[发明专利]一种提取蚯蚓活动轨迹坐标序列的方法

摘要

本发明公开了一种提取蚯蚓活动轨迹坐标序列的方法，利用计算机视觉实现自动记录蚯蚓的活动轨迹坐标，并利用这些坐标计算出评估土壤质量的指标：最大挖掘深度、挖掘轨迹长度、躯体占用空间率等。该主要步骤包括搭建平台，获取蚯蚓活动的图像数据；对器皿进行三维建模，将蚯蚓置于空间坐标系中，并将模型与透视变换方法结合，对图像进行几何校正，最后通过图像处理获得代表蚯蚓的特征点坐标，对坐标进行三维匹配并计算土壤评估指标。通过本方法解决了实验室中手工绘制和记录蚯蚓活动轨迹效率低、准确性不高的问题。

主权项

1.一种提取蚯蚓活动轨迹坐标序列的方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：步骤1：利用摄像机对蚯蚓活动进行记录，获取图像数据首先搭建平台：配置透明胶体溶液，用来模拟土壤；将透明溶液盛放在透明器皿中；放置蚯蚓于器皿中并将器皿固定在整洁干净的工作台上；在器皿的正前方、正右方和正上方架设三台摄像机，分辨率在720P‑1080P之间，能够近景拍摄，摄像机距离器皿20cm，架设好之后，精确调整各路视频采集时间，同时拍摄三路视频，拍摄24‑36小时后，获得三组高清视频数据；计算每一组视频的平均帧率，平均帧率＝总帧数/总时长，使用平均帧率将视频转化成一帧帧的连续变化的图像，获得三组数量相同的图像数据；步骤2：对器皿进行三维空间建模，对图像进行几何校正测量出器皿的长度、宽度和高度，分别记为l(cm)、w(cm)和h(cm)；让l、w和h都乘10，得到L、W和H，将器皿划分成若干个小格子，格子大小为1mm*1mm*1mm，以器皿背面左下角的顶点作为原点，相交于该顶点的三条棱即长、宽、高分别作为x轴、y轴和z轴，建立坐标系，以1mm作为单位长度，将器皿构造成一个带有物理单位的三维网格矩阵，实现了三维空间建模，当蚯蚓在器皿中活动时，蚯蚓躯体所占据的每一个网格都有其三维坐标(x，y，z)，将蚯蚓用一系列三维坐标序列表示，利用该坐标序列进行蚯蚓特征点的计算；对三维空间模型进行三次平行投影，投影方向分别与三个视频拍摄方向一致，获得三视图：正视图、右视图和俯视图；然后，采用透视变换的方法，让三组图像投影转换到对应方向上的视图，实现几何校正；以正前方对应的图像数据为例，具体步骤如下：a)定义坐标：设原始图像坐标为[u，v]，视图坐标为[x，y]；b)获取四组同名点坐标：在正前方对应的图像数据中找到任意一张图像，利用画图工具找到图中器皿的四个角点坐标，分别为[u1，v1]，[u2，v2]，[u3，v3]，[u4，v4]；在正视图中，找到四个顶点的坐标[x1，y1]，[x2，y2]，[x3，y3]，[x4，y4]；[u1，v1][x1，y1]，[u2，v2][x2，y2]，[u3，v3][x3，y3]和[u4，v4][x4，y4]为此方向上的四组同名点坐标；c)计算透视变换矩阵：公式(1)被称作透视变换公式，是一种三维空间上的变换，[u，v，1]是变换前的坐标，[x′，y′，w′]是变换后的坐标，需要将变换后的坐标转为二维平面上的视图坐标[x，y]，方法是透视变换的本质是一种投影映射，涉及到线性变换、平移和透视，公式(1)中的被称作透视变换矩阵，其中a₁₁和a₂₁是用于X方向上线性变换的参数，a₁₂和a₂₂是用于Y方向上线性变换的参数，a₃₁和a₃₂是分别用于X方向和Y方向平移的参数，a₁₃和a₂₃是用于透视的参数，a₃₃恒等于1；在求出透视变换矩阵后，将原始图像坐标[u，v]带入透视变换公式，得到变换后的坐标[x′，y′，w′]，再将其转换成视图坐标[x，y]，求矩阵的步骤为：[1]将公式(1)写成公式(2)的形式[2]因为所以有[3]将[u1，v1][x1，y1]，[u2，v2][x2，y2]，[u3，v3][x3，y3]和[u4，v4][x4，y4]这四组同名点坐标带入公式(3)，构造八个关于a₁₁、a₂₁、a₁₂、a₂₂、a₃₁、a₃₂、a₁₃、a₂₃和a₃₃的方程式，解方程式求出这九个参数，得到正前方向对应的透视变换矩阵；[4]按照以上步骤，分别计算出正右方向和正上方向对应的透视变换矩阵；d)几何校正：在解得各个方向上的透视变换矩阵后，将原始图像中每个像素点坐标[u，v]带入对应的透视变换公式，即可求得投影后该像素点在对应视图中的坐标[x，y]，图像中所有像素点都完成透视变换后，实现图像的几何校正；步骤3：对视频图像进行处理，提取代表蚯蚓的特征点坐标a)图像处理：首先对图像进行灰度化，将彩色图像转化成清晰的灰度图像，然后选取阈值对灰度图进行二值化转换，变成黑白图，蚯蚓为黑色，其他区域为白色，最后进行数学形态学处理，去除二值图中的噪声；b)提取躯体轮廓：利用边缘检测获取蚯蚓躯体的轮廓，然后将除轮廓外的所有区域变成白色，接着利用循环语句通过判断网格像素是否为黑色将蚯蚓轮廓的像素点坐标序列提取出来；c)获取代表蚯蚓的特征点坐标：在获得轮廓像素点坐标序列之后，将序列中位于中位数上的像素点作为代表蚯蚓的特征点，即获得了每个时间节点上三个方向的二维特征点坐标；步骤4：对特征点进行三维空间坐标匹配并计算土壤评估指标采用均值法将同一时间下的三组二维坐标(x₁，y₁)(x₂，z₁)(y₂，z₂)匹配成为该时刻下唯一的三维坐标，作为最终三维空间模型中唯一的特征点(x，y，z)；均值法即：在获得所有时间下的三维特征点坐标后，计算以下评估指标：i)活动轨迹图：在三维空间模型中，将所有时间节点下的三维特征点连接起来，即可获得蚯蚓活动轨迹。ii)最大挖掘深度：对所有特征点的Z方向坐标值进行从小到大排序，其中最大的Z值记为最大的挖掘深度；iii)移动轨迹长度：计算所有相邻两个坐标点的欧式距离，然后将所有距离加和记为移动轨迹的长度；iv)躯体占用空间率：统计各个网格被特征点占用的次数，记为M_t，所有特征点个数记为N，躯体占用空间率为M_t/N*100％，根据占用空间率对网格进行分级设色，占用空间率高的颜色越深，反之越浅；其中：最大挖掘深度和移动轨迹长度用于描述蚯蚓活性；躯体占用空间率用于描述蚯蚓的活动范围以及空间偏好，以此反映土壤质量的优劣。