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刘刚教授团队:基于深度图像的多姿态肉牛体尺自动测量方法(《智慧农业(中英文)》2022年第4期)

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叶文帅, 康熙, 贺志将, 李孟飞, 刘刚. 基于深度图像的多姿态肉牛体尺自动测量方法[J]. 智慧农业(中英文), 2022, 4(4): 144-155.

YE Wenshuai, KANG Xi, HE Zhijiang, LI Mengfei, LIU Gang. Automatic measurement of multi-posture beef cattle body size based on depth image[J]. Smart Agriculture, 2022, 4(4): 144-155. 

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基于深度图像的多姿态肉牛体尺自动测量方法

叶文帅1,2, 康熙2,3, 贺志将1,2, 李孟飞1,2, 刘刚1,2*

(1.中国农业大学智慧农业系统集成研究教育部重点实验室,北京 100083;2.中国农业大学农业农村部农业信息获取技术重点实验室,北京 100083;3.浙大宁波理工学院 计算机与数据工程学院,浙江宁波 315000)

摘要: 养殖场中肉牛较为活跃,采集得到的图像数据中肉牛姿态多变,肉牛姿态端正帧较少,导致自动测量肉牛体尺困难。针对以上问题,本研究通过分析肉牛骨架特征和肉牛图像边缘轮廓特征,提出一种多姿态肉牛体尺自动测量方法。首先,利用深度相机Azure Kinect DK从正上方采集肉牛俯视深度视频数据,对视频数据进行分帧处理;其次,对原始深度图像进行预处理,将肉牛从复杂的背景中提取出来;再次,利用Zhang-Suen算法提取目标图像肉牛骨架,检测骨架交点和端点,分析肉牛头部特征,并确定头部去除点,去除图像中肉牛头部信息;最后,利用改进的U弦长曲率算法提取肉牛轮廓曲率曲线,根据曲率值确定体尺测点,将体尺测点转换到三维空间中,计算体尺参数。本研究通过分析大量深度图像数据,将图像中肉牛姿态分为左歪、右歪、姿态端正、低头和抬头五类。试验结果表明,本研究提出的基于骨架的多姿态肉牛头部去除方法在5种姿态下的头部去除成功率均高于92%;在23头肉牛不同姿态共46帧深度图像中,利用基于改进U弦长曲率的体尺测点提取方法,测得体直长测量的平均绝对误差为2.73 cm,体高测量的平均绝对误差为2.07 cm,腹宽测量的平均绝对误差为1.47 cm。研究结果可为精确测量多姿态下肉牛体尺提供支撑。

关键词: 肉牛体尺测量;深度图像;多姿态;Zhang-Suen算法;改进的U弦长曲率算法

文章图片

图1 肉牛数据采集装置

Fig. 1  Data acquisition device of beef cattle

图2 相机矫正前后肉牛数据采集效果

Fig. 2  Data collection effect of beef cattle before and after depth camera correction

图 3 肉牛深度图像预处理结果

Fig.3  Deep image preprocessing results of beef cattle

图4 利用Zhang-Suen算法获取肉牛主骨架

Fig. 4  Getting the main skeleton of beef cattle by using Zhang-Suen algorithm

图5 凸包分析方法获取肉牛图像上下轮廓边缘

Fig. 5  Getting the upper and lower contour edges by convex hull analysis method

图6 欧氏距离确定肉牛头部去除点

Fig. 6  Determining the head removal point by Euclidean distance

图7 多姿态下肉牛头部去除图像效果

Fig. 7  Head removal effect of beef cattle in multiple poses

图8 Pi点U弦长曲率的支持邻域

Fig. 8  Support neighborhood of U chord curvature at point Pi

图9 肉牛图像毛刺点类型

Fig. 9  Burr point types of beef cattle image

图10 划分5×5的卷积核正负区域

Fig. 10  Divide the positive and negative areas of the convolution kernel of 5×5

图11 肉牛体尺计算示意图

Fig. 11  Schematic diagram of beef cattle body size calculation

图12 肉牛姿态不端正度评价θ角度计算方法

Fig. 12  Evaluation method of beef cattle posture

skew degree θ 

图 13 在不同低头幅度Hu和姿态歪斜程度θ下肉牛头部去除结果

Fig.13  Head removal results of beef cattle under different head-down posture Hu and posture skew degree θ

图14 U弦长曲率算法改进前后计算得到肉牛轮廓曲率曲线

Fig. 14  Curvature curve of beef cattle contour calculated by U-chord length curvature algorithm before and after improvement


通信作者简介




刘刚 教授

刘刚,中国农业大学,信息与电气工程学院,教授,博士生导师,农业农村部农业信息获取技术重点实验室主任,智慧农业系统集成研究教育部重点实验室副主任,2006年入选教育部新世纪人才支持计划,北京农业工程学会农业信息化分会主任委员。近年来主持国家自然基金4项,国家重点研发计划、863计划、北京市重点课题多项,发表学术论文百余篇,其中SCI/EI收录论文80余篇,授权发明专利30余项。曾获得国家科技进步二等奖1项,北京市科技进步奖、中华农业科技奖、农业节水科技奖等省部级多项。

来源:《智慧农业(中英文)》2022年第4期

转载请联系编辑部授权


本期支持单位

潍柴雷沃智慧农业科技股份有限公司



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