[发明专利]一种用于实验小鼠的实时追踪照射装置

说明书

本发明公开了一种实验小鼠的实时追踪照射方法，S1、使用摄像机获取待照射小鼠的图像，判断小鼠的当前姿态，确定小鼠的头部在图像中的区域；S2、获取小鼠位置移动后的小鼠图像，根据步骤1中确定的小鼠头部区域，使用目标跟踪算法确定新图像中的小鼠头部区域；S3、计算小鼠头部的像素坐标，根据小鼠的当前姿态修正小鼠头部的像素坐标，然后基于该像素坐标，根据实际装置中摄像机与光线照射方向的位置关系计算需要光线移动的位移矢量；S4、根据步骤S3的位移矢量，控制光线进行相应位移并照射小鼠头部；该发明根据小鼠姿态对位置进行修正，实时调整光线发射位置使光线跟随小鼠的移动而移动，解决了小鼠活动区域被限制的问题。

技术领域

本发明涉及机械、电子和自动化的交叉领域，尤其涉及一种基于图像定位的实时追踪照射装置及其方法。

背景技术

光遗传学是指，把光学与遗传学的手段结合起来，用以激活或者失活特定活组织及细胞的技术。其理论方法是把视蛋白基因结合进脑神经元，创造一种用光照控制神经元兴奋或抑制的工具。光遗传学实验中，通常将光纤连接并固定在小鼠的头部，使一定波长的光照射进小鼠脑的深处。但是，由于光纤对小鼠的行动有阻碍，在一些有关动物行为学的研究中，该实验方法不适用。

2017年，有研究者提出为小鼠头部植入光转换晶体并用光线照射小鼠头部的实验方法，取代光纤的作用。在该实验中，研究者将小鼠限制在小烧杯等狭小区域中，使其头部只能小范围活动，方便光线照射头部；使用单个固定摄像机获得小鼠图像，从图像中提取小鼠头部的空间坐标；使用旋转云台控制光线的照射方向来照射小鼠头部。

使用单个摄像机获得目标空间坐标的方法称为单目定位，单目定位的方法分为定位测量插值法、相似三角比例法两种。定位测量插值法要求摄像机固定不动，采用人工测量的方式将摄像机的像素与地面实际坐标相对应，然后使用插值的方法填补未经人工测量的地面实际坐标。该方法在测量固定位置下的空间坐标时精度较高，缺点是需要的人工成本较高、摄像机不可移动。相似三角比例法使用小孔成像的原理，即地面实际坐标中的点通过光轴成像在图像坐标的点是成比例的，计算目标位置。该方法仅需一次标定，人工成本较低，但要求摄像机镜头畸变小。

但是，单目定位方法的前提是目标高度为零或固定，否则会产生误差，这种误差来自于被定位目标高度的不确定。新的光遗传学实验方法使用定位方法提取小鼠空间坐标，但小鼠在运动时高度不断变化，将高度默认为固定值将使所测坐标产生几毫米的误差。

相比于传统的光遗传学实验方法，新的方法减少了光纤对小鼠行为的影响。但新的方法严重限制了小鼠的活动区域，阻碍了小鼠部分行为的表达；单个固定摄像机的拍摄视角下，所测坐标具有较大误差，旋转云台转动时的旋转角度精度较低，使得红外光照射远处晶体时的误差较大，降低了光线照射进小鼠脑的深处的频率。这些问题影响了实验效果，有待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时的自动追踪照射方法和装置，能够利用可见光图像处理方法找到小鼠头部位置，并照射光线。该方法通过图像处理方法找到小鼠头部位置，根据小鼠姿态对该位置进行修正，计算小鼠头部的实际空间坐标，实时调整光线发射位置使光线跟随小鼠的移动而移动，解决了小鼠活动区域被限制的问题。该方法使小鼠的活动范围大幅增加，小鼠可以较大的区域内任意活动、表达行为。该方法还具有跟踪自动化，照射精度高的优点。

为了解决现有技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于实验小鼠的实时追踪照射方法，包括如下步骤：

S1、使用摄像机获取待照射小鼠的图像，判断小鼠的当前姿态，确定小鼠的头部在图像中的区域；

S2、获取小鼠位置移动后的小鼠图像，根据步骤1中确定的小鼠头部区域，使用目标跟踪算法确定新图像中的小鼠头部区域；

S3、计算小鼠头部的像素坐标，根据小鼠的当前姿态修正小鼠头部的像素坐标，然后基于该像素坐标，根据实际装置中摄像机与光线照射方向的位置关系计算需要光线移动的位移矢量；