計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用

汪文忠

水產(chǎn)養(yǎng)殖已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成，在推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。水產(chǎn)養(yǎng)殖中水生動(dòng)物的形狀、尺寸、顏色及紋理等稱(chēng)為水生動(dòng)物的視覺(jué)屬性，該屬性是水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中的重要信息。其不僅可以反映水生動(dòng)物的基本生長(zhǎng)情況，還可以為水生動(dòng)物的喂養(yǎng)、用藥、捕撈、選別、分級(jí)提供參考，同時(shí)為養(yǎng)殖水環(huán)境的監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

一、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方式對(duì)比

1.傳統(tǒng)測(cè)量方式

傳統(tǒng)的測(cè)量方式主要是人工通過(guò)肉眼判斷、手工接觸或使用簡(jiǎn)單的測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量方式雖然簡(jiǎn)單易行，但卻容易受到測(cè)量者的個(gè)人習(xí)慣與經(jīng)驗(yàn)影響，同時(shí)外部環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾也較大。這些因素導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)量方式主觀性強(qiáng)、整齊性差、出錯(cuò)率高。此外，水生動(dòng)物敏感性較強(qiáng)，用手工接觸的方式進(jìn)行測(cè)量容易導(dǎo)致水生動(dòng)物感染疾病甚至死亡，從而不利于水生動(dòng)物的生長(zhǎng)。

2.計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)

人類(lèi)的感覺(jué)包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)等，但依靠視覺(jué)獲取絕大部分的信息。計(jì)算機(jī)視覺(jué)（CV）是指賦予機(jī)器人類(lèi)的視覺(jué)功能，該技術(shù)起源于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別，涉及到圖像分析、圖像處理、模式識(shí)別及人工智能等多種技術(shù)。其基本原理是通過(guò)圖像傳感器獲取圖像信號(hào)，然后傳送給圖像處理系統(tǒng)，再將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并針對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算與處理以提取特征信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、檢測(cè)與控制等。

二、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中的應(yīng)用

光學(xué)成像技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，推動(dòng)了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)手段的發(fā)展與應(yīng)用。計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在測(cè)量對(duì)象的線性尺寸、顏色等屬性方面優(yōu)勢(shì)明顯，具有經(jīng)濟(jì)快速、準(zhǔn)確一致、客觀專(zhuān)業(yè)等特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)中的應(yīng)用涵蓋了魚(yú)、蝦、蟹、貝等多種水產(chǎn)動(dòng)物，并且已經(jīng)成為精細(xì)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。

1.水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)控

養(yǎng)殖水體中的許多參數(shù)需控制在合理的范圍之內(nèi)，才可保證水生動(dòng)物的良好生存環(huán)境。我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中多采用不能長(zhǎng)期連續(xù)使用的非在線型水質(zhì)測(cè)試儀表。這種儀表在使用過(guò)程中容易受到人為或儀器等原因影響從而造成測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，即使是全天不間斷測(cè)試水質(zhì)，這種誤差也仍然存在。隨著工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)末開(kāi)始研究自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)養(yǎng)殖水體中的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，包括溫度、濁度、溶氧、亞硝酸鹽、氨氮、鹽度、酸堿度等。目前，溶氧、水溫等指標(biāo)的監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用比較廣，水體凈化設(shè)備和增氧設(shè)備等與其相關(guān)的執(zhí)行機(jī)械的監(jiān)控應(yīng)用也頗多。

2.投餌監(jiān)控

投餌飼喂是水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，減少投餌過(guò)程中的浪費(fèi)可以有效降低水生動(dòng)物的飼養(yǎng)成本，同時(shí)有利于減少污染水體的殘餌量、改善水生動(dòng)物生存環(huán)境，從而保持養(yǎng)殖動(dòng)物的健康狀態(tài)。利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)來(lái)控制投餌，可以精確控制餌料投放量，同時(shí)可觀察到投餌過(guò)程中魚(yú)群的聚集情況，并以此判斷魚(yú)體的健康狀況及餌料的利用情況。

3.生長(zhǎng)監(jiān)控

對(duì)于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)來(lái)說(shuō)，定期檢測(cè)魚(yú)體尺寸、重量等是一項(xiàng)非常重要的工作。傳統(tǒng)的定期打網(wǎng)捕撈檢測(cè)容易對(duì)魚(yú)體造成損傷，影響其后期的生長(zhǎng)發(fā)育。目前可利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的圖像測(cè)量技術(shù)測(cè)量水中魚(yú)體的尺寸大小，從而判斷魚(yú)體的生長(zhǎng)情況，對(duì)校正之后的魚(yú)體圖像進(jìn)行去噪、二值化、分割，得到魚(yú)體的尺寸大小、魚(yú)眼位置、魚(yú)尾位置等。眾多試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，計(jì)算機(jī)圖像測(cè)量技術(shù)和人工測(cè)量相比，魚(yú)體尺寸的實(shí)際值與測(cè)量值差異不大。據(jù)報(bào)道，RUFF、HARVEY、JONES等不同品種魚(yú)體的樣本試驗(yàn)結(jié)果均表明計(jì)算機(jī)視覺(jué)圖像測(cè)量值與實(shí)際值之間無(wú)顯著差異。采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)蝦夷扇貝大小，識(shí)別精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)械分級(jí)機(jī)，平均相對(duì)誤差僅為2.12%。既避免了機(jī)械碰撞等對(duì)扇貝造成的損傷，同時(shí)檢測(cè)精度也能夠滿(mǎn)足使用要求，因而認(rèn)為用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)控制扇貝分級(jí)是可行的，且實(shí)用價(jià)值很高。

4.行為監(jiān)控

動(dòng)物行為與其生理狀態(tài)及外界刺激密切相關(guān)，是機(jī)體的重要功能表現(xiàn)。水體環(huán)境發(fā)生改變或水生動(dòng)物受到刺激時(shí)動(dòng)物會(huì)表現(xiàn)出不同的行為：當(dāng)水體溶氧不足時(shí)，魚(yú)會(huì)拼命往水面上游動(dòng)；魚(yú)生病時(shí)，其肢體無(wú)力，表現(xiàn)為游速變慢，對(duì)外界環(huán)境的刺激反應(yīng)遲鈍。傳統(tǒng)的測(cè)量方式較難實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中水生動(dòng)物的疾病觀察，容易延誤病情。而應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)直觀快速地對(duì)水生動(dòng)物行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可利用自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。同一養(yǎng)殖塘中養(yǎng)殖的水生動(dòng)物品種相同，且大小相近，當(dāng)觀察到魚(yú)塘中魚(yú)出現(xiàn)側(cè)翻，說(shuō)明有不適或者即將死亡。由于池塘水背景色較深而魚(yú)腹顏色較白，因而很容易觀測(cè)到。例如，可采用統(tǒng)計(jì)方法分割池塘水背景色及病魚(yú)的閾值，分別得到池塘內(nèi)魚(yú)體面積與腹部白色面積。同時(shí)將池塘背景和魚(yú)腹部?jī)煞N顏色的區(qū)域分割，再統(tǒng)計(jì)魚(yú)腹部白色區(qū)域面積大小，當(dāng)白色區(qū)域面積大于等于統(tǒng)計(jì)值下限且小于統(tǒng)計(jì)值上限時(shí)視作魚(yú)類(lèi)出現(xiàn)不適，即可觸發(fā)報(bào)警。采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)既可減少人力的消耗，又可節(jié)省時(shí)間和成本。

三、結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在漁業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用不斷增加，技術(shù)手段越來(lái)越成熟，同時(shí)也存在一些困難需要解決。由于水生動(dòng)物都生活在水下，因而水質(zhì)、水溫、水流、魚(yú)鱗片反光等因素均會(huì)影響計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的測(cè)量結(jié)果。因此，應(yīng)繼續(xù)深入研究圖像處理技術(shù)的新方法和新手段，獲得高質(zhì)量圖像，使得計(jì)算機(jī)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用前景更加廣闊。