基于动物行为学的视频采集及图像处理系统的设计和实现（10次）

武汉理工大学自主创新研究基金项目
申请书
（本科生类，2011版）
项目类型: 本科生创新研究项目
项目子类: 本科生创新一般项目
项目名称: 基于动物行为学的视频采集及图像处理系统的设计和实现，，
申请人:郑楼移动电话：150****3781电子邮箱: *****************
所在单位: 信息工程学院
申请日期: 2011-5-8
武汉理工大学
2011年4月
填写说明
1、填写申请书前，请认真阅读《武汉理工大学自主创新研究基金管理暂行办法(校科字〔2009〕7号》和相关实施细则。

2、申请书各项内容要实事求是，逐条认真填写。

请严格按照要求填写申请书，形式审查不合格项目申请视为无效申请。

3、申请书包括五个部分：一、基本信息表（申请人信息、项目信息），二、项目组主要成员表，三、经费申请表，四、报告正文，五、签字盖章页。

其中前三个部分的信息将进入学校数据库。

4、本申请书（Word文档）中内嵌了应用程序（“宏”），以辅助申请人填写前三部分，
检查填写完毕后的文档并作保护。

1
为必填项。

2）在第三部分（经费申请表）中，只需填写年度经费预算下三年各8项预算经费，其他结果将被自动算出。

5、可直接在本申请书中填写第四部分（报告正文）；建议在其它Word文档中编辑完毕后，再复制到本文档。

6/团委指定的项目编号。

点击申请书首
正可能出现的错误或遗漏。

通过检查后，将提示您补充申请书首页上即将显示出的部分关键信息（如项目类型、项目子类、申请日期等），自动保护文档并将其样式设置为适合打印与提交样式。

7、保护后的申请书可以再次编辑，每次保护后版本号会递增。

8、申请书为A4开本，于左侧装订成册，双面打印。

需向教务处/团委报送一份申请书原件（有关各方签字、签署意见并签章后，由学院统一报送）。

9、填报申请书的详细说明，请参考《自主创新基金项目申请书使用说明（本科生类）》。

一、基本信息
武汉理工大学自主创新研究基金项目申请书（本科生类2011版）版本1.01 二、项目主要成员
3
三、经费申请表
四、报告正文
1、项目背景及研究意义
传统的动物行为分析方法采用人为的观察和记录,用人眼对动物行为进行判断,不仅耗时费力,而且判断结果具有主观性和不准确性等缺点,导致动物实验结果出现偏差,甚至错误。

动物行为分析方法的发展经历了人工观察、传感检测技术、视频跟踪技术等阶段。

随着生命科学的发展和医学的进步，应用数字图像处理技术以及计算机技术跟踪动物活动的轨迹并计算运动距离、速度等运动参数,已成为动物行为自动分析的前沿技术。

动物行为分析系统通常由硬件平台和软件平台相结合广泛用于跟踪、分析动物的行为、运动和活动。

国内市场上的动物行为分析产品大多为国外产品，自主产品少，并且价格昂贵，很少结合国内研究现状。

在各大高校生物实验室或医学研究院，在研究毒理学、精神药理学、行为科学等方面的研究常常需要进行动物药理试验病毒试验，所以对于构建一套性价比高，基于国内生物研究研究状况，研究价值高，操作简便的动物行为检测系统是亟需的。

2、项目研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
2.1项目研究目标
行为学是研究领域的一门基础学科，动物行为跟踪系统软件是辅助科研人员进行神经药理，学习记忆药理，抗衰老药理和新药神经系统一般药理毒理研究，也可用于神经科学基础研究和动物社会行为学研究。

本研究以小白鼠为实验对象,将视频采集技术，计算机软件技术、视频图像处理技术等技术相结合,重点研究基于视频的动物行为智能分析系统中目标检测、目标跟踪、目标特征信息提取、行为分析识别等关键技术,并开发实现上述关键技术的动物行为学采集分析系统，充分满足生物医学研究者的需求。

软件包括旷场实验模块、自主活动实验模块、O迷宫、位置偏爱等模块。

2.2 研究内容和拟解决的关键问题
2.2.1研究内容
1.数据采集系统的构建
数据采集系统运用DSP技术完成对原始视频数据的采集，将获取的视频序列先进行压缩处理后通过接口将视频信息传送给计算机进行进一步处理。

数据采集系统的硬件组成上主要包括DSP主芯片电路、编码解码电路以及摄像头部分。

2.数据采集分析系统的构建
数据采集分析系统根据用户的需求控制视频采集帧速度和精度。

该系统能够导入采集系统传来的数字视频信息，指定路径保存数据。

3.图像处理系统的构建
图像处理系统利用背景差法，完成对图像的各种处理。

由于不同实验模型的要求不同，图像处理系统提供不同的分析处理方法。

构建图像处理系统还包括报警系统功能，无人值守功能视频回放功能的编写。

2.2.2拟解决的关键问题
(1)硬件系统平台的设计及实现；
(2)背景差法等算法实现以及改进；
(3)可以自定义开发，方便软件的后期维护；
(4)红外检测功能的设计。

3、项目研究的实施方案及拟采取的研究方法和技术路线
3.1系统硬件平台的设计
本采集系统主要有三个方面的：1）利用数据采集卡采集原始视频数据，并能够实时视频播放和手动区域选择。

2）利用软件分析视频数据中的动物运动信息，将分析结果保存为Excel、ppt、图表、动画等通用形式。

3）提供初步的数据分析功能，提供完备统计数据，绘制轨迹图，轨迹坐标图。

观测箱
图3.1 视频分析采集系统硬件结构图
动物行为学采集分析系统的硬件结构图如图3.1所示，分为三个部分：1计算机和数据采集卡；2）CCD相机/摄像头；3）动物观测箱。

各部分说明：
（1）部分电路由DSP主芯片电路、电源部分电路、摄像部分电路、外围电路，图像视频的采集接口等组成。

数据采集卡用于采集原始实验的视频，并控制摄像头采集帧速度和精度。

数据采集分析软件安装在计算机上，对数据采集卡进行控制，同时分析视频数据，跟踪视频中的动物运动信息，产生用户所需的动物运动数据文件，并提供一系列辅助功能。

（2）摄像头用于摄录可见光/红外光视频。

系统提供红外检测功能，适应可见光/红外光视频分析的算法切换软件应该自动调整阈值和算法，以进行更好的跟踪，这需要设计一个视频类型辨别的功能模块。

（3）动物观测箱用于放置实验动物，同时起到恒温和提供稳定的背景的作用。

3.2系统的软件系统的设计
3.2.1视频采集分析软件描述
视频采集分析软件完成对原始视频的采集，并控制摄像采集帧速度和精度。

由用户手动选择视频压缩算法和播放速率来保存采集到的原始视频，对摄像头参数进行初始化设置。

图3.2.1 视频采集分析软件流程图
3.2.1图像处理软件描述
图像处理软件利用背景差法，技术上包括运动数据常规图像分析、时间序列图像分析、周期图分析、FFT分析等，通过计算机对图像进行去除噪声、分割、提取特征等处理的方法和技术，提取频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征、拓扑特征和关系结构等，从而获得所需信息。

图3.2.2 图像处理软件功能结构图
图像处理软件完成对当前的视频图像进行手动分块和设置行列索引，以便进行监视区域的划分。

可以通过设置行列索引来定位某个区域内的动物，并且在系统定位某个动物时，在对应的动物身上显示标记；可以设定定时开始/终止，手动选择动物种类和动物监测阈值；手动设置区域大小阈值；实时处理采集得到的原始实验视频，每秒采样0.5到4次可调，记录相邻两次采样间动物移动的距离。

本系统主要采用背景差法实现运动目标跟踪与分析。

一般情况下，由于运动物体在灰度上与背景灰度存在着很明显的差异，这样作差过后的差值图像只是在运动物体出有较大的灰度值。

选取适当的阈值T，差值图像的灰度值大于T,视为前景物体，灰度值小于T，视为背景点。

运用背景差法通常会遇到背景的获取，背景的更新和背景的扰动等问题。

4、项目的可行性分析
4.1技术可行性
本行为行为监测系统与诊断系统利用了DSP技术，数字图像处理技术，计算机软技术，通过相关算法的实现与改进，如帧差发和背景差法，设置区域大小阈值，实现对源视频信息的分割、提取特征等处理，提取频域特征、灰度或颜色特征、边界特征、区域特征、纹理特征、形状特征相关信息，应用数字图像处理技术进行小白鼠三点识别和跟踪,诊断软件记录并绘制时序运动轨迹图并提供其他时序波形图。

4.2市场可行性分析
本系统能够自动跟踪记录动物活动轨迹，识别实验小动物行为，适用真实实验环境如旷场实验、活动度监测、以及受损动物的行为改变分析等生物医学试验，有助研究毒理学、精神药理学、行为科学等方面，评估药物对动物行为的作用。

本系统提供具有强大的分析功能及友好的功能通用界面，仅以小白鼠为核心研究对象，分析结果说服力强；根据不同实验需求为研究者提供有效的实验信息，并具有实验视频回放功能和储存功能（以电脑硬盘为介质，分文件切割储存），特殊事件（给药，环境变换等）报警功能，24小时无人值守，性价比非常高。

5、项目的创新之处（50字以内）
1.提供红外检测功能，可见光/红外光视频分析的算法切换。

2.提出优化的算法，准确度更高。

3.能够实现对存储视频的指定时段回放，提供特殊事件报警，无人值守等功能。

6、项目预期成果
1.硬件系统的构成；
2.计算机软件平台的搭建；
3.完成对传统算法的改进和优化；
4.进行软硬件的联调;
5.实现视频回放、特殊事件报警等功能。

6.拟发表1-2篇论文;
五、签字盖章页。