基于LabVIEW雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別系統(tǒng)

張博漢++傅彥寧++張琰++王軍民

摘 要：雛雞雌雄的半自動(dòng)鑒別系統(tǒng)，目前研究的人并不多，隨著養(yǎng)雞業(yè)的快速發(fā)展，具有廣泛的應(yīng)用前景。針對這一系統(tǒng)，本文提出設(shè)計(jì)和開發(fā)“基于LabVIEW雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包括圖像獲取、圖像預(yù)處理、圖像定位、圖像分割和模式識別，共5個(gè)模塊。本文在技術(shù)方面介紹圖像預(yù)處理、圖像定位和圖像分割。

關(guān)鍵詞：雛雞雌雄的半自動(dòng)鑒別；圖像預(yù)處理；圖像定位；圖像分割

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20161033070

1 雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別系統(tǒng)概述

1.1 國內(nèi)外發(fā)展

在1950年，日本的木澤武夫發(fā)明了“雛雞雌雄鑒別器”，但是，通常情況下，孵化場的出雛量很大，且要求在雛雞出殼后24h內(nèi)把鑒別工作做完，當(dāng)時(shí)的器械鑒別法速度慢；由于在使用時(shí)將玻璃曲管經(jīng)肛門插入雛雞直腸，容易造成雛雞傷殘及疫病傳播。所以，需要重新開發(fā)新的鑒別產(chǎn)品?，F(xiàn)階段，雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別技術(shù)的研究基本處于空白狀態(tài)。

雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別技術(shù)作為一種生物特征識別技術(shù)，它涉及的領(lǐng)域非常廣泛，主要包括模式識別、計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理與分析、圖像編碼、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等。

1.2 傳統(tǒng)人工識別方法

傳統(tǒng)人工識別方法采用翻肛鑒別法，就是公雛肛門處可見生殖凸起，并且生殖凸起充實(shí)，有光澤，輪廓鮮明（如圖1）。母雛肛門處一般無生殖凸起，或有殘留生殖凸起，但是多呈萎縮狀，不飽滿，無彈性無光澤。

在時(shí)間上，雛雞破殼后4～12h內(nèi)，生殖凸起形態(tài)差別最明顯，易于區(qū)分。在這段時(shí)間中，雛雞容易抓握，且腹部充實(shí)，容易將肛門翻出。

圖2為雄雞肛門處生殖凸起，而在雌雞肛門處不存在這一生殖凸起。

相比于半自動(dòng)鑒別，人工鑒別具有如下缺點(diǎn)：工作強(qiáng)度大。因?yàn)殡r雞的雌雄性狀不明顯，長時(shí)間工作精神高度緊張，很快就會疲勞，導(dǎo)致精度和效率下降；培養(yǎng)成本高，培養(yǎng)周期長。一個(gè)沒有基礎(chǔ)的人，最少要經(jīng)過3a以上的學(xué)習(xí)和實(shí)踐才能掌握這個(gè)技術(shù)；當(dāng)用力不當(dāng)時(shí)，可能會導(dǎo)致雛雞的意外死亡。我們設(shè)計(jì)和開發(fā)“基于LabVIEW雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別系統(tǒng)”的目的就是改變這一現(xiàn)狀。

1.3 雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別的方法

依據(jù)現(xiàn)在用的比較多的翻肛鑒別法，把雛雞放到攝像頭前，通過視覺通道的輸入信息，在雛雞的生殖器官部位檢測和跟蹤得到輸入雛雞生殖器官圖像模式的基礎(chǔ)上，通過生殖器官凸起部位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)幾何特征，利用基于輪廓線的描述物體形狀的方法，提取結(jié)構(gòu)性及半結(jié)構(gòu)性半隨機(jī)性紋理中的特征點(diǎn)分布規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上定位紋理的大規(guī)模乃至全局特性。給出其形狀特征，實(shí)現(xiàn)輸入雛雞生殖器官模式的識別，達(dá)到確定雛雞性別的目的。

2 系統(tǒng)分析

2.1 技術(shù)可行性

目前，計(jì)算機(jī)和信息處理技術(shù)發(fā)展日新月異，我國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“天河二號”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)峰值計(jì)算速度達(dá)到每秒5.49億次，成為全球最快超級計(jì)算機(jī)，近幾年發(fā)展起來的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)為數(shù)字信號處理分析提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，應(yīng)用較廣的圖像采集及圖像處理分析技術(shù)發(fā)展得已很成熟，并且在信息通訊、衛(wèi)星遙感、太空探測、高清電視信號傳播、工業(yè)圖像采集等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別系統(tǒng)通過截取、攝像頭拍攝、利用庫存的圖庫、掃描等，可以獲得我們想要的圖片，再通過借鑒已有的算法，嫁接到雛雞雌雄的半自動(dòng)鑒別上來。

由于圖像在亮度不同的環(huán)境中，圖像的亮度變化必然受到不同光線的影響，圖像就變得或暗或亮，就要對它的亮度進(jìn)行調(diào)整，亮了的就要變暗些，暗了的就要變亮些，可以通過對整幅圖像像素亮度的統(tǒng)計(jì)，通過計(jì)算后將圖像的亮度調(diào)整到一個(gè)適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

2.2 功能需求分析

雛雞雌雄半自動(dòng)鑒別會用到軟件，該軟件包括圖像的獲取、圖像的處理、特征的拾取、學(xué)習(xí)、識別、數(shù)據(jù)庫。

2.3 開發(fā)工具和環(huán)境

采用LabVIEW作為開發(fā)工具，利用面向?qū)ο蟮姆椒?，在Windows 7，Windows 8，Windows 10等操作系統(tǒng)上用LabVIEW實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。

3 概要設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能模塊

一個(gè)大的系統(tǒng)可以把它分成若干個(gè)小的模塊來實(shí)現(xiàn)。對于該系統(tǒng)，根據(jù)需求分析可以分為幾個(gè)大的功能模塊，如圖3。

3.2 模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 獲取圖像模塊

通過攝像頭來獲取，在圖像獲取以后，將圖像顯示出來，同時(shí)記錄下圖像的內(nèi)存地址，以便在圖像處理中使用。

在獲取圖像時(shí)，經(jīng)常由于各種原因被隨機(jī)噪聲所污染，常見的隨機(jī)噪聲有椒鹽噪聲，脈沖噪聲，高斯噪聲等。

圖4為一普通USB攝像頭（藍(lán)色妖姬，T3200），免驅(qū)動(dòng)，鏡頭可調(diào)焦，帶支撐鏡頭的底座，方便取像。另外，也可以使用微距鏡頭，利用3D打印技術(shù)針對不同的環(huán)境和用戶需求打印不同的鏡頭支架。

在對圖像進(jìn)行后續(xù)的處理前，必須對圖像進(jìn)行預(yù)處理，即除去圖像中的隨機(jī)噪聲。中值濾波算法可以有效去除噪聲的同時(shí)保持圖像的邊緣細(xì)節(jié)，是圖像處理中常用的濾波方法。然而常規(guī)的中值濾波算法主要依賴于快速排序算法，運(yùn)算時(shí)間復(fù)雜度高，運(yùn)算速度慢。均值加速的快速中值濾波算法突破了對所有元素進(jìn)行快速排序的限制，只在于快速找到濾波子窗的像素中間值，有效降低了中值濾波算法的時(shí)間復(fù)雜度，將計(jì)算效率和運(yùn)算速度提高到傳統(tǒng)濾波算法的2倍以上。

3.2.2 雛雞生殖凸起的定位與預(yù)處理

為了準(zhǔn)確地提取生殖凸起的位置，需要對雛雞生殖器官區(qū)域進(jìn)行定位。準(zhǔn)確的定位是進(jìn)行圖像處理重要的一步。在雛雞的生殖器官部位，凸起的特征還是比較明顯的，因?yàn)樾坌噪r雞的凸起占據(jù)了幾乎整個(gè)生殖器官區(qū)域，且在燈光的照射下，雄性雛雞的生殖凸起的尖頭部位會有反光的一個(gè)亮點(diǎn)，我們就以中間的亮點(diǎn)為基準(zhǔn)，找到大概的位置，并在周圍進(jìn)行多邊形近似，使查找的準(zhǔn)確性得以提高。

圖像中雛雞生殖器官凸起部位根據(jù)形狀來獲取，通過形狀的邊緣特征來實(shí)現(xiàn)。對圖像進(jìn)行去噪、灰度化、邊緣增強(qiáng)、 圖像二值化及邊緣骨架化預(yù)處理后，可以根據(jù)雛雞生殖器官的顏色的深淺來確定劃分的區(qū)域是否就是雛雞生殖器官區(qū)域。

3.2.3 特征學(xué)習(xí)

雛雞的生殖器官在不同的情況進(jìn)行獲取時(shí)，它們的特征都有所變化（主要是顏色的變化），前后2次的獲取也必然存在著差異，只是差異有大有小，所以，應(yīng)該在圖像分割之前，對特征進(jìn)行相應(yīng)的學(xué)習(xí)，獲取一個(gè)比較合理的特征向量存放到庫中，用于往后的識別。

3.2.4 圖像分割

通過LabVIEW的視覺開發(fā)模塊VDM中的IMAQ Threshold控件，可利用其內(nèi)置函數(shù)通過閥值法對圖像進(jìn)行分割。

IMAQ Threshold VI所使用的最佳閥值可利用在LabVIEW中的公式節(jié)點(diǎn)中寫入快速二值化算法的C語言程序來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

在雛雞生殖凸起識別技術(shù)領(lǐng)域，這套儀器可以幫助鑒別員減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。因?yàn)槭前胱詣?dòng)，人在操作這臺儀器的情況下所花的時(shí)間，比完全靠人工鑒別所花的時(shí)間縮短1/3，且鑒別出雄雞時(shí)，LED顯示燈會亮起1個(gè)；當(dāng)鑒別出雌雞時(shí)，LED顯示燈會亮起2個(gè)；當(dāng)鑒別不出雛雞性別時(shí)，LED顯示燈會亮起3個(gè)。人工只需要對不確定的雛雞進(jìn)行鑒別即可，這樣就減輕了鑒別員的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于時(shí)間和技術(shù)的限制，本系統(tǒng)還有待進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

[1]楊丹，趙海濱.MATLAB圖像處理實(shí)例詳解[M].清華大學(xué)出版社，2013.

[2]林海濤.雛雞雌雄鑒別綜合技術(shù)[J].養(yǎng)殖與飼料，2009（10）.

作者簡介：張博漢（1995-），男，漢族，長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院本科學(xué)生；傅彥寧（1994-），男，漢族，長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院本科學(xué)生；張琰（1993-），男（漢族），長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院本科學(xué)生；王軍民（1960-），男，漢族，高級工程師，中國地質(zhì)大學(xué)博士，江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事地球物理儀器的教學(xué)、開發(fā)和研究工作。