魚類視覺與溫度響應研究裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種魚類視覺與溫度響應研究裝置及方法。養魚箱置于與養魚箱外形一致的顯示組合面內，養魚箱的正上方垂直朝下設置左右兩個攝像機和一個可調光源。在顯示器上營造視頻刺激圖像并進行亮度控制，利用電阻絲加熱和冷水降溫控制溫度。藥物儲存控制器控制加藥。裝置由包括系統控制微處理器、顯示器控制電路、加溫控制電路、致冷控制電路、加藥控制電路、亮度控制電路的控制電路板控制。照度傳感器、防水溫度傳感器傳輸數據，數據采集與分析服務器連接兩個攝像機和控制電路板。在程序控制下，對建立在養魚箱三維坐標系下的魚三維圖像坐標數據進行采集、分析研究。本發明對魚類行為進行更有廣度和深度的研究，對生命科學研究有重大意義。
【專利說明】魚類視覺與溫度響應研究裝置及方法
一、所屬領域
[0001]本發明涉及動物生命科學領域，屬動物行為研究范疇，具體是魚類在生命科學領域研究中廣泛用于腫瘤、心血管疾病、眼科疾病、神經系統等各種生理、藥理以及其他疾病以及治療機理研究。魚類行為的觀察裝置對于魚類的研究至關重要，研究裝置更趨于多樣化。
二、【背景技術】
[0002]魚類在生命科學領域研究中廣泛用于腫瘤、心血管疾病、眼科疾病、神經系統等各種生理、藥理以及其他疾病以及治療機理研究。魚類視覺與溫度響應研究對人類有重大意義。中國專利201120049737.4《斑馬魚行為誘發裝置》公布了一種斑馬魚的眼動反應和視動反應行為學數據分析系統。中國專利201210064120.9《海洋牧場魚類聲音行為控制器》公布了一種在海洋牧場對魚類聲音行為控制系統。中國專利201120237172.2《一種寵物魚游泳行為的誘發裝置》公布了一種寵物魚游泳行為誘發裝置。中國專利201210100988.X《一種適合研究小型魚類趨光行為學的裝置》公布了一種小型魚類驅光行為學的研究裝置。以上發明都只涉及了魚類的某種單一行為的研究，研究的局限性較大，都沒有記錄魚類的三維行為以及對環境的響應，特別是視覺與溫度的響應。
三、
【發明內容】

[0003]本發明的目的是對魚類行為進行更有廣度和深度的研究，特別是魚類視覺行為和對溫度反應的響應。使用本發明，可以研究魚類對不同環境視覺刺激的行為與反應、可以研究魚類對不同環境溫度刺激行為的反應，可以研究魚類對環境溫度與環境視覺的組合反應，為魚類神經研究提供研究設備。
[0004]本發明的目的是這樣`達到的:魚類視覺與溫度響應研究裝置包括養魚箱、數據采集與分析服務器、控制電路板、顯示組合面、攝像機、可調光源、照度傳感器、溫度傳感器以及電阻絲。養魚箱是頂面敞開，其他面為透明、密封、不透水的矩形，養魚箱置于外形一致的顯示組合面內，顯示組合面由四周和底面5個顯示器組成，顯示屏正面對養魚箱的相關部位。
[0005]養魚箱上邊內邊緣裝置一圈冷水管和一圈加藥管，冷水管和加藥管朝下均勻開一些小孔，冷水管和加藥管分別與冷水儲存控制器、藥物儲存控制器連接，冷水儲存控制器和藥物儲存控制器安裝在養魚箱外側上方。
[0006]在養魚箱上邊邊緣安裝一個照度傳感器，在養魚箱的四條垂直邊每邊的相同位置安裝兩個防水溫度傳感器，其中四個位于比水面稍低的位置，其余四個位于養魚箱靠近底面位置。在養魚箱的水底，圍繞底面一圈設置經防水處理的電阻絲，電阻絲的長和寬與養魚箱內側的長和寬一致。
[0007]在養魚箱的正上方設置左右兩個攝像機，兩個攝像機垂直朝下，位于養魚箱左右方向的中軸面上方、在養魚箱正中央的垂線兩邊對稱分布；在左右兩個攝像機的中間設置可調光源。
[0008]控制電路板設置在養魚箱的外側，與電阻絲、溫度傳感器、冷水儲存控制器、藥物儲存控制器、可調光源、照度傳感器，顯示組合面的各顯示器連接。數據采集與分析服務器上的數據線分別連接兩個攝像機和控制電路板。
[0009]所述控制電路板由系統控制微處理器、顯示器控制電路、加溫控制電路、致冷控制電路、加藥控制電路、亮度控制電路構成；顯示器控制電路與顯示器相連接，加溫控制電路與電阻絲連接，致冷控制電路與冷水儲存控制器連接，加藥控制電路與藥物儲存控制器連接，亮度控制電路與可調光源連接，分別對顯示器、電阻絲、冷水儲存控制器、藥物儲存控制器和可調光源進行控制；同時接收8個溫度傳感器和I個照度傳感器的數據。
[0010]所述顯示組合面由5個顯示器組成，分別位于養魚箱的兩側、前邊、后邊、底面，分別稱為前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器。右邊顯示器、左邊顯示器的長和寬略大于養魚箱外側的寬和高，前邊顯示器、后邊顯示器的長和寬略大于養魚箱外側的長和高，底面顯示器的長和寬略大于養魚箱的長和寬；每個顯示器都有相應的顯示控制電路。
[0011 ] 所述加溫控制電路為繼電器控制電路；繼電器控制電路一端連接到系統控制微處理器，另一端連接到電阻絲。
[0012]所述亮度電路控制是:可調光源是多個發光二極管，在每個發光二極管上串聯數控電位器，通過控制數控電位器電阻值或發光管發光的數量來調節發光二極管的亮度。
[0013]所述顯示器控制電路由顯示控制微處理器和顯示輸出控制電路組成；顯示控制微處理為ARM控制電路，顯示器輸出控制電路與顯示器連接。
[0014]所述致冷控制電路是對冷水儲存控制器中的儲液罐內儲存的冰水流入養魚箱的控制，所述加藥控制電路是對`藥物儲存控制器中儲液罐內儲存的液體藥物流入養魚箱的控制。
[0015]所述冷水儲存控制器含儲液罐、輸液泵和液體輸出泵，在輸液泵的前端連接液體輸入管，后端連接儲液罐，在液體輸出泵的前端設有液體輸出管入口，后端連接液體輸出管。
[0016]所述藥物儲存控制器含儲液罐、輸液泵和液體輸出泵，在輸液泵的前端連接液體輸入管，后端連接儲液罐，在液體輸出泵的前端設有液體輸出管入口，后端連接液體輸出管。在冷水儲存控制器的儲液罐中儲存冰水，在藥物儲存控制器的儲液罐中儲存藥物。
[0017]在進行魚類研究時，將魚置于魚類視覺與溫度響應研究裝置的養魚箱中，設置顯示出組合面工作的前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器的顯示視頻內容，營造出一種環境圖像和對魚類視覺刺激圖像；設置亮度、溫度、加藥量；以養魚箱水面正中央為坐標原點，建立三維笛卡爾坐標系；調整好養魚箱正上方設置的兩個攝像機，使攝像機垂直朝下、攝像機感光平面與養魚箱水面平行；數據采集與分析服務器按照設定的程序，由系統控制微處理器設置控制電路板按照設定的亮度、溫度、加藥量進行相應的亮度、溫度、加藥控制；攝像機拍攝在設定環境中的圖像數據，數據采集與分析服務器采集攝像機的視頻數據；根據視頻數據計算并存儲魚所在位置的三維成像坐標，進行魚對環境視覺與溫度的響應行為的相關研究。
[0018]所述設置前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器的顯示視頻內容包括如下方面:
[0019]A、前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器顯示一種環境圖像，并選用某種刺激圖形以各種方式在各顯示器上運動；
[0020]B、環境圖像的變化；
[0021]C、設置各種寬度和顏色的條紋，設計條紋的變換以及移動；
[0022]D、在各種背景環境圖形下設置魚類的食物或天敵的各種行為視頻的顯示。
[0023]所述以養魚箱水面正中央為坐標原點，建立三維笛卡爾坐標系的具體過程是:
[0024]以養魚箱水面正中央為坐標原點0(0，0，0);養魚箱的正中間的垂線為Z軸，向上為正方向；養魚箱的左右方向為X軸，向右方向為正方向；養魚箱前后方向為Y軸，向前方向為正方向；
[0025]設左邊攝像機和右邊攝像機的鏡頭焦距為f，感光傳感器像素尺寸為nnXnn,左邊攝像機和右邊攝像機的橫向像素總數為M，縱向像素總數為N ；
[0026]所述攝像機拍攝照片的成像坐標為:以照片的像素為坐標單位，左上角為(0，O)坐標，往下的像素依次排序為Y坐標，往右的像素依次排序為X坐標。
[0027]所述計算魚在所拍照片上的成像坐標是按照如下進行:計算魚在所拍照片上的成像坐標是分別對左邊攝像 機和右邊攝像機照片進行如下運算:
[0028]I)根據已知的5個顯示屏的設定環境顯示內容濾除5個顯示器的環境圖像，將過濾環境圖像后的圖片轉換為灰度格式，
[0029]2)實驗測試出一個高于魚的亮度，小于沒有魚的水域亮度的二值化門限值，
[0030]3)用二值化門限值對圖片進行二值化計算，小于二值化門限為1，大于二值化門限為0，
[0031]4)采用3X3的結構點對圖像進行開、閉運算，
[0032]5)采用3X3的結構點對圖像進行多次腐蝕運算，直到圖像中沒有取I的像素，
[0033]6)選擇最后一張有I的像素的圖片，以照片的像素為坐標單位，左上角為(0，O)坐標，往下的像素依次排序為Y坐標，往右的像素依次排序為X坐標，計算所有取I的像素的Y坐標和X坐標的平均值，將右邊攝像機Y坐標和X坐標的平均值記為Ry、Rx，Ry為右邊攝像機所計算得到的魚的Y坐標，Rx為右邊攝像機所計算得到的魚的X坐標；將左邊攝像機Y坐標和X坐標的平均值記為Ly，Lx, Ly為左邊攝像機所計算得到的魚的Y坐標，Lx為左邊攝像機所計算得到的魚的X坐標。
[0034]攝像機垂直朝下、攝像機感光平面與養魚箱水面平行、以Z軸為對稱軸對稱安裝在XOZ平面上，左邊攝像機的鏡頭位于L點，設其鏡頭中心坐標為:(-C，0，h)，過L做一條與平面XOY垂直的線，交X軸于A點；右邊攝像機的鏡頭位于R點，設其鏡頭中心坐標為:(C，0，h)，過R做一條與平面XOY垂直的線，交X軸于B點；c為攝像機鏡頭中心在平面XOY的投影到坐標原點的距離，h為攝像機鏡頭距水面的高度。
[0035]根據視頻數據計算并存儲魚所在位置的三維成像坐標是按照如下步驟進行的:
[0036]A、根據魚在右邊攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中的直線:
[0037]令DX= (Rx-M/2) XnnXh/f,DY= (Ry-N/2) XnnXh/f ;點(DX+c，DY，O)為魚所在直線與Z=O平面的交點，記為點N，令點N和直線RB決定的平面為RBN ;在平面RBN上過N點平行于直線RB做一條直線，令其為直線NK，過N點與直線NR負方向做一條直線NC，使得直線NC與直線NK負方向的角度為
【權利要求】
1.一種魚類視覺與溫度響應研究裝置，其特征在于:研究裝置包括養魚箱13、數據采集與分析服務器(I)、控制電路板(2)、顯示組合面(12)、攝像機、可調光源(11)、照度傳感器(7)、溫度傳感器以及電阻絲(3);養魚箱是頂面敞開，其他面為透明、密封、不透水的矩形，養魚箱(13)置于外形一致的顯示組合面(12)內，顯示組合面由四周和底面5個顯示器組成，顯示屏正面對養魚箱的相關部位； 養魚箱上邊內邊緣裝置一圈冷水管(4)和一圈加藥管(5)，冷水管和加藥管朝下均勻開一些小孔，冷水管(4)和加藥管(5 )分別與冷水儲存控制器(9 )、藥物儲存控制器(10 )連接，冷水儲存控制器(9)和藥物儲存控制器(10)安裝在養魚箱外側上方； 在養魚箱上邊邊緣安裝一個照度傳感器(7)，在養魚箱的四條垂直邊每邊的相同位置安裝兩個防水溫度傳感器(6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、6-6、6-7、6-8)，其中四個位于比水面稍低的位置，其余四個位于養魚箱靠近底面位置；在養魚箱的水底，圍繞底面一圈設置經防水處理的電阻絲(3)，電阻絲的長和寬與養魚箱內側的長和寬一致； 在養魚箱的正上方設置左右兩個攝像機(8-1、8-2)，兩個攝像機垂直朝下，位于養魚箱左右方向的中軸面上方、在養魚箱正中央的垂線兩邊對稱分布；在左右兩個攝像機的中間設置可調光源(11)； 控制電路板(2)設置在養魚箱的外側，與電阻絲(3)、溫度傳感器(6)、冷水儲存控制器(9)、藥物儲存控制器(10)、可調光源(11)、照度傳感器(7)、顯示組合面的各顯示器連接；數據采集與分析服務器(I)上的數據線分別連接兩個攝像機和控制電路板。
2.如權利要求1所述的魚類視覺與溫度響應研究裝置，其特征在于:所述控制電路板由系統控制微處理器、顯示器控制電路、加溫控制電路、致冷控制電路、加藥控制電路、亮度控制電路構成；顯示器控制電路與顯示器相連接，加溫控制電路與電阻絲(3)連接，致冷控制電路與冷水儲存控制器(9)連接，加藥控制電路與藥物儲存控制器(10)連接，亮度控制電路與可調光源(11)連接，分別對顯`示器、電阻絲、冷水儲存控制器、藥物儲存控制器和可調光源進行控制；同時接收8個溫度傳感器和I個照度傳感器的數據。
3.如權利要求2所述的魚類視覺與溫度響應研究裝置，其特征在于:所述顯示組合面由5個顯示器組成，分別位于養魚箱的兩側、前邊、后邊、底面，分別稱為前邊顯示器、后邊顯不器、右邊顯不器、左邊顯不器、底面顯不器；右邊顯不器、左邊顯不器的長和寬略大于養魚箱外側的寬和高，前邊顯示器、后邊顯示器的長和寬略大于養魚箱外側的長和高，底面顯示器的長和寬略大于養魚箱的長和寬；每個顯示器都有相應的顯示控制電路。
4.如權利要求2所述的魚類視覺與溫度響應研究裝置，其特征在于:所述加溫控制電路為繼電器控制電路；繼電器控制電路一端連接到系統控制微處理器，另一端連接到電阻絲； 所述亮度控制電路是:可調光源是多個發光二極管，在每個發光二極管上串聯數控電位器，通過控制數控電位器電阻值或發光管發光的數量來調節發光二極管的亮度； 所述顯示器控制電路由顯示控制微處理器和顯示輸出控制電路組成；顯示控制微處理為ARM控制電路，顯示器輸出控制電路與顯示器連接； 所述致冷控制電路是對冷水儲存控制器中的儲液罐內儲存的冰水流入養魚箱的控制，所述加藥控制電路是對藥物儲存控制器中儲液罐內儲存的液體藥物流入養魚箱的控制。
5.如權利要求4所述的魚類視覺與溫度響應研究裝置，其特征在于:所述冷水儲存控制器含儲液罐(23)、輸液泵(24)和液體輸出泵(21)，在輸液泵(24)的前端連接液體輸入管(19)，后端連接儲液罐(23)，在液體輸出泵(21)的前端設有液體輸出管入口，后端連接液體輸出管(22)； 所述藥物儲存控制器含儲液罐(23 )、輸液泵(24 )和液體輸出泵(21)，在輸液泵(24 )的前端連接液體輸入管(19 )，后端連接儲液罐(23 )，在液體輸出泵(21)的前端設有液體輸出管入口，后端連接液體輸出管(22)； 在冷水儲存控制器的儲液罐中儲存冰水，在藥物儲存控制器的儲液罐中儲存藥物。
6.一種魚類視覺與溫度響應研究方法，其特征在于:將魚置于魚類視覺與溫度響應研究裝置的養魚箱中，設置顯示組合面工作的前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器的顯示視頻內容，營造出一種環境圖像和對魚類視覺刺激圖像；設置亮度、溫度、加藥量；以養魚箱水面正中央為坐標原點，建立三維笛卡爾坐標系；調整好養魚箱正上方設置的兩個攝像機，使攝像機垂直朝下、攝像機感光平面與養魚箱水面平行；數據采集與分析服務器按照設定的程序，由系統控制微處理器設置控制電路板按照設定的亮度、溫度、加藥量進行相應的亮度、溫度、加藥控制；攝像機拍攝在設定環境中的圖像數據，數據采集與分析服務器采集攝像機的視頻數據；根據視頻數據計算并存儲魚所在位置的三維成像坐標，進行魚對環境視覺與溫度的響應行為的相關研究。
7.如權利要求6所述的魚類視覺與溫度響應研究方法，其特征在于:所述設置前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器的顯示視頻內容包括如下方面: A、前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器顯示一種環境圖像，并選用某種刺激圖形以各種方式在各顯示器上運動， B、環境圖像的變化， C、設置各種寬度和顏色的條紋，設計`條紋的變換以及移動， D、在各種背景環境圖形下設置魚類的食物或天敵的各種行為視頻的顯示； 所述以養魚箱水面正中央為坐標原點，建立三維笛卡爾坐標系的具體過程是:以養魚箱水面正中央為坐標原點0(0，0，0);養魚箱的正中間的垂線為Z軸，向上為正方向；養魚箱的左右方向為X軸，向右方向為正方向；養魚箱前后方向為Y軸，向前方向為正方向； 設左邊攝像機和右邊攝像機的鏡頭焦距為f，感光傳感器像素尺寸為nnXnn，左邊攝像機和右邊攝像機的橫向像素總數為M，縱向像素總數為N ； 所述攝像機拍攝照片的成像坐標為:以照片的像素為坐標單位，左上角為(O，O)坐標，往下的像素依次排序為Y坐標，往右的像素依次排序為X坐標； 所述計算魚在所拍照片上的成像坐標是按照如下進行:計算魚在所拍照片上的成像坐標是分別對左邊攝像機和右邊攝像機照片進行如下運算: 1)根據已知的5個顯示屏的設定環境顯示內容濾除5個顯示器的環境圖像，將過濾環境圖像后的圖片轉換為灰度格式， 2)實驗測試出一個高于魚的亮度，小于沒有魚的水域亮度的二值化門限值，3)用二值化門限值對圖片進行二值化計算，小于二值化門限為1，大于二值化門限為O, 4)采用3X3的結構點對圖像進行開、閉運算， 5)采用3X3的結構點對圖像進行多次腐蝕運算，直到圖像中沒有取I的像素，6)選擇最后一張有I的像素的圖片，以照片的像素為坐標單位，左上角為(O，O)坐標，往下的像素依次排序為Y坐標，往右的像素依次排序為X坐標，計算所有取I的像素的Y坐標和X坐標的平均值，將右邊攝像機Y坐標和X坐標的平均值記為Ry、Rx，Ry為右邊攝像機所計算得到的魚的Y坐標，Rx為右邊攝像機所計算得到的魚的X坐標；將左邊攝像機Y坐標和X坐標的平均值記為Ly、Lx, Ly為左邊攝像機所計算得到的魚的Y坐標，Lx為左邊攝像機所計算得到的魚的X坐標； 攝像機垂直朝下、攝像機感光平面與養魚箱水面平行、以Z軸為對稱軸對稱安裝在XOZ平面上，左邊攝像機的鏡頭位于L點，設其鏡頭中心坐標為:(-c，0，h)，過L做一條與平面XOY垂直的線，交X軸于A點；右邊攝像機的鏡頭位于R點，設其鏡頭中心坐標為:(c，0，h)，過R做一條與平面XOY垂直的線，交X軸于B點；c為攝像機鏡頭中心在平面XOY的投影到坐標原點的距離，h為攝像機鏡頭距水面的高度； 根據視頻數據計算并存儲魚所在位置的三維成像坐標是按照如下步驟進行的: A、根據魚在右邊攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中的直線: 令 DX= (Rx-M/2) XnnXh/f，DY= (Ry-N/2) XnnXh/f ;點(DX+c，DY，0)為魚所在直線與Z=O平面的交點，記為點N，令點N和直線RB決定的平面為RBN ;在平面RBN上過N點平行于直線RB做一條直線，令其為直線NK，過N點與直線NR負方向做一條直線NC，使得直線NC與直線NK負方向的角度為
8.如權利要求6所述的魚類視覺與溫度響應研究方法，其特征在于:所述數據采集與分析服務器按照設定的程序，由微處理器控制電路板按照設定的亮度、溫度、加藥量進行相應的亮度、溫度、加藥控制的程序控制分為數據采集與分析服務器控制程序和系統控制微處理器控制程序； 數據采集與分析服務器控制程序是: 開始，第一步，設置亮度，設置溫度，設置加藥量，設置前邊顯示器、后邊顯示器、右邊顯示器、左邊顯示器、底面顯示器的顯示視頻內容；第二步，根據加藥量計算加藥時間；第三步將數據傳給系統控制微處理器；第四步，接收系統控制微處理器環境已經調整好信號；第五步，采集并存儲視頻信號；第六步，根據視頻數據計算并存儲魚所在位置的三維坐標；第七步，進行魚的行為分析，結束。 系統控制微處理器控制流程是: 開始，第一步，設置水溫的上限和下限、照度的上限和下限、藥物量、顯示器內容；第二步，根據藥物量計算加藥時間；第三步，控制藥物儲存控制器加適量的藥物；第四步，根據顯示器內容控制5個顯示器控制電路的顯示內容；第五步，讀取照度傳感器照度數據；第六步，判斷照度大于上限？是，減少可調光源的發光管發光個數或增加與發光二極管串聯的數控電位器的電阻值，返回第五步；否，第七步，判斷照度小于下限？是，增加可調光源發光管發光個數或降低與發光二極管串聯的數控電位器的電阻值，返回第五步；否，第八步，讀取8個溫度傳感器溫度數據；第九步，查找溫度傳感器感應的最高溫度數據Tmax，查找溫度傳感器感應的最低溫度數據Tmix ;第十步,判斷Tmax-Tmix>l度,是,等待I分鐘，返回第八步；否，第十一步，判斷Tmax>水溫上限？是，控制冷水儲存控制器加冰水，返回第八步；否，第十二步，判斷Tmin〈水溫下限？是，控制電阻絲加熱，返回第八步；否，第十三步，采集左邊攝像機和右邊攝像機的圖像；第十四步，根據右邊攝像機圖像計算直線NC方程；第十五步，根據左邊攝像機的圖像計算平面LAM的方程；第十六步，根據直線NC、平面LAM計算魚的坐標(Sz，Sy, `Sz);第十七步，根據魚長時間的坐標記錄進行魚的行為分析，結束。
【文檔編號】G05B19/042GK103766257SQ201410030766
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月22日 優先權日:2014年1月22日
【發明者】莫思特, 李佳陽, 楊森, 李碧雄 申請人:四川大學