基于計算機視覺的母豬運動規律分析

劉怡然，馬亞州，張 勇，張宏嬌

(山西農業大學 信息科學與工程學院，山西 太谷 030801)

0 引言

中國是世界上第一大豬肉生產國和消費國，豬肉是人們日常飲食中首選肉類膳食，其市場供應量和產品質量與人民的健康生活密切相關，生豬養殖在我國畜牧業中占據著舉足輕重的地位。母豬的生產管理是生豬養殖環節中重要一環，其健康不僅關系到自身繁殖率和生產力，還關系到仔豬的出生和健康。然而，母豬能否正常繁殖的前提在于母豬發情是否正常，因此，在一定的時間范圍內正確地鑒別與判斷母豬發情狀態是提高母豬生產率的技術關鍵。

在我國規模化、集約化生豬養殖場中，一般都采用限位欄飼養模式，對母豬的健康及發情狀態信息的監控與采集主要依靠飼養員的連續觀察，人力負擔繁重，主觀性強且精度較低。近年來，研究人員將關注點放到了母豬的行為及健康狀態上，大部分是針對母豬運動、分娩、母性行為等角度展開，監測方法也由人力朝電子測量、視頻監測和聲音監測等方向發展[1]。

本團隊借助機器視覺的技術原理，分析養殖場的視頻監控文件，自動識別動物行為，并統計表現各種行為的次數，利用數字圖像處理技術對豬姿態、輪廓數據加以計算，輔以運動的行為參數，判定豬形體姿態和行為趨勢。應用計算機視覺技術對牲畜進行監測，具有非接觸性的優勢，不易造成牲畜應激反應，檢測結果更為客觀，且減少了人力勞動成本，因此，在養殖場內部利用計算機視覺技術代替人工來監測牲畜行為是未來養殖業的發展趨勢。

1 材料及實驗方法

1.1 視頻采集

本試驗所用的視頻數據來自于2020年7月山西太原五豐養殖種植育種有限公司養殖場采集，分析豬場實際環境狀況與攝像的頭安裝位置與角度對母豬目標檢測有較好的效果，并布置實地視頻采集系統[2]，由于環境復雜，為了方便安裝，選用了TP-LINK1080P的云臺無線監控攝像頭，型號為TP-IPC42A，采用的物理網絡連接使用了路由器和無線設備，網絡訪問鏈路的建立采用端口映射以及路由器轉發。

1.2 實驗方法

首先，將豬身從背景中分離出來，選定適用于固定攝像頭的背景減去法作為試驗的運動目標檢測方法[3]。其次，建立運動模型，對分幀后的圖片做閾值分割和數學形態學處理。再次，將數學思想中的差分概念運用到母豬運動規律變化分析中，通過判斷相鄰兩秒內位移差的乘值是否小于零，來表示母豬在這一秒內是否是持續加速或者是持續減速。

1.3 數據預處理

為給后續獲取特征做準備，在運動目標檢測的基礎上對圖像進行一系列預處理操作，從而得到更為理想的前景。圖像預處理一般的操作通常包含像素亮度變換、圖像分割[4]、降噪以及數學形態學運算等處理方法。本試驗中對豬只圖像的預處理操作流程如圖1所示。

圖1 豬只圖像預處理流程

上述步驟中的關鍵是采用最大類間方差法(OTSU)對所有采集的視頻數據進行閾值處理，核心是找最優閾值、最大化方差結果。最佳測度基于直接由直方圖得到最優閾值，從而區分出圖像的前景和背景。OTSU閾值操作后，對效果圖進一步進行去除孤立噪聲點和濾波操作，以得到較好的前景效果。

對30幀每秒的連續俯視視頻數據進行一系列處理，測試視頻數據圖像預處理結果如圖2所示，可看出，圖像預處理后提取到了較理想的前景目標[5]。

圖2 預處理效果

1.4 豬只質心坐標計算

由于豬只具有形體特征以及非剛性特征，采用橢圓擬合[6]較合適。通過擬合得到豬只運動的中心點坐標，再經過數學計算公式得到運動特征參數，從而建立運動模型，流程如圖3所示。

圖3 俯視角度提取運動量

橢圓形狀對豬的非剛性特性不敏感，所以，選用橢圓對豬只進行輪廓擬合，為進一步提取豬只運動量做準備。對于發情母豬的邊緣檢測，采用了多級邊緣檢測canny算子，先計算出待擬合橢圓的邊界坐標，獲得輪廓點集向量信息，并得到最小外接矩形，最后將橢圓繪制出來。測試視頻針對發情豬橢圓擬合效果如圖4所示。

圖4 發情母豬橢圓擬合

1.5 運動模型建立

在運動目標檢測以及圖像分割的基礎上提取豬只的位移、速度以及加速度等運動參量，并在此基礎上分析位移等趨勢改變次數。實驗數據選取幀速率30幀每秒的不同10段連續13 s的視頻。

因在本試驗中每30幀也就是1s采集一次位移數據，所以，位移表示豬只在1 s時間內的位置變化，速度表示豬跑得快慢，加速度則描述了豬舍中豬只速度發生變化的量與發生這一變化所用時間的比。俯視角度豬只運動量位移提取如式(1)，速度及加速度計算公式分別如式(2—3)所示。

(1)

(2)

(3)

為將運動規律進行更加準確的判斷和表述，本文根據相鄰兩秒內位移差的乘值是否小于零[7]，來判斷母豬在這一秒內是否是持續加速或持續減速。當差乘值持續為負值時，表示母豬運動處于持續減速狀態，否則相反。

2 實驗結果及分析

2.1 運動參數曲線擬合結果及分析

本團隊計算得出10段視頻曲線擬合圖，如圖5—10所示。為了圖例表示更加清晰，將視頻分為兩組，其中，1—5段視頻為第一組，6—10段視頻為第二組。

圖5 第一組豬只位移隨時間變化圖像曲線

圖6 第二組豬只位移隨時間變化圖像曲線

圖7 第一組豬只速度隨時間變化圖像曲線

圖8 第二組豬只速度隨時間變化圖像曲線

圖9 第一組豬只加速度隨時間變化圖像曲線

圖10 第二組豬只加速度隨時間變化圖像曲線

從兩組位移曲線擬合圖曲線變化直觀來看，視頻1，5，7，10的曲線波動較大，視頻5最大值約為600，視頻7最大值約為6 800，視頻2，3，4較為平緩，最小值約為10。

從兩組加速度曲線擬合圖來看，視頻1，3，4豬只在13 s的數據采集中，豬只每秒都在發生位移及運動速度的變化，視頻2，5，7，8曲線平緩趨于直線，單位時間內變化非常小，豬只速度平穩。視頻6，9，10在1～6 s的時間段內加速度變化較為明顯，后段時間加速度趨于平緩。速度的曲線擬合同位移相似，視頻1，5，7，10單位時間內的速度變化最大，視頻2，3，4較為平緩。

2.2 運動特征分析

發情母豬活躍狀態下位移會出現明顯的最高單峰值，除此以外的位移均保持在較低范圍內[8]。通過將一定范圍內的位移數據近似看作靜止狀態，以便得到近似靜止狀態占據整個運動時長的比例，將得到的比例作為研究發情期母豬運動規律的最終運動參量特征。統計10段活躍狀態視頻中的位移最大值、位移累計量、位移變化趨勢改變次數、加速度正負變化次數，結果如表1所示。

10組試驗數據近似靜止時長分別為11 s，13 s，13 s，10 s，4 s，3 s，7 s，11 s，13 s，7 s，分別占總運動時長的比例分別為84.6%，100%，100%，76.9%，30.7%，23.1%，53.8%，84.6%，100%，53.8%。當相對靜止時長占運動總時長的80%以下時，判斷發情豬只處于活躍運動狀態。實驗的10段視頻中，視頻4，5，6，7，10中的發情豬只處于活躍狀態，其余豬只處于老實狀態。母豬發情一般會持續3～7天[9]，發情母豬一天中睡臥時間依然很長，且發情運動情況還會因為生產次數、圈舍中豬只數量、周圍有無人員干擾等情況的不同而不同。

表1 發情母豬活動狀態運動特征

3 結語

本文研究母豬發情狀態運動規律，采用背景減去法進行運動目標檢測得到較為理想的母豬前景圖，利用所得結果進行橢圓擬合，得到中心點坐標，提取運動參量特征，計算得出母豬的位移、速度、加速度的擬合圖。運用差分方法進行運動特征分析，將母豬運動情況分類。就活躍和較為老實這兩種狀態而言，活躍狀態下，發情期母豬運動變化無明顯規律性，在13 s的時間內，靜止不動狀態持續的時間較短。較為老實的母豬會表現出具有一定規律的運動狀態，曲線平緩且波動有規律，會在一定范圍內波動，不會出現明顯的大峰值。