基于机器视觉的牛只体尺体重估测算法研究

作     者：蓝雷斌 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈雷

授予年度：2024年

学科分类：0905[农学-畜牧学] 08[工学] 09[农学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：体尺估测 双摄像头 体重估测 复合高维数据 多任务学习 

摘      要：随着我国畜禽养殖行业的规模化发展,对于牛只的体尺数据和体重数据的测量难度也不断增大。传统的人为方法使用皮尺和手杖对固定牛只进行体尺测量,使用称重箱对牛只体重进行测量,但是在规模化发展的趋势下,人工测量的方法在实施难度和成本上都急剧增加,而基于机器视觉的无接触式牛只体尺估测方法和体重估测方法是解决这个问题的有效方式。当前基于机器视觉的牛只体尺估测方法主要是对牛只正侧身完整图像进行分析处理,通过计算相应测点间的像素距离,然后通过像素空间分辨率转换为现实距离来实现的,但是在现实牧场通道场景下通常不容易获得牛只完整侧身图像,导致此类方法难以得到应用;同时,目前牛只体重估测方法主要是基于个别体尺参数进行线性回归获取体重的估测值,考虑的因素缺乏全面性,容易导致体重的估测结果有失偏颇。为此,本文面向现实牧场中的通道场景,研究牛只的体尺估测算法和体重估测算法,具体研究内容如下: 1.提出一种基于双摄像头信息互补的视觉三角身高测量算法和相似三角体直长测量算法。所提算法首先使用正上方摄像头与侧方摄像头的双视角图像信息互补来弥补单幅二维图像中缺少景深信息的不足,同时使用YOLOv5算法和角点凸包检测算法从牛背俯视图进行肩胛测点和尾尻测点提取。所提视觉三角身高测量算法通过上方摄像头获得牛只肩胛部位与侧方摄像头的相对水平距离,结合侧方摄像头中辅助标尺下端坐标的实际高度,基于相似三角形原理计算牛只身高。所提相似三角体直长测量算法利用牛只身高数据计算正上方摄像头画面中对应牛背的景深,然后结合景深信息、肩胛测点和尾尻测点之间的欧式距离、上方摄像头对地空间分辨率,来计算牛只体直长。所提算法解决了在通道中不能获取到完整牛只侧身图像情况下的体尺估测问题。 2.将牛背掩码图像与牛只身高体长组合的复合高维数据作为输入,提出一种通道注意力和空间注意力残差的SCA-Conv Net网络,并且使用体重、身高和体长多个预测任务的损失值共同监督学习的牛只体重估测算法。所提算法使用牛只的背部掩码图像和牛只的身高体长数据构建的高维输入矩阵作为预测任务的输入,采用SCA-Conv Net提取特征向量,最后构建一个多输出的回归预测头网络结构,采用同时预测体重、身高和体长的多任务学习形式,让模型对不同任务的特征进行相互学习,提高模型在体重预测任务中的泛化能力与鲁棒性能。 3.基于WES-WNX00-3220系列的智能终端设备设计牛只体尺和体重估测系统;首先搭建硬件平台,包括摄像头、地磅和智能终端设备之间的物理连接。其次,基于硬件连接打通设备间的数据传输;最后,运用推理加速框架,将深度学习模型部署到智能终端设备中,并设计程序进行模型和算法调用,实现牛只体尺和体重估测。