豬只飲水行為機器視覺自動識別

楊秋妹 肖德琴 張根興

(華南農業大學數學與信息學院， 廣州 510642)

0 引言

正常情況下，豬的飲水行為呈穩定持續的模式，當疾病出現、喂食質量或環境發生變化時則會導致其飲水行為改變。人工對豬的飲水行為進行監控需要投入大量的人力并且難以實現長期持續的觀察。因此，需要自動化實時地監控豬只的飲水行為，提取其飲水行為節律，這對豬只的健康異常預警，改善其生長福利有很重要的作用[1-3]。

目前，自動監控豬飲水行為已有相關的研究成果，主要采用兩種方式：無線射頻技術RFID和機器視覺技術。采用RFID技術識別豬只飲水主要是通過給豬只佩戴電子耳標，另外在飲水器旁邊安裝RFID接收器，當豬只靠近飲水器時接收器則讀取相應的信息，從而記錄飲水行為的發生，有學者對高頻RFID的有效使用范圍作了相應的研究，開展了基于RFID的豬只個體飲水行為和豬場產量與健康問題的相關分析[4-7]；陸明洲等[8]則用此方法來檢測母豬個體的飲水頻率。但是，基于RFID的監控方式需要給豬只打入耳標，為入侵式的實驗方式，并且耳標容易丟失，給管理帶來不便。機器視覺作為一種無入侵的方式可以實時地監控動物的日常行為，由于其價格低廉、容易安裝，已經在豬場生產管理中得到廣泛的應用，很多豬場都已經獲得了大量的監控錄像數據，但是利用動物視頻監控數據進行信息提取，獲得對生產管理有用信息的研究還不多，在豬只上的應用主要有關于移動、爬跨、攻擊及飲食等行為的探討[9-11]。在飲水識別上，KASHIHA等[12-13]提出二值化圖像后，借助豬只輪廓關鍵點與質心的距離來識別豬只頭部，從而確定飲水行為的發生，得到飲水次數與持續時間，建立豬只飲水量與其飲水時間的關聯模型，但該方法對豬只頭部的識別過度依賴于圖像分割結果，如分割出來的圖像不能較好地還原豬只輪廓則無法準確識別豬只頭部。精準檢測豬只頭部與飲水器發生接觸是采用機器視覺自動識別豬只飲水行為的關鍵，本文擬在已有的飲水識別方法基礎上，加入圖像占領指數、深度學習等機器視覺算法，提出一種新的基于機器視覺的豬只飲水行為識別方法(Pig drink recognition，PDR)。

1 材料與方法

1.1 試驗數據來源

試驗數據來源于廣州力智農業有限公司位于廣州市蘿崗區的現代化生豬生產基地。選取種豬欄作為監控場景，監控豬欄面積為4 m×5 m，攝像機布置于豬欄正中高約5 m的橫柱上，以俯視的角度進行拍攝，為了將整個豬欄完全覆蓋在攝像機成像范圍內，采用鏡頭焦距為2.8 mm的?？礑S-2CD3345-I型紅外網絡攝像機，視頻利用?？礑S-7804N-K1/C型網絡硬盤錄像機存儲。

試驗期間監控豬欄共飼養4頭種豬，試驗周期為2016年7月8日至2016年8月8日共32 d，每天24 h對豬欄進行監控，但是由于晚間時段豬只多處于睡眠狀態，因此每日只選取白天豬只比較活躍時段的視頻作為研究素材，具體為每日的08:00至18:00。為了便于區分豬欄里的各頭豬，在豬只背部采用油性筆標上A、B、C、D作為豬只編號，試驗豬欄有一高一低2個直式飲水器供欄中的所有豬只飲水。豬只在欄中活動畫面如圖1所示，飲水器安裝在圖1中的黃色框內。

圖1 豬欄監控畫面Fig.1 Scene of piggery monitoring

1.2 豬只飲水行為識別體系結構

本文旨在通過豬欄的監控視頻，自動提取出豬欄中各頭豬只的飲水情況，具體的體系結構如圖2所示。

圖2 豬只飲水行為體系識別結構Fig.2 Framework for pig drinking behavior recognition

從圖2可以看到，豬只飲水行為自動化識別主要有3部分。第1部分為基于閾值分割的豬只檢測，本文通過大津法對圖像進行二值化，將豬只作為前景與背景區分開來，得到每頭豬只的輪廓，并用其輪廓的外接矩形將其提取出來。第2部分為基于圖像占領指數的飲水行為預判，本文將通過識別豬欄的飲水區域是否有監控對象進入，如果有，并且監控對象在此區域停留一定的時間長度，則認為有可能發生飲水行為，沒有則無飲水行為發生。第3部分為基于深度學習的飲水行為精準識別，為了進一步確認飲水行為是否發生，本文將提取豬只頭部、身體的圖像進行訓練，構建豬只頭部身體區分的分類器模型，截取飲水區域的圖像判別是否有豬只頭部進入，如果是則可確認飲水行為發生。

1.3 豬只飲水行為識別算法設計原理

1.3.1基于閾值分割的豬只檢測算法

在監控視頻中，豬只作為研究對象，在每幀圖像中，要將前景與背景區分開來，現有的研究主要是采用圖像分割方法來完成[14-16]。在豬場監控場景下，攝像頭的位置固定，拍攝成像的豬場區域固定，豬只在限定的豬欄范圍內活動，不會出現越出豬欄的情景，因此，豬欄以外的圖像區域不屬于有效的豬只活動區域，可以在圖像處理前，設定一個有效監控區域將其排除在外，得到矩形框內的有效監控區域。如圖3所示，紅色矩形框為有效豬只活動范圍。豬只飲水自動化識別的整個流程都在該有效監控區域內進行。

圖3 設定的豬只有效活動區域Fig.3 Setting up valid region for pigs

從圖3可以看到，豬欄地板為偏黑色的水泥地，圍欄顏色也偏黑，而豬身體為白色，與背景有明顯的顏色差異，所以本文采用基于顏色的圖像分割方法來檢測豬只。將原始的RGB圖像轉換為灰度圖像后，利用大津法確定圖像分割閾值[17-18]，將圖像中的像素點分成前景和背景。具體做法是假設任意值T為前景與背景的分割閾值，小于閾值T的像素點為背景，大于等于該閾值的則為前景，背景、前景像素點個數占圖像總像素點個數的比例分別為w0、w1，背景、前景所有像素點的灰度平均值分別為u0、u1，則有

u=w0u0+w1u1

(1)

g=w0(u0-u)2+w1(u1-u)2

(2)

式中u——整幀圖像的平均灰度

g——背景和前景圖像的類間方差

計算T取不同值時g的值，直到g取得最大值，此時T為最終分割閾值。

灰度圖像經過閾值分割得到二值圖像后，該二值圖像因為光線等原因存在一些噪聲，采用Canny邊緣檢測獲取豬只輪廓，對其利用形態學腐蝕、膨脹等方法進行噪聲去除，并根據實際的豬只大小情況將一些較小的不可能為豬的連通區域去除，最終得到只含豬只輪廓的二值圖像。經過處理得到豬只輪廓二值圖像后，對于圖中每頭豬的輪廓用其最小外接矩形將其框出，得到每頭豬的感興趣區域，第i頭豬的感興趣區域記為PROI(i)。每頭豬保存其質心、角度等信息作為飲水行為的判斷依據，第i頭豬的質心記為P(i)，第i頭豬的角度記為θ(i)。針對豬只監控視頻數據，本文以8 f/s的采樣方式抽取視頻幀，定義豬只檢測算法A，每一幀圖像I采用該算法進行豬只檢測，(x,y)為圖像中像素點坐標，A算法過程如下：

while (x,y) inI

if (x,y)沒有超出有效監控區域保留像素點(x,y)；

else舍棄像素點(x,y)；

rgb2gray(I)轉為灰度圖像；

im2bw(I, graythresh(I))轉為灰度圖像；

imerode(I,se)腐蝕膨脹解決粘連;

imdilate(I,se)膨脹填充孔洞;

bwareaopen(I,P,conn)刪除小面積連通區域;

for each連通區域生成其外接矩形和橢圓擬合；

output：每塊連通區域為一頭豬，第i頭豬輸出其感興趣區域PROI(i)，質心P(i)，角度θ(i)。

1.3.2基于圖像占領指數的飲水行為預判

在實際的豬欄中，豬只通過飲水器飲水，每次飲水必須進入飲水器的鄰近區域，并且通過觀察發現豬只飲水時處于接近靜止狀態，本文通過監控豬只飲水區域，當豬只處于靜止狀態并且此飲水區域有足夠多的面積被豬只身體占領時則有可能發生飲水行為。

豬只是否靜止可以通過豬的質心及角度的變化來判斷，當相鄰兩幀中同一頭豬的質心變化不超過給定范圍，并且其角度變化不超出給定值，則認為其處于靜止狀態，超出此范圍則認為是處于運動狀態。

記第i頭豬在第t幀的質心為P(i,t)，靜止時豬的質心變化滿足

P(i,t+1)-P(i,t)<α

(3)

式中α——質心變化閾值

記第i頭豬在第t幀的角度為θ(i,t)，靜止時豬的角度變化滿足

θ(i,t+1)-θ(i,t)<β

(4)

式中β——角度變化閾值

當豬處于靜止狀態時，則判斷其是否處于飲水區域。圖像占領指數可用于識別在某個區域范圍有無出現特定的監控對象[19]，本文引入飲水區域的圖像占領指數這一概念來判斷豬只是否發生了飲水行為。

在任意時刻，飲水區域的占領指數通過二值圖像來描述，一幀圖像中飲水區域記為W，(x,y)表示W中的像素點坐標，像素點取值記為BI(x,y)，BI(x,y)=0表示此像素點未被豬只覆蓋，BI(x,y)=1表示此像素點已被豬只覆蓋。其中，w表示區域W的像素點總數，飲水區域W被豬只占領的指數定義為

(5)

經過豬只檢測算法A處理后得到的二值圖像如圖4所示。豬只作為前景對象每個像素點的值記為1，背景對象每個像素點值記為零，圖4a中黃色矩形無豬只進入，該區域中所有像素點取值均為零，此時飲水區域的占領指數為零；圖4b中有豬只進入黃色矩形區域，此時該區域占領指數值為豬只進入飲水區域的像素點數與飲水區域總像素點數的比值。

圖4 豬只占領區域示意圖Fig.4 Schematics of pig occupation area

定義豬只飲水預判定算法B,對于上一步得到的二值化圖像做出是否可能發生豬只飲水行為的判別，B算法步驟如下：

(1)計算相鄰兩幀圖像中每頭豬的質心和角度變化。

(2)如果變化小于給定閾值，則對于豬斑點區域的每個點判斷其是否位于飲水區域，累計飲水區域內的像素點數。

(3)判斷飲水區域內的像素點數是否大于給定閾值，若大于給定閾值則可初步判定飲水行為發生。

1.3.3基于深度學習的飲水行為精準識別

僅是通過飲水區域是否有豬只存在來判斷飲水行為是否發生并不夠準確，實際的豬場中，經常會設置一高一低2個飲水器，高位飲水器需要豬只抬起頭才夠得著，低位飲水器則需要低頭飲水。低位飲水器往往會出現由于豬只身體占領了飲水區域，但實際并沒有飲水行為發生的情況，如圖5所示，豬只尾部占領了圖像中低飲水器的位置，但是實際沒有發生飲水行為。

圖5 豬只進入飲水區域但無飲水圖Fig.5 Picture of pig in drinking zone but no drinking

為了避免將此種情況誤判為飲水行為的發生，本文加入了豬只頭部、背部、尾部的識別判斷。當出現飲水區域被占領的情況后，則在飲水器周圍截取部分圖像，截取出來的圖像有可能是頭部，也有可能是尾部或地板，或者不屬于上面的幾種情況(如豬身中部等)。因此，本文采用物體分類的方法來區分這幾個類別。在物體分類上，深度學習模型GoogLenet在2014年刷新了圖像分類的性能記錄[20]，本文引入該方法構建豬只頭部識別模型C。

GoogLenet增加了網絡的寬度和深度，共22層，利用如圖6所示的Inception結構，實現有效降維。

圖6 Inception模型Fig.6 Inception model

為了解決訓練樣本不足的問題，本文采用遷移學習的思想，利用預訓練好的模型，結合有標簽數據進行fine-tuning，得到豬只頭部識別模型。豬只頭部識別模型C的訓練步驟如下：

(2)計算數據集的圖像均值。

(3)選定預訓練好的模型，修改分類層的參數。

(4)調整訓練過程的配置參數。

(5)啟動訓練，對預訓練模型進行參數微調。

訓練結束后得到的豬只頭部識別模型C具有識別輸入圖像是否為豬只頭部、豬只尾部以及地板的功能。采用1.3.2節的方法初步檢測到豬只飲水行為的發生后，在飲水器周圍截取部分圖像，用上述訓練得到的模型C判斷該圖像是否為豬只頭部，如果是則可記錄為飲水行為的發生，并且計算其飲水時長。

當豬只的飲水行為得到確認后，從精準養殖的角度出發，需更進一步確認發生飲水行為的豬只身份，本文再次利用深度學習模型GoogLenet，構建豬只個體身份分類器，當豬只飲水行為發生后，能準確識別出飲水個體。采集每頭豬的個體圖像作為訓練樣本，由于豬背已經人為標記藍色的A、B、C、D作為區分，以此人工添加標簽，再次利用預訓練好的GoogLenet進行fine-tuning得到豬只個體身份分類器，訓練過程與豬只頭部識別模型C相同。

2 試驗與結果分析

2.1 豬只檢測算法試驗

利用本文提出的豬只檢測算法A對豬只圖像進行處理，得到圖7所示的識別結果。

圖7 檢測算法A識別結果Fig.7 Recognition result of A

對于每一幀圖像，從原始圖像截取邊界后得到有效監控區域，在此基礎上對圖像采用大津法閾值分割后得到二值圖像，接著采用形態學去噪進行膨脹腐蝕，之后刪除小面積連通區域，最終每塊有效的連通區域則分別代表一頭豬，每頭豬用其外接矩形框圈出。

在我國現行的司法體制中，憲法、民法、刑法、相關司法解釋和法規條例都對公民隱私權有一定的規定，但仍不完善[4]。

為了驗證豬只檢測算法A的有效性，在豬場監控視頻中采樣100幀監控圖像，每幀圖像有4頭豬，共400頭豬，考慮到該算法運行結果可能會受光照、豬只粘連等情況影響，在采樣時特別考慮了不同時間段光照不一樣的圖像，也對豬只出現粘連的情況進行了采樣。采用A算法進行豬只檢測，在這100幀圖像中共檢測出370頭豬，其中完全正確檢測的豬只有356頭，將粘連在一起的2頭豬檢測為1頭的有11次共涉及22頭豬，錯誤將光斑檢測為豬只的有3次，有22頭豬漏檢。

定義豬只檢測正確率為：算法正確識別出的豬只數目與所有被算法認為是豬只的連通區域數目之比。豬只檢測召回率為：算法正確識別出的豬只數目與圖像中實際存在的豬只數目之比，由此計算得到豬只檢測正確率為96.22%，召回率為89%。召回率偏低的原因是將粘連豬只作為一頭豬只識別，此種情況不屬于正確識別出豬只，但并不影響本文的飲水行為識別。

2.2 豬只頭部識別算法試驗

在本次豬只頭部識別試驗中，采用caffe深度學習平臺，GPU模式(Nvidia GTX 1060)，在預訓練好的BVLC GoogLeNet模型上進行fine-tuning。

用于豬只頭部識別模型C訓練的圖像總數為1 204幅，用于測試的圖像總數為1 396幅，其中地板的訓練圖像為200幅，測試圖像為401幅，地板樣例圖像如圖8所示。

圖8 地板樣例圖像Fig.8 Sample pictures of floor

豬只頭部的訓練圖像為475幅，測試圖像為422幅，樣例圖像如圖9所示。

圖9 豬只頭部樣例圖像Fig.9 Sample pictures of pig head

豬只尾部的訓練圖像為529幅，測試圖像為573幅，樣例圖像如圖10所示。

圖10 豬只尾部樣例圖像Fig.10 Sample pictures of pig tail

訓練前，利用caffe中的convert_imageset將圖像轉換為特定的數據庫，使用compute_image_mean生成圖像數據的均值文件，數據庫文件和均值文件是caffe進行訓練的必要文件，本次訓練有3個類別，分別為地板、頭部、尾部。在train_val.prototxt、solver.prototxt以及deploy.prototxt中設置相關的訓練參數，具體設置如表1所示。

表1 訓練參數設置Tab.1 Parameter setting for training procedure

訓練的迭代次數為10 000次，此時訓練結果已收斂，正確率為97.64%。在錯誤識別的圖像中，有一部分是由于圖像光線不足而導致識別出錯，有一部分是由于外界干擾(如澆水沖洗豬舍)及豬只運動導致的圖像模糊。由此可見，本次試驗的結果可用于實際的豬只頭部判別。

2.3 豬只個體分類器試驗

豬只個體分類器訓練參數test_iter設為12，訓練有4個類別，分別為A、B、C、D，其他的參數與豬只頭部識別試驗相同。從監控視頻中，采樣A、B、C、D 4頭豬的圖像用于訓練學習，為了減少由于截取范圍過大而造成的識別誤差，利用本文提出的豬只檢測算法A定位得到每頭豬只的外接矩形，在原圖中將該區域圖像截取出來作為訓練樣本，用于訓練的圖像共949幅，其中豬A 227幅，豬B 217幅，豬C 270幅，豬D 235幅；另外每頭豬分別利用100幅圖像進行測試，構建了一個大小為400幅圖像的測試樣本集。A、B、C、D 4頭豬的樣例圖像如圖11所示。

圖11 豬只個體訓練樣本示例圖Fig.11 Sample pictures of individual pig

訓練迭代次數為10 000次，此時訓練結果已收斂，正確率為95%。在測試中發現，得到的分類器對處于側臥狀態看不到背部標記的豬只無法正確識

別其身份，但由于豬只飲水時多為站立且背部朝上字母沒遮擋，所以該分類器可以用于飲水豬只的身份識別。

由于豬背上所打標記會隨著時間褪色，也會因為豬只長大會出現變形，在試驗期間，當所打標簽顯示模糊時，則在原來的痕跡上重新上色。用原模型對32 d后采集的數據進行測試，共測試146幅圖像，正確識別135幅，錯誤11幅，識別正確率為92.47%，仍保持較高的識別正確率。

2.4 豬只個體飲水行為識別試驗

為了驗證本文提出的基于機器視覺的豬只飲水行為識別算法的可行性，本文構建了一個豬只飲水視頻數據集。在32 d試驗周期內，抽取30個長度不等的視頻序列，選取的視頻序列中包含僅高位飲水器有豬只飲水、僅低位飲水器有豬只飲水、高低位飲水器均有豬只飲水、無豬只飲水4種情況。

由于豬只飲水為時間持續行為，有一定的時長規律，本文加入了額外的判斷條件，對于在飲水區域逗留時間小于2 s或者大于3 min的都認為不屬于飲水行為，小于2 s的有可能是豬只從飲水器經過，大于3 min的很有可能是豬躺臥在飲水器旁邊休息，低的飲水器往往會出現此種情形。

在抽取的30個視頻中，人工觀看視頻并記錄飲水行為的發生次數及時長，與本文算法檢測結果做對照。試驗結果如表2所示。

表2 豬只飲水次數試驗結果Tab.2 Result of experiment for pig’s drinking frequency

據統計，人工觀察視頻記錄得到的實際飲水次數為41次，而采用本文算法共檢測出38次飲水，通過人工驗證，正確識別飲水的次數為35次，將非飲水行為識別為飲水行為的次數為3次，實際發生了飲水卻沒檢測到的次數為6次。出現誤判的情況主要是由于豬只有時會在飲水區域玩耍，頭部靠近了飲水器，但是卻沒有實際飲水；漏判的出現則主要因為光線問題導致豬只輪廓獲取不完整，沒有識別出豬只到達飲水區域。

定義豬只飲水識別正確率為本文算法正確識別出的豬只飲水次數與所有被算法認為是飲水的視頻片段數目之比，飲水識別召回率為算法正確識別出的豬只飲水次數與視頻中實際出現的豬只飲水次數之比，由此計算得到豬只飲水識別正確率為92.11%，召回率為85.37%。從試驗結果可以看到，本文提出的算法能識別大部分的豬只飲水行為。

在正確識別的35次飲水中，利用本文提出的豬只身份分類器統計可得各頭豬只的飲水情況，其中豬A實際飲水9次，正確識別6次，豬B實際飲水9次，正確識別9次，豬C實際飲水13次，正確識別11次，豬D實際飲水4次，正確識別3次，正確識別飲水的豬只共29次，能較好地在飲水行為中確定豬只身份。

3 結束語

提出了基于圖像處理技術的豬只飲水行為識別算法，該算法可以應用在背景相對固定的圈養豬欄中。本文算法采用圖像分割的方式實現了豬只檢測，該方法對背景相對固定的養豬場有很高的正確率，能有效幫助在自動化豬只視頻監控過程中對豬只進行檢測，本文提出的算法A正確率達96.22%。通過計算圖像占領指數來確定豬只是否位于飲水區域，該方法可以用于識別豬只的其他與區域相關的行為，如飲水、排泄等。結合深度學習模型GoogLenet來確認是否為豬只頭部接觸飲水器，該方法可以精準識別豬身體的各個部位，為其他與豬身體部位相關的行為判斷提供輔助。在本文構建的視頻數據集上測試得到文中提出的豬只飲水行為識別算法PDR的正確率為92.11%，并能識別出飲水的豬只個體身份，因此PDR方法能準確識別豬只飲水行為，且整個算法實現過程只依賴于豬場監控視頻，對豬舍改造投入少，對豬身無損傷，不影響豬只的正常生活秩序，更容易被養殖場所接受，可方便在我國傳統養豬場中進行部署實施，從大量的監控視頻數據中獲取有用信息輔助養豬管理決策。

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