专利名称：一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境检测与水体污染控制技术领域，特别涉及一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统。
背景技术：
我国在一些江河、湖泊重点流域和敏感水域已建立起水质检测网络和预警机制。但目前这些系统主要是依靠常规化学分析技术进行水质检验和分析。化学分析易标准化，能够准确检测出目标污染物的含量，但耗时长，检测费用高，较难实现在线连续检测；生物检测技术虽然可以实现在线检测，但目前利用生物检测技术的预警监测系统都是通过检测反应器中微生物的呼吸状态即耗氧量与水体中有机物及浊度来检测水质突发变化，存在的问题是监测系统成本高，且只能检控其中某些化学物质引起的水质变化。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统。本发明采用如下技术方案一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，包括监控容器、图像采集�？�、图像数据预处理�？�、背景提取和目标检测�？�、控制�？楹虶SM远程预警�？椋凰黾嗫厝萜鳎糜诘既氪觳獾脑陀忝纾凰鐾枷癫杉？榘ㄉ阆裢罚糜诹纳阌忝缭谠械男形⒔枷袷菔淙氲酵枷袷菰ご砟？椋凰鐾枷袷菰ご砟？椋糜诙酝枷袷莸幕叶茸患叭ピ肷瞬ù恚凰霰尘疤崛『湍勘昙觳饽？椋糜诙栽ご砗蟮耐枷窠斜尘疤崛〖澳勘昙觳猓玫接忝绲脑硕辏凰鲈硕倌？椋糜诟萦忝绲脑硕甑玫接忝绲脑硕旒＃凰隹刂颇？椋糜诟萦忝绲脑硕旒５玫接忝绲脑硕问鲈硕问ㄓ忝缱苁�、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，并将这些运动参数与正常值进行比较得到各个参数的提高幅度，如果鱼苗的至少一个运动参数的提高幅度超过报警阈值时，则向GSM远程预警�？榉⑺托藕牛凰鯣SM远程预警�？椋糜谟没瓒ūň兄导敖邮赵ぞ畔⒌闹付ǘ韵螅珿SM远程预警�？榻邮招藕藕笃舳⒔ぞ畔⒎⑺椭林付ǘ韵�。所述图像数据预处理�？椴捎弥狈酵季夥ń腥ピ肷瞬ù�。所述运动跟踪模块采用基于EKF和均值漂移的运动目标跟踪方法具体为，利用扩展卡尔曼滤波器在目标中心位置预测目标可能出现的位置，再利用Mean shift搜索得到运动轨迹。所述背景提取和目标检测�？橹斜尘疤崛∈遣捎昧〔罘炙惴ǎ勘昙觳馐窃诒尘疤崛〉幕∩希勉兄捣指罾捶指畋尘昂陀忝纾倮猛队胺ǖ玫接忝绲脑硕�。所述鱼苗为斑马鱼。所述指定对象包括计算机的IP地址和用户的手机号码。本发明的有益效果采用了更高效、先进的算法，可以在视频目标被部分遮挡或目标旋转的情况下的进行实时跟踪，同时可以解决运动速度过快的问题，具有较强的鲁棒性和实时性，可以实现在线连续监测。
图I是本发明的系统流程图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图I所示，一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，包括监控容器、图像采集�？椤⑼枷袷菰ご砟？�、背景提取和目标检测模块、控制�？楹虶SM远程预警�？椋凰黾嗫厝萜鳎糜诘既氪觳獾脑陀忝纾凰鐾枷癫杉？榘ㄉ阆裢罚糜诹纳阌忝缭谠械男形⒔枷袷菔淙氲酵枷袷菰ご砟？椋凰鐾枷袷菰ご砟？椋糜谕枷竦幕叶茸患叭ピ肷瞬ù恚凰霰尘疤崛『湍勘昙觳饽？椋糜诙栽ご砗蟮耐枷窠斜尘疤崛〖澳勘昙觳猓玫接忝绲脑硕辏凰鲈硕倌？椋糜诟萦忝绲脑硕甑玫接忝绲脑硕旒＃凰隹刂颇？�,用于根据鱼苗的运动轨迹得到鱼苗的运动参数,所述运动参数包括鱼总数、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，并将运动参数与正常值进行比较得到提高幅度，如果鱼苗的至少一个运动参数的提高幅度超过报警阈值时，则向GSM远程预警�？榉⑺托藕牛凰鯣SM远程预警�？椋糜谟没瓒ūň兄导敖邮赵ぞ畔⒌闹付ǘ韵螅珿SM远程预警�？榻邮招藕藕笃舳⒔ぞ畔⒎⑺椭林付ǘ韵�。所述图像数据预处理�？椴捎弥狈酵季夥ń腥ピ肷瞬ù恚弥狈酵季夥椒ㄓ行У叵肷纳仆枷裰柿浚雇枷袂逦院笮砉ぷ髂勘晔侗鸬恼沸蕴峁┮欢ǖ谋Ｖ�。所述运动跟踪�？椴捎没贓KF和均值漂移的运动目标跟踪方法具体为，利用扩展卡尔曼滤波器在目标中心位置预测目标可能出现的位置，再利用Meanshift搜索得到运动轨迹，同传统方法相比大大节省搜索的时间，提高了跟踪的速度；在连续的(k-Ι)帧中，鱼苗中心的位置信息形成它的运动轨迹。将这些中心位置信息作为卡尔曼滤波器的观测值，首先用卡尔曼滤波器预测第k帧目标的位置，作为Meanshif算法中目标的起始位置，Meanshif在这个位置的领域内搜索目标的最优位置；再以这个目标位置作为卡尔曼滤波器的观测值，进行下一帧的运算。所述卡尔曼滤波器包括两个模型其中信号模型为X (k) =M(k-1) X (k-1) +N(k) W(k)，观测模型为Y (k) =C (k) X (k) +V (k)，在上面两式中X(k)和Y(k)是表示运动物体的状态向量和观测向量，M(k)、N(k)和c(k)为状态转移矩阵、输入矩阵和观测矩阵，W(k)和V(k)是信号噪声和观测噪声。扩展卡尔曼与Mean shift结合的具体步骤如下(I)、通过手动确定运动目标在起始图像帧中的运动区域，扩展卡尔曼滤波器的初始状态向量和初始观测向量为(xm，0 &，0)，其中111=1，起始速度为零。 (2)、通过扩展卡尔曼滤波器来预测第m=l帧图像上运动目标的中心坐标(xkm+1 ；
k \y m+1/ °(3)、以(2)中扩展卡尔曼滤波器预测出的目标位置为(Xklrt ；ykm+i)中心在第m+1中设置一个略微大于上一帧的目标实际大小的搜索窗口，求出该搜索窗口内的投影图，在使用Mean shift算法找到运动目标的质心位置坐标(xmm+1 ;ymm+1)，以此坐标坐为目标的真实的位置。(4)、将(3)步中目标的真实位置坐标送入扩展卡尔曼滤波器的观测模型中，对此时状态滤波值校正。(5)、m=m+l，重复上述内容即完成简单目标的连续跟踪。所述背景提取是采用连续帧差分算法，目标检测是在背景提取的基础上，利用阈值分割来分割背景和鱼苗，再利用投影法得到鱼苗的坐标。本发明的背景提取主要利用了连续帧差分算法，即对两帧连续图像做帧间差分，并设置一个阈值T以判断该像素点是否存在变化。
isTimeix^,^)+! \F{x,y,tn)-F(x,y,tn)\<T/ , . I
sTime(x,y,tn)= io\F{x,y,tn)-F{x,y,tn)\>T其中，F(x, y, tn)为差分图像在时间序列上的函数，sTme (x, y, tn)表示像素点(X，y)在t时刻没有产生连续变化的累积次数。当某像素点没有产生连续变化的累计次数达到一定阈值时即认定该像素点为背景点，反之即为运动点。将运动点分别将其投影到X、Y坐标，投影之后，取在Χ、Υ坐标的像素最大点对应的值为鱼苗的坐标。本发明的工作过程本系统启动前，将待检测的原水和斑马鱼苗导入监测容器内，用户设定指定对象及报警阈值。系统启动后，摄像头实时采集监测容器内斑马鱼苗的行为图像，进行图像数据预处理，提取背景和目标监测得到斑马鱼苗的运动坐标，最后通过运动跟踪得到斑马鱼的运行轨迹，并记录相应数据，通过运算得到鱼苗总数、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，把这些参数与鱼苗在正常健康情况下的参数进行对比得到各个参数的提高幅度，通过提高幅度判断水质情况，当至少一个参数的提高幅度超过设定报警阈值时，进行报警，将报警信息发送到手机或计算机，本发明可以采用手机和计算机2种方式进行监控。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，包括监控容器、图像采集�？�、图像数据预处理�？椤⒈尘疤崛『湍勘昙觳饽？�、控制�？楹虶SM远程预警�？椋� 所述监控容器，用于导入待检测的原水和鱼苗； 所述图像采集�？榘ㄉ阆裢罚糜诹纳阌忝缭谠械男形⒔枷袷菔淙氲酵枷袷菰ご砟？椋� 所述图像数据预处理模块，用于对图像的灰度转换及去噪声滤波处理； 所述背景提取和目标检测�？椋糜诙栽ご砗蟮耐枷窠斜尘疤崛〖澳勘昙觳猓玫接忝绲脑硕辏� 所述运动跟踪�？椋糜诟萦忝绲脑硕甑玫接忝绲脑硕旒＃� 所述控制模块,用于根据鱼苗的运动轨迹得到鱼苗的运动参数,所述运动参数包括鱼苗总数、死亡数、平均速度、平均高度、平均间距和环游次数，并将这些运动参数与正常值进行比较得到各个参数的提高幅度，如果鱼苗的至少一个运动参数的提高幅度超过报警阈值时，则向GSM远程预警�？榉⑺托藕牛� 所述GSM远程预警�？椋糜谟没瓒ūň兄导敖邮赵ぞ畔⒌闹付ǘ韵螅珿SM远程预警�？榻邮招藕藕笃舳⒔ぞ畔⒎⑺椭林付ǘ韵�。
2.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述图像数据预处理�？椴捎弥狈酵季夥ń腥ピ肷瞬ù�。
3.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述运动跟踪模块采用基于EKF和均值漂移的运动目标跟踪方法具体为，利用扩展卡尔曼滤波器在目标中心位置预测目标可能出现的位置，再利用Mean shift搜索得到运动轨迹。
4.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述背景提取和目标检测�？橹斜尘疤崛∈遣捎昧〔罘炙惴ǎ勘昙觳馐窃诒尘疤崛〉幕∩希勉兄捣指罾捶指畋尘昂陀忝纾倮猛队胺ǖ玫接忝绲脑硕�。
5.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述鱼苗为斑马鱼。
6.根据权利要求I所述的一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，其特征在于，所述指定对象包括计算机的IP地址和用户的手机号码。
全文摘要
本发明公开了一种基于视频识别的水质安全在线生物预警监测系统，包括监控容器、图像采集模块、图像数据预处理�？�、背景提取和目标检测�？�、运动跟踪�？�、控制�？楹虶SM远程预警�？椋槐痉⒚鹘觳獾脑陀忝绲既氲郊嗫厝萜髦校ü枷癫杉？槭凳辈杉忝绲耐枷瘢枷褚来未涞酵枷袷菰ご砟？�、背景提取和目标检测�？�、运动跟踪模块后得到鱼苗的运动轨迹，控制�？楦萦忝绲脑硕旒５玫皆硕问硕问胝Ｖ迪啾冉系玫教岣叻龋没瓒ǖ奶岣叻仍蚪斜ň�。本发明采用水污染生物测试法对原水进行检测，即利用水生生物受到污染物质的毒害所产生的生理机能的变化，测试水质污染的状况。
文档编号G01N33/18GK102866237SQ20121032820
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者徐向民, 王杰耀, 庞聪, 侯世莹, 林培东, 周勤 申请人:华南理工大学
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