基于Lucas-Kanade稀疏光流算法的奶牛呼吸行為檢測

宋懷波，吳頔華，陰旭強(qiáng)，姜 波，何東健

基于Lucas-Kanade稀疏光流算法的奶牛呼吸行為檢測

宋懷波，吳頔華，陰旭強(qiáng)，姜 波，何東健

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；3. 陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

奶牛呼吸行為的智能檢測對于奶牛疾病的自動診斷及奶牛精準(zhǔn)養(yǎng)殖具有重要意義。該研究基于Lucas-Kanade稀疏光流算法，提出了一種適合于非結(jié)構(gòu)化養(yǎng)殖環(huán)境的無接觸式單目標(biāo)奶牛呼吸行為檢測方法。通過在HSV顏色空間完成奶牛目標(biāo)的提取，然后通過Canny算子和掩模操作完成奶牛所有花斑邊界的檢測，再利用 Lucas-Kanade稀疏光流算法計(jì)算提取奶牛花斑邊界光流，最后根據(jù)視頻序列幀中花斑邊界平均光流的方向變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)奶牛呼吸行為的檢測。為了驗(yàn)證本研究算法的有效性，利用不同環(huán)境下獲取的105段共計(jì)25 200幀數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試，并與基于整體Lucas-Kanade光流法、整體Horn-Schunck光流法和基于花斑邊界的Horn-Schunck光流法進(jìn)行了對比驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該研究算法的幀處理耗時(shí)在0.10～0.13 s之間，在試驗(yàn)視頻上的平均運(yùn)行時(shí)間為14.14 s。奶牛呼吸行為檢測的準(zhǔn)確率為83.33%～100%之間，平均準(zhǔn)確率為98.58%。平均運(yùn)行時(shí)間較基于整體Lucas-Kanade光流法的呼吸行為檢測方法慢1.60 s，較Horn-Schunck整體光流的呼吸行為檢測方法快7.30 s，較基于花斑邊界的Horn-Schunck光流法快9.16 s。呼吸行為檢測的平均準(zhǔn)確率分別高于3種方法1.91、2.36、1.26個(gè)百分點(diǎn)。研究結(jié)果表明，通過Lucas-Kanade光流法檢測奶牛花斑邊界平均光流方向變化實(shí)現(xiàn)奶牛呼吸行為檢測是可行的，該研究可為奶牛熱應(yīng)激行為的自動監(jiān)測及其他與呼吸相關(guān)疾病的遠(yuǎn)程診斷提供參考。

奶牛；算法；呼吸行為檢測；Lucas-Kanade光流法；花斑邊界

0 引 言

奶牛呼吸行為與其健康狀態(tài)緊密相關(guān)，對奶牛呼吸行為進(jìn)行自動監(jiān)測有助于養(yǎng)殖人員對奶牛生理健康狀態(tài)的評估，便于奶牛疾病的及時(shí)治療[1-6]。奶牛呼吸行為的檢測主要通過人工計(jì)數(shù)完成，人力和時(shí)間成本高，準(zhǔn)確率低。奶牛呼吸行為的自動監(jiān)測對大規(guī)模養(yǎng)殖場實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、降低奶牛淘汰率以及精準(zhǔn)養(yǎng)殖具有重要意義[7]。

呼吸行為監(jiān)測研究可大致分為接觸式和非接觸式方法2種[8-9]。Choi等[10]利用一條圍繞著人體胸部或者腹部的導(dǎo)線作為電感傳感器，通過調(diào)頻方式檢測呼吸周期和頻率，實(shí)現(xiàn)了人體呼吸頻率的準(zhǔn)確檢測。Chakraborty等[11]提出了一種基于電容式壓力傳感器技術(shù)的人體呼吸頻率檢測方法，通過測量呼吸時(shí)電容式壓力傳感器氣體壓力的變化來計(jì)算呼吸頻率。馬俊領(lǐng)等[12]提出了一種基于PPG（photo plethysmo graphy）的呼吸頻率測量方法，通過反射式光電檢測法獲取人體動脈PPG信號并解調(diào)出呼吸頻率，檢測結(jié)果與呼吸監(jiān)護(hù)儀測量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.94。高小強(qiáng)等[13]提出了一種基于霍爾傳感器微陣列的呼吸頻率檢測方法，通過霍爾傳感器陣列對呼吸過程中永磁鐵位置的檢測判斷呼氣和吸氣過程并計(jì)算呼吸頻率，平均準(zhǔn)確率高于95.00%。范霖等[14]提出了一種基于快速響應(yīng)濕度傳感器的呼吸頻率檢測方法，通過固定在鼻翼附近的濕度傳感器檢測鼻孔附近濕度的變化來計(jì)量呼吸頻率，平均準(zhǔn)確率為95.57%，但當(dāng)空氣濕度較大時(shí)檢測靈敏度較低。上述方法利用高精度接觸式傳感器檢測呼吸行為，但對于奶牛目標(biāo)，接觸式傳感器會引起奶牛的應(yīng)激行為，且易受奶牛刮蹭、水分滲入、天氣變化等因素影響，造成元器件損壞，影響檢測裝置的使用壽命。視頻分析技術(shù)成本低、響應(yīng)速度快，同時(shí)可以避免因與奶牛直接接觸所導(dǎo)致的應(yīng)激問題，是奶牛呼吸行為監(jiān)測的重要發(fā)展方向[15]。

針對呼吸行為的非接觸式檢測，Lee等[16]提出了一種利用多普勒微波雷達(dá)檢測人體呼吸的方法。通過多普勒微波雷達(dá)的收發(fā)模塊感受腹部起伏時(shí)接收信號的變化，利用Matlab對接收信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了4種不同類型人體呼吸頻率的檢測。Benetazzo等[17]提出了一種基于深度圖像的呼吸頻率檢測方法，利用Kinect深度相機(jī)獲取胸部區(qū)域深度數(shù)據(jù)平均值作為呼吸信號，經(jīng)傅里葉變換獲得呼吸頻率。紀(jì)濱等[18]通過機(jī)器視覺方法跟蹤豬腹脊線的起伏來獲取呼吸頻率，呼吸識別精度高于85.00%。趙凱旋等[19]采用Horn-Schunck光流法計(jì)算奶牛腹部起伏光流速度方向的周期變化，據(jù)此獲得奶牛的呼吸頻率，呼吸頻率檢測準(zhǔn)確率為95.68%。

上述方法中，微波雷達(dá)和深度相機(jī)在養(yǎng)殖場大面積布置成本較高且奶牛體型較大，腹脊線變化不明顯；Horn-Schunck光流法可以較高精度檢測出奶牛呼吸行為，但其屬于稠密光流，檢測速度和實(shí)時(shí)性欠佳。本研究擬提出一種基于Lucas-Kanade稀疏光流法的單目標(biāo)奶牛呼吸行為檢測方法，通過對奶牛呼吸視頻幀圖像進(jìn)行處理，去除無關(guān)背景并提取出奶牛花斑邊界，再計(jì)算幀圖像中花斑邊界的光流，統(tǒng)計(jì)幀圖像花斑邊界光流方向的變化規(guī)律，以期實(shí)現(xiàn)奶牛呼吸行為的準(zhǔn)確、快速自動檢測，為實(shí)現(xiàn)基于視頻的單目標(biāo)奶牛呼吸行為相關(guān)疾病尤其是熱應(yīng)激行為的自動監(jiān)測和遠(yuǎn)程診斷提供參考。

1 材料與方法

1.1 奶牛呼吸視頻的獲取

試驗(yàn)視頻于2018年9月至11月在陜西省楊凌科元克隆股份有限公司的奶牛養(yǎng)殖場采集，拍攝對象為側(cè)臥泌乳中期的荷斯坦奶牛。在奶牛側(cè)臥期間，將一臺SONY HDR-CX290型攝像機(jī)用三腳架固定在距離奶牛垂直距離約3 m處，調(diào)整攝像機(jī)使得奶牛的身體軀干部分占屏幕的80%～90%。試驗(yàn)采集105段奶牛呼吸視頻，共計(jì)25 200幀，每段視頻時(shí)長為10 s，幀率為24 fps，視頻信息如表1所示。

在目標(biāo)選擇上，105段試驗(yàn)視頻分別采集于3組花斑數(shù)量不同（稀少、較少、較多）的奶牛，以確保算法對不同奶牛目標(biāo)的適應(yīng)性；在天氣上，包含晴天無風(fēng)、晴天微風(fēng)、晴天大風(fēng)、陰天無風(fēng)、陰天微風(fēng)、陰天大風(fēng)等天氣，以驗(yàn)證算法對環(huán)境的魯棒性。由于奶牛體型較大，呼吸特征不明顯，在呼吸行為檢測時(shí)易受奶牛頭部、腿部活動的影響，奶牛呼吸特征檢測難度較大，且干擾因素較多（天氣、風(fēng)力、飛蟲、飛鳥等），導(dǎo)致奶牛呼吸特征獲取困難，且無關(guān)背景存在光照變化，進(jìn)一步增加了奶牛呼吸行為檢測的難度。

本試驗(yàn)視頻處理平臺為裝有Windows 8.1專業(yè)版系統(tǒng)的臺式電腦，配置有Intel E5-1620處理器，處理器主頻為3.50 GHz，32 GB內(nèi)存，算法開發(fā)平臺為Matlab 2018b。

1.2 基于Lucas-Kanade稀疏光流的奶牛呼吸行為檢測

1.2.1 總體技術(shù)路線

本研究中擬采用的技術(shù)路線如圖1所示，首先將載入視頻分解成視頻序列幀并轉(zhuǎn)換至HSV顏色空間，在HSV顏色空間中去除各幀圖像無關(guān)背景，提取出奶牛目標(biāo)并進(jìn)行二值化處理，然后對提取出的奶牛目標(biāo)進(jìn)行邊緣檢測以獲得奶牛花斑邊界，將邊緣檢測結(jié)果作為掩模，在原始灰度圖中提取出奶牛花斑邊界灰度圖，再通過Lucas-Kanade光流法求得每幀奶牛花斑邊界灰度圖的光流，計(jì)算每幀圖像平均光流方向，根據(jù)平均光流方向變化規(guī)律統(tǒng)計(jì)獲得奶牛的呼吸行為數(shù)據(jù)。

表1 奶牛呼吸視頻信息統(tǒng)計(jì)

圖1 奶牛呼吸行為檢測技術(shù)路線圖

1.2.2 基于HSV顏色空間的奶牛目標(biāo)提取

為了避免背景光照變化對奶牛呼吸光流的影響，提高呼吸行為檢測算法對環(huán)境的魯棒性，本研究首先去除無關(guān)背景，提取奶牛目標(biāo)。由于奶牛花斑顏色亮度較高，本研究選擇在HSV顏色空間中的亮度通道完成奶牛目標(biāo)提取與去除無關(guān)背景。HSV顏色空間是面向感知的視覺彩色模型，是RGB顏色空間在倒圓錐體中的表示方法，在計(jì)算機(jī)視覺中應(yīng)用廣泛。參數(shù)表示色度（hue），代表飽和度（saturation），代表亮度（value）。RGB顏色空間到HSV顏色空間的公式如式（1）～（3）所示。

式中、、分別表示圖像中的紅色分量、綠色分量和藍(lán)色分量。

因相鄰2幀圖像的光流變化較小，若按照連續(xù)幀來計(jì)算奶牛呼吸時(shí)花斑邊界的光流圖，會影響算法的實(shí)時(shí)性。由于奶牛嚴(yán)重?zé)釕?yīng)激時(shí)的呼吸頻率上限與以2間隔幀選取視頻幀的采樣頻率滿足香農(nóng)采樣定理，因此可以用離散的2間隔幀表示原視頻序列幀信息[20-21]。為了更好地獲得奶牛呼吸時(shí)花斑邊界光流圖，本研究選取間隔為2幀的序列幀計(jì)算光流。選取第3組中視頻99的序列幀圖像去除無關(guān)背景并提取奶牛目標(biāo)，部分結(jié)果如圖2所示。

圖2 奶牛目標(biāo)提取結(jié)果

其中，圖2a至2c分別為視頻99的第3幀、第5幀和第7幀。首先，將按照2幀間隔讀取的幀圖像轉(zhuǎn)換至HSV顏色空間得到圖2d-2f，然后在HSV顏色空間中選取亮度通道，將分量二值化并擴(kuò)展至正常灰度范圍得到奶牛目標(biāo)提取的掩模如圖2g-2i所示。受到糞污等干擾的影響，在奶牛目標(biāo)提取的掩模中花斑邊界周圍存在較多的細(xì)小噪聲以及細(xì)小連通域，對目標(biāo)提取掩模2g-2i利用3×3的高斯模板進(jìn)行濾波去除細(xì)小噪聲后，再用半徑為5的‘disk’型結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行形態(tài)學(xué)開運(yùn)算去掉較小面積連通域，得到去噪后的目標(biāo)提取掩模，如圖2j-2l所示，利用去噪后的目標(biāo)提取掩模在灰度圖去除無關(guān)背景，提取出奶牛目標(biāo)如圖2m-2o所示。可以發(fā)現(xiàn)，該方法較好地實(shí)現(xiàn)了奶牛目標(biāo)的提取。

1.2.3 奶牛花斑邊界提取

為利用花斑邊界光流方向變化較魯棒地檢測奶牛呼吸行為，首先需提取奶牛所有花斑邊界，其邊緣定位精度關(guān)系到呼吸行為的檢測精度。因Canny算子所提取的圖像邊緣連接程度好且定位準(zhǔn)確性高，因此選用Canny邊緣檢測算子檢測花斑邊界[22]。并以此作為花斑邊界提取掩模，在幀圖像灰度圖中提取出奶牛的花斑邊界如圖3a-3c所示，結(jié)果表明該方法可以較完整提取出奶牛花斑邊界，為利用花斑邊界光流檢測奠定了基礎(chǔ)。

圖3 奶牛花斑邊界提取結(jié)果

1.2.4 基于Lucas-Kanade光流法檢測奶牛呼吸行為

奶牛呼吸時(shí)其腹部花斑會隨呼吸狀態(tài)的改變而規(guī)律性變化，根據(jù)已獲得的奶牛花斑邊界灰度圖，利用光流法建立奶牛呼吸時(shí)花斑邊界運(yùn)動的光流，通過計(jì)算平均光流方向，根據(jù)方向的變化規(guī)律檢測奶牛的呼吸行為。Lucas-Kanade稀疏光流算法處理的像素點(diǎn)較少，耗時(shí)短[23]，該模型需滿足3個(gè)假設(shè)條件：1）亮度恒定，即同一點(diǎn)隨著時(shí)間的變化，其亮度不變。2）小運(yùn)動，即隨著時(shí)間的變化不會引起位置的劇烈變化。3）空間一致，即場景中鄰近點(diǎn)投影到圖像上相鄰位置不變且鄰近點(diǎn)速度一致[24-28]。由條件（1）可知

由條件（3）可知，像素點(diǎn)(,)與鄰域內(nèi)的像素點(diǎn)運(yùn)動相同，為求解像素點(diǎn)(,)的光流信息，可在目標(biāo)像素的鄰域建立約束方程，聯(lián)立并求解光流和，如式（7）所示。

利用式（7）獲得的目標(biāo)像素點(diǎn)的水平方向光流和垂直方向的光流。根據(jù)像素點(diǎn)(,)的2個(gè)方向光流計(jì)算出其光流方向，即目標(biāo)像素點(diǎn)(,)的光流與水平方向的夾角，如式（8）所示。

為了通過視頻序列幀的平均光流方向變化計(jì)算奶牛呼吸次數(shù)，利用式（9）計(jì)算出每一幀圖像平均光流的方向`，`表示平均光流與水平方向的夾角，式中θ為第個(gè)像素鄰域的光流方向。

呼吸行為計(jì)數(shù)方法如式（10），對比前后2幀圖像平均光流方向的變化，若大于90°則認(rèn)為前后2幀平均光流方向不同，即奶牛呼吸狀態(tài)發(fā)生變化，呼吸次數(shù)加1；否則呼吸次數(shù)保持不變。在判斷前后2幀圖像平均光流方向的變化時(shí)，還可采用如下方法：根據(jù)奶牛呼吸時(shí)花斑邊界沿直線運(yùn)動的特點(diǎn)，通過計(jì)算前后2幀圖像平均光流方向余弦值的乘積，根據(jù)乘積的正負(fù)判斷2幀圖像平均光流的方向變化是否大于90°，再根據(jù)公式（10）即可完成呼吸行為的計(jì)數(shù)。

利用上述思路實(shí)現(xiàn)光流檢測的結(jié)果如圖4所示。其中圖4a-4c分別為第3組第99段視頻第3幀、第5幀和第7幀花斑邊界運(yùn)動光流檢測結(jié)果，均可得到較完整的花斑邊界光流且光流方向清晰。可以看出，這3幀花斑邊界平均光流方向?yàn)樽?右-左的規(guī)律運(yùn)動，對應(yīng)奶牛呼吸狀態(tài)的3次變換，其中第3幀、5幀是一次完整的呼吸，第7幀代表另一次呼吸時(shí)的吸氣狀態(tài)。若采用第2種方法來判斷平均光流方向變化，第3組的第99段視頻中奶牛花斑邊界平均光流方向檢測結(jié)果如圖4d所示，顯然，平均光流方向變化有清晰的波峰和谷底，呼吸狀態(tài)變化清晰可分。可見，利用本方法進(jìn)行奶牛呼吸行為檢測具有較好效果。

2 評價(jià)指標(biāo)

為了驗(yàn)證上述本文所研究的呼吸行為檢測算法的快速性和準(zhǔn)確性，本研究采用運(yùn)行時(shí)間和準(zhǔn)確率指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。

算法運(yùn)行時(shí)間用來驗(yàn)證本研究算法快速性、實(shí)時(shí)性。分別在本研究中的呼吸行為檢測算法起點(diǎn)和終點(diǎn)設(shè)置初始計(jì)時(shí)點(diǎn)1和終止計(jì)時(shí)點(diǎn)2，計(jì)時(shí)終止點(diǎn)和初始點(diǎn)的時(shí)間間隔即算法運(yùn)行時(shí)間。

呼吸行為檢測準(zhǔn)確率用以驗(yàn)證本研究算法是否準(zhǔn)確。通過人工計(jì)數(shù)獲得各試驗(yàn)視頻中奶牛實(shí)際呼吸次數(shù)1，采用本研究算法檢測出的呼吸次數(shù)2，將2與1的比值定義為本研究算法檢測的準(zhǔn)確率，如式（11）所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用本研究算法對側(cè)臥休息、花斑數(shù)量和干擾因素不同的105段試驗(yàn)視頻進(jìn)行呼吸行為檢測的結(jié)果如圖5所示，其中圖5a、5b、5c分別表示3組奶牛試驗(yàn)視頻呼吸行為檢測結(jié)果；圖5d表示本研究算法在105段試驗(yàn)視頻中完成呼吸行為檢測的的運(yùn)行時(shí)間。

結(jié)合圖5和表1可知，105段視頻中，62段晴天視頻的呼吸行為檢測平均準(zhǔn)確率為98.31%，43段陰天視頻的呼吸行為檢測平均準(zhǔn)確率為98.95%，表明本研究算法對天氣的抗干擾性較好。由于試驗(yàn)?zāi)膛Ｌ幱诜墙Y(jié)構(gòu)化環(huán)境中，所以必須考慮風(fēng)力對試驗(yàn)結(jié)果的影響。由表1可知，在無風(fēng)、微風(fēng)、大風(fēng)環(huán)境下拍攝的試驗(yàn)視頻數(shù)目分別為41、34和30段，結(jié)合圖5a-5c可知，3種環(huán)境下呼吸行為檢測平均準(zhǔn)確率分別為99.17%、98.45%和97.88%，表明本研究算法對風(fēng)力變化具有較強(qiáng)的魯棒性。在第1組的35段試驗(yàn)視頻中18段視頻的呼吸行為檢測準(zhǔn)確率達(dá)100%，另有16段視頻準(zhǔn)確率不低于95%，第1組試驗(yàn)視頻的呼吸行為檢測平均準(zhǔn)確率為98.14%；第2組試驗(yàn)視頻中有30段的呼吸行為檢測準(zhǔn)確率達(dá)100%，另有3段檢測準(zhǔn)確率不低于96%，平均準(zhǔn)確率為99.31%；第3組的25段視頻呼吸行為檢測準(zhǔn)確率達(dá)100%，另有7段視頻的呼吸行為檢測準(zhǔn)確率不低于96%，第3組呼吸行為檢測平均準(zhǔn)確率為98.25%。結(jié)果表明，本算法對不同花斑數(shù)量的奶牛呼吸行為檢測均具有較高的準(zhǔn)確率。105段試驗(yàn)視頻的呼吸行為檢測平均準(zhǔn)確率為98.58%，呼吸行為檢測的平均準(zhǔn)確率分別高于3種方法1.91、2.36、1.26個(gè)百分點(diǎn)。本研究算法的幀處理耗時(shí)在0.10～0.13 s之間，在試驗(yàn)視頻上算法的最大運(yùn)行時(shí)間為15.13 s，最小運(yùn)行時(shí)間為12.55 s，平均運(yùn)行時(shí)間為14.14 s。

圖5 呼吸行為檢測結(jié)果

4 與經(jīng)典算法的對比分析

Lucas-Kanade稀疏光流算法與Horn-Schunck光流法是運(yùn)動目標(biāo)檢測的經(jīng)典光流方法，但后者屬于稠密光流，主要是在灰度守恒和光流平滑的約束條件下，通過計(jì)算圖像所有像素點(diǎn)的光流實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的檢測[29-33]。為了驗(yàn)證本研究算法通過Lucas-Kanade稀疏光流算法檢測并計(jì)算奶牛花斑邊界平均光流方向來檢測奶牛呼吸行為的有效性和快速性，本研究選擇采用整體Lucas-Kanade光流法（方法1）、整體Horn-Schunck光流法（方法2）、基于花斑邊界的Horn-Schunck光流法（方法3）與本研究算法進(jìn)行對比驗(yàn)證。

應(yīng)用上述4種方法進(jìn)行奶牛呼吸行為檢測的結(jié)果如圖6所示。其中，圖6a展示了4種方法針對奶牛呼吸行為檢測的精度，其中整體指的是利用整幅幀圖像；圖6b展示了4種方法的運(yùn)行時(shí)間。本研究對4種方法的呼吸行為檢測的準(zhǔn)確率、運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，方法1、方法2和方法3的平均準(zhǔn)確率分別為96.67%，96.22%和97.32%；對于運(yùn)行時(shí)間，在105段試驗(yàn)視頻中，本研究算法在每段試驗(yàn)視頻上的平均運(yùn)行時(shí)間為14.14 s，方法1、方法2和方法3在每段試驗(yàn)視頻上的平均運(yùn)行時(shí)間分別為12.54、21.44和23.30 s。奶牛呼吸行為的準(zhǔn)確檢測是實(shí)現(xiàn)奶牛熱應(yīng)激及其他與呼吸相關(guān)疾病非接觸式檢測的關(guān)鍵。為了盡可能準(zhǔn)確地檢測奶牛呼吸行為，本文研究算法雖然比方法1的平均運(yùn)行時(shí)間長1.60 s，但本文研究算法的檢測精度明顯高于方法1，檢測精度提升的時(shí)間代價(jià)較小；方法1相比于方法3，檢測精度低0.65個(gè)百分點(diǎn)，但方法3運(yùn)行時(shí)間比方法1長10.76 s，時(shí)間代價(jià)大。結(jié)合表1和圖6a可知，方法2和方法3在檢測目標(biāo)受到遮擋且遮擋物運(yùn)動劇烈時(shí)，檢測誤差較大，且二者基于稠密光流，計(jì)算量較大、耗時(shí)較長，奶牛呼吸行為檢測效果略差[34-35]。對比結(jié)果表明本研究算法更適合于奶牛呼吸行為的快速、準(zhǔn)確檢測。

近年來，中國音樂產(chǎn)業(yè)十分活躍，整體呈上升狀態(tài)。不僅出現(xiàn)各類音樂活動類型，而且大量互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也開始攜手合作逐漸成為中國音樂產(chǎn)業(yè)的主角，如天天動聽與蝦米音樂組成阿里音樂、酷我和酷我音樂合并、網(wǎng)易云音樂與QQ音樂達(dá)成轉(zhuǎn)授合作等。中國音樂產(chǎn)業(yè)迎來屬于自己真正的春天。

a. 不同方法的檢測準(zhǔn)確率

a. Detection accuracy of different methods

b. 不同方法的運(yùn)行時(shí)間

b. Runtime of different methods

注：方法1為整體Lucas-Kanade光流法；方法2為整體Horn-Schunck光流法；方法3為基于花斑邊界的Horn-Schunck光流法。

Note: Method 1 is the overall Lucas-Kanade optical flow method; Method 2 is the overall Horn-Schunck optical flow method; Method 3 is the Horn-Schunck optical flow method based on speckle boundary.

圖6 奶牛呼吸行為檢測結(jié)果

Fig.6 Detection result of cow respiratory behavior

5 討 論

由于奶牛養(yǎng)殖環(huán)境復(fù)雜多變，且作為一個(gè)生命體，奶牛多會產(chǎn)生翻身、尾巴劇烈搖擺、腿部運(yùn)動等干擾因素，為了更加準(zhǔn)確的驗(yàn)證本研究算法的魯棒性，本研究對可影響奶牛呼吸行為準(zhǔn)確檢測的諸多因素進(jìn)行了分析，以闡明本研究方法的有效性。

1）劇烈運(yùn)動對呼吸行為檢測結(jié)果的影響分析

圖7a、7d是在存在劇烈運(yùn)動干擾情況下未能準(zhǔn)確檢測出奶牛呼吸行為的示例，對應(yīng)于第3組的視頻82和視頻83。圖7a中成功檢測出奶牛翻身和尾巴劇烈搖動前的16次呼吸以及翻身前身體開始前后移動時(shí)的3次呼吸，但未能檢測出奶牛開始翻身且尾巴劇烈搖動時(shí)的5次呼吸，檢測準(zhǔn)確率僅為83.33%，圖7d僅檢測到25次呼吸，準(zhǔn)確率為83.87%。

在視頻82中，奶牛呼吸行為檢測準(zhǔn)確率偏低的主要原因是奶牛尾巴劇烈晃動遮擋奶牛花斑邊界，導(dǎo)致花斑邊界缺失，使得用來檢測呼吸頻率的花斑邊界光流數(shù)量減少；且奶牛翻身時(shí)由于身體在花斑運(yùn)動方向和垂直方向都存在劇烈的運(yùn)動，花斑邊界在翻身時(shí)會產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾光流；此外，奶牛翻身時(shí)腿部活動劇烈且其顏色與花斑接近，容易被檢測成為花斑邊界，由此引入干擾光流，對原奶牛呼吸時(shí)花斑邊界的光流產(chǎn)生較大干擾，造成呼吸行為檢測準(zhǔn)確率較大下降。

如圖7a中，點(diǎn)后奶牛翻身的干擾光流較大，掩蓋了花斑邊界呼吸光流的變化，以致無法檢測出呼吸次數(shù)，而點(diǎn)是奶牛翻身前身體緩慢活動產(chǎn)生的干擾光流，尚未完全掩蓋花斑邊界呼吸光流，仍可用于呼吸行為檢測。圖7b、7c分別表示視頻82奶牛翻身時(shí)的幀圖像和光流檢測結(jié)果，圖7b中的框中是劇烈搖動的尾巴。

與視頻82不同的是，視頻83的干擾主要分布在視頻的開頭和結(jié)尾（33幀前，96幀后），視頻79準(zhǔn)確率低的原因和視頻82類似，主要是奶牛腿部劇烈運(yùn)動、奶牛花斑邊界受到尾巴遮擋，導(dǎo)致干擾光流增大，用于呼吸檢測的有效光流減少，從而導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確率較低。

在105個(gè)試驗(yàn)視頻中，除第3組的視頻82外，有81個(gè)視頻存在運(yùn)動干擾，呼吸行為檢測的平均準(zhǔn)確率為98.27%，高于視頻82的83.33%，這是因?yàn)檫\(yùn)動干擾并不劇烈、不是全局的，產(chǎn)生的干擾光流較小，并不影響利用花斑邊界光流變化檢測呼吸行為。

綜上所述，即使在劇烈運(yùn)動條件下，當(dāng)奶牛腹部花斑區(qū)域干擾光流小于奶牛呼吸時(shí)花斑邊界光流的情況下，最終檢測準(zhǔn)確率受到的影響較小，證明本研究算法具有較好的魯棒性。

2）遮擋干擾對檢測結(jié)果的影響

圖8a是第1組中視頻18在大面積遮擋情況下未能完全檢測出奶牛呼吸行為的結(jié)果，圖8a中成功檢測奶牛呼吸次數(shù)21次，實(shí)際呼吸次數(shù)為22次。主要原因是奶牛頭部遮住了腹部部分花斑，導(dǎo)致花斑邊界減少，用于呼吸行為檢測的有效邊界光流隨之減少；且該奶牛頭部和頸部都存在花斑，奶牛頭部有短暫較大幅度晃動，使得頭部和頸部的花斑隨之而動，產(chǎn)生干擾光流；此外，由于光照的原因，奶牛的耳標(biāo)、奶牛的腿部均與花斑的顏色非常接近，在視頻中被誤檢測為花斑邊界，進(jìn)一步增大了無關(guān)光流的干擾，對用來進(jìn)行呼吸行為檢測的花斑邊界光流產(chǎn)生影響。如圖8a中，在點(diǎn)奶牛頭部出現(xiàn)短暫大幅晃動，干擾光流削弱了有效花斑邊界光流的方向變化，以致無法檢測呼吸次數(shù)。點(diǎn)之前奶牛頭部只存在輕微晃動，呼吸次數(shù)均可成功檢測。

圖7 呼吸行為檢測錯(cuò)誤結(jié)果

在本研究的105個(gè)試驗(yàn)視頻中，包含16個(gè)遮擋的視頻，除第1組的視頻17及18外，剩下的14段視頻無論天氣是晴或陰，風(fēng)力是無風(fēng)，微風(fēng)或大風(fēng)，均可完全正確檢測出奶牛的呼吸次數(shù)。在14個(gè)試驗(yàn)視頻中，雖然奶牛身體或花斑被部分遮擋，但仍有部分花斑未被遮擋，且奶牛無劇烈的運(yùn)動，無其他較大的干擾光流，充分說明，無論奶牛是大面積或小面積遮擋，在部分花斑未被遮擋且干擾光流小于用于檢測呼吸行為的花斑邊界光流，本算法即可較準(zhǔn)確地完成呼吸行為的檢測。

圖8 第1組18呼吸行為錯(cuò)誤檢測結(jié)果

3）奶牛花斑數(shù)量對檢測結(jié)果的影響

本研究采用3組花斑數(shù)量不同（稀少、較少、較多）的奶牛的105個(gè)試驗(yàn)視頻，每組的35個(gè)試驗(yàn)視頻均包含晴天、陰天、無風(fēng)、微風(fēng)、大風(fēng)等天氣、風(fēng)速。利用本研究算法，經(jīng)過105個(gè)試驗(yàn)，得到3組奶牛呼吸行為檢測的平均準(zhǔn)確率為98.14%、99.31%、 98.25%，其方差為0.000 042。結(jié)果表明，奶牛花斑數(shù)量變化對呼吸行為檢測準(zhǔn)確率影響較小，根據(jù)圖7a，結(jié)合表1分析可知，只要奶牛不出現(xiàn)劇烈的運(yùn)動干擾，本算法均可以較高精度檢測出奶牛呼吸行為。

6 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)奶牛呼吸行為的智能檢測，本研究提出了一種基于Lucas-Kanade稀疏光流的單目標(biāo)奶牛呼吸行為檢測方法，主要結(jié)論如下：

1）該方法可以精確地檢測出單目標(biāo)奶牛的呼吸行為。同時(shí)該方法抗干擾性較好，在非劇烈擾動的情況下，輕微的運(yùn)動或者花斑邊界的非完全遮擋不會對最終的呼吸行為檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。表明將基于Lucas-Kanade光流法的奶牛花斑邊界運(yùn)動檢測方法應(yīng)用于奶牛呼吸行為檢測是可行的。

2）該方法能準(zhǔn)確、快速地檢測出單目標(biāo)奶牛呼吸行為。最高呼吸行為檢測準(zhǔn)確率為100.00%，最低呼吸行為檢測準(zhǔn)確率為83.33%，平均呼吸行為檢測準(zhǔn)確率為98.58%，算法的幀處理時(shí)間在0.10～0.13 s之間，平均運(yùn)行時(shí)間為14.14 s。可為后續(xù)利用視頻進(jìn)行奶牛熱應(yīng)激自動監(jiān)測及其他與呼吸行為相關(guān)疾病的遠(yuǎn)程診斷提供參考。

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中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員：宋懷波(E041201025S)

Respiratory behavior detection of cow based on Lucas-Kanade sparse optical flow algorithm

Song Huaibo, Wu Dihua, Yin Xuqiang, Jiang Bo, He Dongjian

(1.,,712100,; 2.,,712100,; 3.,,712100,)

Intelligent detection of respiratory behavior of dairy cows was of great significance for automatic diagnosis of diseases and promotion of precise breeding of dairy cows. Based on the characteristics of repeated abdominal movements when the dairy cows breathe and Lucas-Kanade sparse optical flow algorithm, a non-contact detection method for respiratory behavior of single-target dairy cow in unstructured aquaculture environment was proposed. First, test videos were decomposed into sequence frames and video sequence frames were converted from RGB color space to HSV color space. Thein the HSV color space represented the luminance component. The brightness of the boundary of cow's speckle varied greatly and was easy to detect. In this study, thecomponent was extracted from HSV color space and extended to the normal gray scale. The mask extracted by the target cow was obtained by the Otsu algorithm binarization processing. According to the characteristics of the noise, a disk type structural element with a radius of 5 pixels was selected and the small noise and the connected area caused by feces around the dairy cow’s speckle in the mask were removed by opening operation. After denoising, the mask for target extraction was used to remove the irrelevant background, and then Canny edge detection operator was used to extract the target cow. Target dairy cows were detected by edge detection to get the mask of the speckle boundary. The gray image of the cow's speckle boundary was extracted from the gray image of the frame image using the mask. Then the fine noise was removed by Gaussian filtering and the merging flow direction of the cow's speckle boundary was calculated and extracted by using Lucas-Kanade sparse optical flow algorithm model. Finally, the detection of cow's respiratory behavior was obtained according to the variation rule of the average direction of the speckle edge measurement and the mathematical model of the respiratory behavior test proposed in this study. In order to verify the effectiveness of the proposed algorithm, a total of 25 200 frames of 105 experimental videos captured in different environments and interference factors were tested, and compared with sparse Lucas-Kanade optical flow method based on full video frame, Horn-Schunck optical flow method based on full video frame and speckle boundary optical flow method. The algorithm was evaluated by algorithm running timeand respiratory behavior detection accuracy. The experimental results showed that the frame image processing time of this algorithm was between 0.10 and 0.13 seconds, the maximum running time of the algorithm was 15.13 s and the minimum running time was 12.55 s and the average running time of this algorithm on 105 test videos was 14.14 seconds. The detection accuracy of respiratory behavior of dairy cows ranged from 83.33% to 100%, with an average accuracy of 98.58%. The average running time of this algorithm was 1.60 seconds slower than detecting the entire frame image with the Lucas-Kanade optical flow method, 7.30 seconds faster than detecting the optical flow of entire frame image by using the Horn-Schunck optical flow method and 9.16 seconds faster than detecting the optical flow of cow speckle borders by Horn-Schunck optical flow method. The average accuracy of respiratory behavior detection was 1.91, 2.36 and 1.26 percent point, respectively. The results showed that the Lucas-Kanade optical flow method was feasible to detect the changes of the border photorheology of dairy cow speckle for detecting the respiratory behavior of dairy cows. This study could provide reference for automatic monitoring of thermal stress behavior of dairy cows based on video surveillance and remote diagnosis of other diseases related to respiratory behavior.

cow; algorithms; respiratory behavior detection; Lucas-Kanade optical flow algorithm; speckle boundary

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.026

TP391.4

A

1002-6819(2019)-17-0215-10

2019-02-25

2019-08-28

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFD0701603)；陜西省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈(群)-農(nóng)業(yè)領(lǐng)域項(xiàng)目資助(No.2019ZDLNY02-05)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（No.2452019027）

宋懷波，博士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理。Email：songyangfeifei@163.com。

宋懷波，吳頔華，陰旭強(qiáng)，姜 波，何東健. 基于Lucas-Kanade稀疏光流算法的奶牛呼吸行為檢測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(17)：215－224. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.026 http://www.tcsae.org

Song Huaibo, Wu Dihua, Yin Xuqiang, Jiang Bo, He Dongjian. Respiratory behavior detection of cow based on Lucas-Kanade sparse optical flow algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 215－224. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.026 http://www.tcsae.org