以下步骤：

1）犊牛目标检测

使用块匹配法计算图像的运动矢量场，分割得到运动目标的粗略区域D，以D内调整后的目标与背景差值作为图像调整的评价，计算最佳系数组合做为最佳调整参数，调整图像后再用背景减去法进行目标检测；

2）犊牛目标跟踪

提取奶牛躯干区域作为跟踪的基准图像f₀，向四周扩展得r_p，对r_p内所有子图像进行差异度比对评价，以最接近f₀的子位置作为目标的新区域，将当前帧的跟踪结果作为下一帧的探索中心，重复跟踪过程；

3）基本行为识别

使用犊牛外接矩形的特征进行基本行为的识别，根据犊牛目标外接矩形的大小Rs以及前后数帧中目标运动速度Vc经逻辑判定，决定犊牛当前的状态，判定法则如下：

如果：Vc<VT1且Rs<ST，则：姿态为卧倒；

如果：Vc<VT1且Rs≥ST，则：姿态为站立；

如果：Vc≥VT1且Vc<VT2，则：姿态为走动；

如果：Vc≥VT2，则：姿态为跑动；

其中VT1为静止与运动的速度分界值，VT2为走动和跑动的速度分界值，ST为卧倒与站立的外形大小分界值；

二、在监测犊牛的基本行为的基础上，当犊牛卧倒时，监测其呼吸状态参数及姿态调整信息，具体包括以下步骤：

1）计算图像速度场

解析光流约束方程计算图像点x方向速度分量V_x、y方向速度分量V_y，使用V_x、V_y计算速度大小，按速度大小采用多次大律法分割出运动点；

2）将速度方向分量进行三角合成得到速度方向值，单帧图像中所有运动点速度方向的平均值作为该帧图像的状态参数，对每帧进行记录并绘制得到运动曲线；

3）分析运动曲线，得到卧姿状态参数

统计1分钟内运动曲线的周期数为奶牛呼吸率；单个呼吸周期内运动曲线的最大值与最小值的差值为呼吸深度；

按以下规则判定奶牛特殊行为：

如果：单个呼吸周期持续时长>TT1且呼吸深度>TT2，则：发生深呼吸行为；

如果：运动曲线波动幅度>TT3，则：发生呼吸紊乱行为；

如果：整体运动速度均值>TT4且速度方向的方差>TT5，则：发生姿态调整行为；

三、犊牛高级行为的监测，具体包括以下步骤：

1）对犊牛进行行为分层分析

将犊牛行为按照语义上的描述分为3个层次：运动特征、基本行为和高级行为；对犊牛行为进行划分，高级行为包括采食、睡觉行为，基本行为包括走动、奔跑行为，运动特征包括运动速度、方位信息；

2）犊牛与环境交互的监测

通过对象检测与识别将动物运动目标与关键物件从图像中标识出来； 在识别出重要物件并记录位置等信息后，计算动物与物件间的图像特征参数，描述动物与物件的相对关系并考查动物与场景中重要物件的交互行为；

3）在步骤一、二的基础上，使用分层行为模型识别奶牛的高级行为

将步骤一、二中犊牛基本行为信息与动物-场景交互信息进行组合，根据包含犊牛行为特点的先验知识构造高级行为产生的约束条件，在约束条件下实现犊牛高级行为识别模型，设计模型的结构和参数，并实现模型算法；

四、犊牛行为信息的利用，具体包括以下步骤：

1）行为信息的归类

监测到的行为信息划归为3类：行为异常、状态特征参数、日常行为参数； 其中，行为异常包括：呼吸率过高、呼吸紊乱、姿态调整频繁、长时间处于卧倒状态、长时间未进食；状态特征参数包括：呼吸率、呼吸深度；日常行为参数包括：睡觉的时长与方位、站立时长与方位、进食次数与时间；

2）对行为信息的处理和利用

当监测到行为异常后，系统立即进行报警操作：控制外部执行器进行声光报警，通过SIM通讯装置发送报警短信；

状态特征参数被模糊化，经模糊推理计算得出控制量，通过外部控制器调节外部执行器的工作参数，以改善犊牛的养殖环境；

日常行为参数被实时记录，并录制相关的视频片段，以供管理人员查证，协助制定养殖策略，并作为奶牛牛群改良系统的信息源。