面向斑马鱼行为学的三维重建与运动信息检测

摘要

斑马鱼具有易饲养，繁殖能力强，性成熟早，与人类基因具有较高同源性等优点，近年来已经成为一种热门的模式动物。斑马鱼行为学也越来越受到研究者的关注，并已经在生命科学、现代医学、环境科学等研究领域得到广泛应用。
　　利用计算机视觉技术，在斑马鱼行为学实验中可以经济高效地获取斑马鱼行为数据，在相关领域研究中具有重要意义。为了获取便于后续处理的图像在斑马鱼行为学实验中需要设计特定的成像装置，水的折射现象也为重建鱼的三维运动轨迹带来了困难。针对这些问题，本文主要研究了成像装置的设计与实现，水下点目标的三维重建以及幼鱼运动信息检测方法。
　　首先，本文设计了两种适合于多种情形下的斑马鱼行为学实验的成像装置。开放式系统实现简单，借助背光光源可以得到适合后续处理的图像。封闭式系统通过加装透镜能够有效地去除幼鱼行为学实验中多孔板中的遮挡现象，这些成像装置也为本文后续的研究提供了良好的硬件基础。
　　其次，为了通过双目摄像机俯拍的方式准确重建成鱼三维的运动轨迹，本文建立了单折射平面条件下摄像机的投影模型，设计了模型的标定方法并基于投影模型建立了水下目标的三维重建算法。在成鱼行为学实验的条件下测试算法，重建了水下标定板上各个角点，平均误差为2.1mm，并重建了成鱼的三维运动轨迹。
　　最后，本文还给出了一种针对斑马鱼幼鱼的运动信息检测方法。为了高效、准确地获取幼鱼运动信息，设计了基于帧差的检测算法。随后介绍了针对幼鱼睡眠觉醒行为的运动信息数据处理方法。在分析中药对抑郁症治疗效果的研究中有效地应用了这些方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 基于计算机视觉的模式动物行为学研究背景

第二节 基于计算机视觉的斑马鱼行为学研究现状

第三节 本文的主要工作及章节安排

第二章 斑马鱼行为自动观测装置设计与实现

第一节 行为学实验的说明

第二节 面向成鱼实验的开放式成像装置

2．2．1 背光光源设计

2．2．2 成像装置参数对成像效果的影响

第三节 面向幼鱼实验的封闭式成像装置

2．3．1 幼鱼行为学实验的特殊条件

2．3．2 封闭式成像装置实现

第四节 小结

第三章 面向成鱼游动行为折射条件下点的三维重建

第一节 平面折射条件下的投影几何

3．1．1 中心投影模型与Non-SVP投影模型

3．1．2 单摄像机折射投影模型

3．1．3 双摄像机折射投影模型

3．1．4 摄像机光轴与水面不垂直的情形

第二节 平面折射条件下的标定

3．2．1 摄像机参数标定

3．2．2 摄像机入瞳中心到水面距离d的标定

第三节 平面折射条件下目标点的三维重建

第四节 水下目标的三维重建实验

第五节 小结

第四章 面向斑马鱼幼鱼的运动信息检测及应用

第一节 幼鱼运动检测算法

第二节 幼鱼睡眠觉醒行为的运动数据处理

4．2．1 幼鱼睡眠觉醒行为参数提取

4．2．2 描述幼鱼睡眠觉醒行为的特征向量

第三节 幼鱼睡眠觉醒行为分析在中药药效分析中的应用

4．3．1 幼鱼睡眠觉醒行为实验说明

4．3．2 指纹图与相关矩阵

4．3．3 k-means聚类结果

第四节 小结

第五章 结论与展望

第一节 结论

第二节 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果