鱼类视觉与温度响应研究装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种鱼类视觉与温度响应研究装置及方法。养鱼箱置于与养鱼箱外形一致的显示组合面内，养鱼箱的正上方垂直朝下设置左右两个摄像机和一个可调光源。在显示器上营造视频刺激图像并进行亮度控制，利用电阻丝加热和冷水降温控制温度。药物储存控制器控制加药。装置由包括系统控制微处理器、显示器控制电路、加温控制电路、致冷控制电路、加药控制电路、亮度控制电路的控制电路板控制。照度传感器、防水温度传感器传输数据，数据采集与分析服务器连接两个摄像机和控制电路板。在程序控制下，对建立在养鱼箱三维坐标系下的鱼三维图像坐标数据进行采集、分析研究。本发明对鱼类行为进行更有广度和深度的研究，对生命科学研究有重大意义。
【专利说明】鱼类视觉与温度响应研究装置及方法
一、所属领域
[0001]本发明涉及动物生命科学领域，属动物行为研究范畴，具体是鱼类在生命科学领域研究中广泛用于肿瘤、心血管疾病、眼科疾病、神经系统等各种生理、药理以及其他疾病以及治疗机理研究。鱼类行为的观察装置对于鱼类的研究至关重要，研究装置更趋于多样化。
二、【背景技术】
[0002]鱼类在生命科学领域研究中广泛用于肿瘤、心血管疾病、眼科疾病、神经系统等各种生理、药理以及其他疾病以及治疗机理研究。鱼类视觉与温度响应研究对人类有重大意义。中国专利201120049737.4《斑马鱼行为诱发装置》公布了一种斑马鱼的眼动反应和视动反应行为学数据分析系统。中国专利201210064120.9《海洋牧场鱼类声音行为控制器》公布了一种在海洋牧场对鱼类声音行为控制系统。中国专利201120237172.2《一种宠物鱼游泳行为的诱发装置》公布了一种宠物鱼游泳行为诱发装置。中国专利201210100988.X《一种适合研究小型鱼类趋光行为学的装置》公布了一种小型鱼类驱光行为学的研究装置。以上发明都只涉及了鱼类的某种单一行为的研究，研究的局限性较大，都没有记录鱼类的三维行为以及对环境的响应，特别是视觉与温度的响应。
三、
【发明内容】
[0003]本发明的目的是对鱼类行为进行更有广度和深度的研究，特别是鱼类视觉行为和对温度反应的响应。使用本发明，可以研究鱼类对不同环境视觉刺激的行为与反应、可以研究鱼类对不同环境温度刺激行为的反应，可以研究鱼类对环境温度与环境视觉的组合反应，为鱼类神经研究提供研究设备。
[0004]本发明的目的是这样`达到的:鱼类视觉与温度响应研究装置包括养鱼箱、数据采集与分析服务器、控制电路板、显示组合面、摄像机、可调光源、照度传感器、温度传感器以及电阻丝。养鱼箱是顶面敞开，其他面为透明、密封、不透水的矩形，养鱼箱置于外形一致的显示组合面内，显示组合面由四周和底面5个显示器组成，显示屏正面对养鱼箱的相关部位。
[0005]养鱼箱上边内边缘装置一圈冷水管和一圈加药管，冷水管和加药管朝下均匀开一些小孔，冷水管和加药管分别与冷水储存控制器、药物储存控制器连接，冷水储存控制器和药物储存控制器安装在养鱼箱外侧上方。
[0006]在养鱼箱上边边缘安装一个照度传感器，在养鱼箱的四条垂直边每边的相同位置安装两个防水温度传感器，其中四个位于比水面稍低的位置，其余四个位于养鱼箱靠近底面位置。在养鱼箱的水底，围绕底面一圈设置经防水处理的电阻丝，电阻丝的长和宽与养鱼箱内侧的长和宽一致。
[0007]在养鱼箱的正上方设置左右两个摄像机，两个摄像机垂直朝下，位于养鱼箱左右方向的中轴面上方、在养鱼箱正中央的垂线两边对称分布；在左右两个摄像机的中间设置可调光源。
[0008]控制电路板设置在养鱼箱的外侧，与电阻丝、温度传感器、冷水储存控制器、药物储存控制器、可调光源、照度传感器，显示组合面的各显示器连接。数据采集与分析服务器上的数据线分别连接两个摄像机和控制电路板。
[0009]所述控制电路板由系统控制微处理器、显示器控制电路、加温控制电路、致冷控制电路、加药控制电路、亮度控制电路构成；显示器控制电路与显示器相连接，加温控制电路与电阻丝连接，致冷控制电路与冷水储存控制器连接，加药控制电路与药物储存控制器连接，亮度控制电路与可调光源连接，分别对显示器、电阻丝、冷水储存控制器、药物储存控制器和可调光源进行控制；同时接收8个温度传感器和I个照度传感器的数据。
[0010]所述显示组合面由5个显示器组成，分别位于养鱼箱的两侧、前边、后边、底面，分别称为前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器。右边显示器、左边显示器的长和宽略大于养鱼箱外侧的宽和高，前边显示器、后边显示器的长和宽略大于养鱼箱外侧的长和高，底面显示器的长和宽略大于养鱼箱的长和宽；每个显示器都有相应的显示控制电路。
[0011 ] 所述加温控制电路为继电器控制电路；继电器控制电路一端连接到系统控制微处理器，另一端连接到电阻丝。
[0012]所述亮度电路控制是:可调光源是多个发光二极管，在每个发光二极管上串联数控电位器，通过控制数控电位器电阻值或发光管发光的数量来调节发光二极管的亮度。
[0013]所述显示器控制电路由显示控制微处理器和显示输出控制电路组成；显示控制微处理为ARM控制电路，显示器输出控制电路与显示器连接。
[0014]所述致冷控制电路是对冷水储存控制器中的储液罐内储存的冰水流入养鱼箱的控制，所述加药控制电路是对`药物储存控制器中储液罐内储存的液体药物流入养鱼箱的控制。
[0015]所述冷水储存控制器含储液罐、输液泵和液体输出泵，在输液泵的前端连接液体输入管，后端连接储液罐，在液体输出泵的前端设有液体输出管入口，后端连接液体输出管。
[0016]所述药物储存控制器含储液罐、输液泵和液体输出泵，在输液泵的前端连接液体输入管，后端连接储液罐，在液体输出泵的前端设有液体输出管入口，后端连接液体输出管。在冷水储存控制器的储液罐中储存冰水，在药物储存控制器的储液罐中储存药物。
[0017]在进行鱼类研究时，将鱼置于鱼类视觉与温度响应研究装置的养鱼箱中，设置显示出组合面工作的前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器的显示视频内容，营造出一种环境图像和对鱼类视觉刺激图像；设置亮度、温度、加药量；以养鱼箱水面正中央为坐标原点，建立三维笛卡尔坐标系；调整好养鱼箱正上方设置的两个摄像机，使摄像机垂直朝下、摄像机感光平面与养鱼箱水面平行；数据采集与分析服务器按照设定的程序，由系统控制微处理器设置控制电路板按照设定的亮度、温度、加药量进行相应的亮度、温度、加药控制；摄像机拍摄在设定环境中的图像数据，数据采集与分析服务器采集摄像机的视频数据；根据视频数据计算并存储鱼所在位置的三维成像坐标，进行鱼对环境视觉与温度的响应行为的相关研究。
[0018]所述设置前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器的显示视频内容包括如下方面:
[0019]A、前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器显示一种环境图像，并选用某种刺激图形以各种方式在各显示器上运动；
[0020]B、环境图像的变化；
[0021]C、设置各种宽度和颜色的条纹，设计条纹的变换以及移动；
[0022]D、在各种背景环境图形下设置鱼类的食物或天敌的各种行为视频的显示。
[0023]所述以养鱼箱水面正中央为坐标原点，建立三维笛卡尔坐标系的具体过程是:
[0024]以养鱼箱水面正中央为坐标原点0(0，0，0);养鱼箱的正中间的垂线为Z轴，向上为正方向；养鱼箱的左右方向为X轴，向右方向为正方向；养鱼箱前后方向为Y轴，向前方向为正方向；
[0025]设左边摄像机和右边摄像机的镜头焦距为f，感光传感器像素尺寸为nnXnn,左边摄像机和右边摄像机的横向像素总数为M，纵向像素总数为N ；
[0026]所述摄像机拍摄照片的成像坐标为:以照片的像素为坐标单位，左上角为(0，O)坐标，往下的像素依次排序为Y坐标，往右的像素依次排序为X坐标。
[0027]所述计算鱼在所拍照片上的成像坐标是按照如下进行:计算鱼在所拍照片上的成像坐标是分别对左边摄像 机和右边摄像机照片进行如下运算:
[0028]I)根据已知的5个显示屏的设定环境显示内容滤除5个显示器的环境图像，将过滤环境图像后的图片转换为灰度格式，
[0029]2)实验测试出一个高于鱼的亮度，小于没有鱼的水域亮度的二值化门限值，
[0030]3)用二值化门限值对图片进行二值化计算，小于二值化门限为1，大于二值化门限为0，
[0031]4)采用3X3的结构点对图像进行开、闭运算，
[0032]5)采用3X3的结构点对图像进行多次腐蚀运算，直到图像中没有取I的像素，
[0033]6)选择最后一张有I的像素的图片，以照片的像素为坐标单位，左上角为(0，O)坐标，往下的像素依次排序为Y坐标，往右的像素依次排序为X坐标，计算所有取I的像素的Y坐标和X坐标的平均值，将右边摄像机Y坐标和X坐标的平均值记为Ry、Rx，Ry为右边摄像机所计算得到的鱼的Y坐标，Rx为右边摄像机所计算得到的鱼的X坐标；将左边摄像机Y坐标和X坐标的平均值记为Ly，Lx, Ly为左边摄像机所计算得到的鱼的Y坐标，Lx为左边摄像机所计算得到的鱼的X坐标。
[0034]摄像机垂直朝下、摄像机感光平面与养鱼箱水面平行、以Z轴为对称轴对称安装在XOZ平面上，左边摄像机的镜头位于L点，设其镜头中心坐标为:(-C，0，h)，过L做一条与平面XOY垂直的线，交X轴于A点；右边摄像机的镜头位于R点，设其镜头中心坐标为:(C，0，h)，过R做一条与平面XOY垂直的线，交X轴于B点；c为摄像机镜头中心在平面XOY的投影到坐标原点的距离，h为摄像机镜头距水面的高度。
[0035]根据视频数据计算并存储鱼所在位置的三维成像坐标是按照如下步骤进行的:
[0036]A、根据鱼在右边摄像机拍摄照片上的成像坐标确定鱼的位置在水中的直线:
[0037]令DX= (Rx-M/2) XnnXh/f,DY= (Ry-N/2) XnnXh/f ;点(DX+c，DY，O)为鱼所在直线与Z=O平面的交点，记为点N，令点N和直线RB决定的平面为RBN ;在平面RBN上过N点平行于直线RB做一条直线，令其为直线NK，过N点与直线NR负方向做一条直线NC，使得直线NC与直线NK负方向的角度为
【权利要求】
1.一种鱼类视觉与温度响应研究装置，其特征在于:研究装置包括养鱼箱13、数据采集与分析服务器(I)、控制电路板(2)、显示组合面(12)、摄像机、可调光源(11)、照度传感器(7)、温度传感器以及电阻丝(3);养鱼箱是顶面敞开，其他面为透明、密封、不透水的矩形，养鱼箱(13)置于外形一致的显示组合面(12)内，显示组合面由四周和底面5个显示器组成，显示屏正面对养鱼箱的相关部位； 养鱼箱上边内边缘装置一圈冷水管(4)和一圈加药管(5)，冷水管和加药管朝下均匀开一些小孔，冷水管(4)和加药管(5 )分别与冷水储存控制器(9 )、药物储存控制器(10 )连接，冷水储存控制器(9)和药物储存控制器(10)安装在养鱼箱外侧上方； 在养鱼箱上边边缘安装一个照度传感器(7)，在养鱼箱的四条垂直边每边的相同位置安装两个防水温度传感器(6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7、6-8)，其中四个位于比水面稍低的位置，其余四个位于养鱼箱靠近底面位置；在养鱼箱的水底，围绕底面一圈设置经防水处理的电阻丝(3)，电阻丝的长和宽与养鱼箱内侧的长和宽一致； 在养鱼箱的正上方设置左右两个摄像机(8-1、8-2)，两个摄像机垂直朝下，位于养鱼箱左右方向的中轴面上方、在养鱼箱正中央的垂线两边对称分布；在左右两个摄像机的中间设置可调光源(11)； 控制电路板(2)设置在养鱼箱的外侧，与电阻丝(3)、温度传感器(6)、冷水储存控制器(9)、药物储存控制器(10)、可调光源(11)、照度传感器(7)、显示组合面的各显示器连接；数据采集与分析服务器(I)上的数据线分别连接两个摄像机和控制电路板。
2.如权利要求1所述的鱼类视觉与温度响应研究装置，其特征在于:所述控制电路板由系统控制微处理器、显示器控制电路、加温控制电路、致冷控制电路、加药控制电路、亮度控制电路构成；显示器控制电路与显示器相连接，加温控制电路与电阻丝(3)连接，致冷控制电路与冷水储存控制器(9)连接，加药控制电路与药物储存控制器(10)连接，亮度控制电路与可调光源(11)连接，分别对显`示器、电阻丝、冷水储存控制器、药物储存控制器和可调光源进行控制；同时接收8个温度传感器和I个照度传感器的数据。
3.如权利要求2所述的鱼类视觉与温度响应研究装置，其特征在于:所述显示组合面由5个显示器组成，分别位于养鱼箱的两侧、前边、后边、底面，分别称为前边显示器、后边显不器、右边显不器、左边显不器、底面显不器；右边显不器、左边显不器的长和宽略大于养鱼箱外侧的宽和高，前边显示器、后边显示器的长和宽略大于养鱼箱外侧的长和高，底面显示器的长和宽略大于养鱼箱的长和宽；每个显示器都有相应的显示控制电路。
4.如权利要求2所述的鱼类视觉与温度响应研究装置，其特征在于:所述加温控制电路为继电器控制电路；继电器控制电路一端连接到系统控制微处理器，另一端连接到电阻丝； 所述亮度控制电路是:可调光源是多个发光二极管，在每个发光二极管上串联数控电位器，通过控制数控电位器电阻值或发光管发光的数量来调节发光二极管的亮度； 所述显示器控制电路由显示控制微处理器和显示输出控制电路组成；显示控制微处理为ARM控制电路，显示器输出控制电路与显示器连接； 所述致冷控制电路是对冷水储存控制器中的储液罐内储存的冰水流入养鱼箱的控制，所述加药控制电路是对药物储存控制器中储液罐内储存的液体药物流入养鱼箱的控制。
5.如权利要求4所述的鱼类视觉与温度响应研究装置，其特征在于:所述冷水储存控制器含储液罐(23)、输液泵(24)和液体输出泵(21)，在输液泵(24)的前端连接液体输入管(19)，后端连接储液罐(23)，在液体输出泵(21)的前端设有液体输出管入口，后端连接液体输出管(22)； 所述药物储存控制器含储液罐(23 )、输液泵(24 )和液体输出泵(21)，在输液泵(24 )的前端连接液体输入管(19 )，后端连接储液罐(23 )，在液体输出泵(21)的前端设有液体输出管入口，后端连接液体输出管(22)； 在冷水储存控制器的储液罐中储存冰水，在药物储存控制器的储液罐中储存药物。
6.一种鱼类视觉与温度响应研究方法，其特征在于:将鱼置于鱼类视觉与温度响应研究装置的养鱼箱中，设置显示组合面工作的前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器的显示视频内容，营造出一种环境图像和对鱼类视觉刺激图像；设置亮度、温度、加药量；以养鱼箱水面正中央为坐标原点，建立三维笛卡尔坐标系；调整好养鱼箱正上方设置的两个摄像机，使摄像机垂直朝下、摄像机感光平面与养鱼箱水面平行；数据采集与分析服务器按照设定的程序，由系统控制微处理器设置控制电路板按照设定的亮度、温度、加药量进行相应的亮度、温度、加药控制；摄像机拍摄在设定环境中的图像数据，数据采集与分析服务器采集摄像机的视频数据；根据视频数据计算并存储鱼所在位置的三维成像坐标，进行鱼对环境视觉与温度的响应行为的相关研究。
7.如权利要求6所述的鱼类视觉与温度响应研究方法，其特征在于:所述设置前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器的显示视频内容包括如下方面: A、前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器显示一种环境图像，并选用某种刺激图形以各种方式在各显示器上运动， B、环境图像的变化， C、设置各种宽度和颜色的条纹，设计`条纹的变换以及移动， D、在各种背景环境图形下设置鱼类的食物或天敌的各种行为视频的显示； 所述以养鱼箱水面正中央为坐标原点，建立三维笛卡尔坐标系的具体过程是:以养鱼箱水面正中央为坐标原点0(0，0，0);养鱼箱的正中间的垂线为Z轴，向上为正方向；养鱼箱的左右方向为X轴，向右方向为正方向；养鱼箱前后方向为Y轴，向前方向为正方向； 设左边摄像机和右边摄像机的镜头焦距为f，感光传感器像素尺寸为nnXnn，左边摄像机和右边摄像机的横向像素总数为M，纵向像素总数为N ； 所述摄像机拍摄照片的成像坐标为:以照片的像素为坐标单位，左上角为(O，O)坐标，往下的像素依次排序为Y坐标，往右的像素依次排序为X坐标； 所述计算鱼在所拍照片上的成像坐标是按照如下进行:计算鱼在所拍照片上的成像坐标是分别对左边摄像机和右边摄像机照片进行如下运算: 1)根据已知的5个显示屏的设定环境显示内容滤除5个显示器的环境图像，将过滤环境图像后的图片转换为灰度格式， 2)实验测试出一个高于鱼的亮度，小于没有鱼的水域亮度的二值化门限值，3)用二值化门限值对图片进行二值化计算，小于二值化门限为1，大于二值化门限为O, 4)采用3X3的结构点对图像进行开、闭运算， 5)采用3X3的结构点对图像进行多次腐蚀运算，直到图像中没有取I的像素，6)选择最后一张有I的像素的图片，以照片的像素为坐标单位，左上角为(O，O)坐标，往下的像素依次排序为Y坐标，往右的像素依次排序为X坐标，计算所有取I的像素的Y坐标和X坐标的平均值，将右边摄像机Y坐标和X坐标的平均值记为Ry、Rx，Ry为右边摄像机所计算得到的鱼的Y坐标，Rx为右边摄像机所计算得到的鱼的X坐标；将左边摄像机Y坐标和X坐标的平均值记为Ly、Lx, Ly为左边摄像机所计算得到的鱼的Y坐标，Lx为左边摄像机所计算得到的鱼的X坐标； 摄像机垂直朝下、摄像机感光平面与养鱼箱水面平行、以Z轴为对称轴对称安装在XOZ平面上，左边摄像机的镜头位于L点，设其镜头中心坐标为:(-c，0，h)，过L做一条与平面XOY垂直的线，交X轴于A点；右边摄像机的镜头位于R点，设其镜头中心坐标为:(c，0，h)，过R做一条与平面XOY垂直的线，交X轴于B点；c为摄像机镜头中心在平面XOY的投影到坐标原点的距离，h为摄像机镜头距水面的高度； 根据视频数据计算并存储鱼所在位置的三维成像坐标是按照如下步骤进行的: A、根据鱼在右边摄像机拍摄照片上的成像坐标确定鱼的位置在水中的直线: 令 DX= (Rx-M/2) XnnXh/f，DY= (Ry-N/2) XnnXh/f ;点(DX+c，DY，0)为鱼所在直线与Z=O平面的交点，记为点N，令点N和直线RB决定的平面为RBN ;在平面RBN上过N点平行于直线RB做一条直线，令其为直线NK，过N点与直线NR负方向做一条直线NC，使得直线NC与直线NK负方向的角度为
8.如权利要求6所述的鱼类视觉与温度响应研究方法，其特征在于:所述数据采集与分析服务器按照设定的程序，由微处理器控制电路板按照设定的亮度、温度、加药量进行相应的亮度、温度、加药控制的程序控制分为数据采集与分析服务器控制程序和系统控制微处理器控制程序； 数据采集与分析服务器控制程序是: 开始，第一步，设置亮度，设置温度，设置加药量，设置前边显示器、后边显示器、右边显示器、左边显示器、底面显示器的显示视频内容；第二步，根据加药量计算加药时间；第三步将数据传给系统控制微处理器；第四步，接收系统控制微处理器环境已经调整好信号；第五步，采集并存储视频信号；第六步，根据视频数据计算并存储鱼所在位置的三维坐标；第七步，进行鱼的行为分析，结束。 系统控制微处理器控制流程是: 开始，第一步，设置水温的上限和下限、照度的上限和下限、药物量、显示器内容；第二步，根据药物量计算加药时间；第三步，控制药物储存控制器加适量的药物；第四步，根据显示器内容控制5个显示器控制电路的显示内容；第五步，读取照度传感器照度数据；第六步，判断照度大于上限？是，减少可调光源的发光管发光个数或增加与发光二极管串联的数控电位器的电阻值，返回第五步；否，第七步，判断照度小于下限？是，增加可调光源发光管发光个数或降低与发光二极管串联的数控电位器的电阻值，返回第五步；否，第八步，读取8个温度传感器温度数据；第九步，查找温度传感器感应的最高温度数据Tmax，查找温度传感器感应的最低温度数据Tmix ;第十步,判断Tmax-Tmix>l度,是,等待I分钟，返回第八步；否，第十一步，判断Tmax>水温上限？是，控制冷水储存控制器加冰水，返回第八步；否，第十二步，判断Tmin〈水温下限？是，控制电阻丝加热，返回第八步；否，第十三步，采集左边摄像机和右边摄像机的图像；第十四步，根据右边摄像机图像计算直线NC方程；第十五步，根据左边摄像机的图像计算平面LAM的方程；第十六步，根据直线NC、平面LAM计算鱼的坐标(Sz，Sy, `Sz);第十七步，根据鱼长时间的坐标记录进行鱼的行为分析，结束。
【文档编号】G05B19/042GK103766257SQ201410030766
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月22日 优先权日:2014年1月22日
【发明者】莫思特, 李佳阳, 杨森, 李碧雄 申请人:四川大学