鸟类视觉认知学习训练系统

摘要

本发明公开了一种鸟类视觉认知学习训练系统，包括上位机控制系统、下位机控制系统和训练箱，上位机控制系统由PC机、摄像头和液晶显示屏构成，摄像头的视频信号输出端与PC机的视频信号输入端连接，PC机的视频信号输出端与液晶显示屏的视频信号输入端连接；下位机控制系统由单片机、奖励单元、惩罚单元和行为反馈单元构成，单片机的输出控制接口分别与所述奖励单元、惩罚单元的输入控制接口连接，单片机的第一通信接口与PC机通信连接，单片机的第二通信接口与所述行为反馈单元通信连接。本发明利用控食后鸟类对食物的生理需求，在鸟类做出正确动作后，通过奖励单元给鸟类喂食，给食量可通过电磁铁的开闭时间来调节，易于控制。

说明书

技术领域

本发明涉及生物认知科学领域，尤其是涉及鸟类视觉认知学习训练系统。

背景技术

认知科学是神经科学与脑科学研究领域的重要分支，开展动物的学习认知训练是研究动物学习认知能力的关键步骤，主要基于大脑神经系统的可塑性机制，建立特定视觉刺激模式与动物特定行为间的对应关系。认知科学领域相关技术的发展，在生物、医药和军事等领域都有着重要的应用价值。视觉是动物获取外界感知信息的重要感官，且鸟类的视觉较为敏锐，具备良好的视觉认辨能力，比哺乳类动物的视觉感知能力发达，因此开展鸟类视觉认知相关的研究逐渐受到国内外研究者的青睐。

传统的视觉认知学习训练系统大多针对哺乳类动物而设计，针对哺乳类动物设计的视觉认知训练系统所选用的感知屏多为电容式触摸屏和红外式触摸屏，电容式触摸屏利用的是电流感应原理工作，红外式触摸屏是利用红外线的发射与接收进行工作。由于鸟类通过啄的动作来实现行为反馈，鸟的喙较尖，因此红外式触摸屏的方式均不易检测到。此外，鸟类的喙是角质层，不导电，不能用电容式触摸屏。因此针对哺乳类动物设计的认知学习训练系统不适用于鸟类。现有鸟类的训练方式都是针对特定的视觉任务而设计，不同鸟类的视觉特点差异较大，现有训练系统的训练方案不能依据个体差异而灵活设置，实验数据无法精确记录。

发明内容

本发明目的在于提供一种鸟类视觉认知学习训练系统。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的鸟类视觉认知学习训练系统，包括上位机控制系统、下位机控制系统和训练箱，

所述上位机控制系统由PC机、摄像头和液晶显示屏构成，所述摄像头的视频信号输出端与所述PC机的视频信号输入端连接，PC机的视频信号输出端与所述液晶显示屏的视频信号输入端连接；所述上位机控制系统通过PC机控制图像显示在所述液晶显示屏上，同时控制所述摄像头对整个训练过程进行监控与录像；

所述下位机控制系统由单片机、奖励单元、惩罚单元和行为反馈单元构成，所述单片机的输出控制接口分别与所述奖励单元、惩罚单元的输入控制接口连接，单片机的第一通信接口与PC机通信连接，单片机的第二通信接口与所述行为反馈单元通信连接；

所述训练箱由箱体、抽屉式底盒和横杆组成。

所述上位机控制系统的PC机还包含人机交互软件，采用VB语言开发，用户通过所述人机交互软件设置图像在所述液晶显示屏上呈现的顺序、时长、位置以及行为反馈方案，同时记录训练过程中行为反馈的时间、位置以及行为反馈是否正确的判决结果。

所述单片机的第一通信接口、第二通信接口分别通过USB接口与所述PC机、所述行为反馈单元通信连接。

所述奖励单元用于给予受训鸟类实施食物奖励，由所述单片机采集行为反馈单元返回的信息并判断是否正确，正确的话会驱动奖励单元，给予受训鸟类一定量的食物奖励；

所述惩罚单元用于给予受训鸟类实施惩罚，由所述单片机判断行为反馈单元返回的信息是否正确，错误的话会驱动所述惩罚单元启动，给予受训鸟类一定时长的惩罚；

所述行为反馈单元用于反馈受训鸟类啄击的行为信息，所述单片机实时检测所述行为反馈单元接收来自受训鸟类的行为反馈信号，若在拟定的时间内且拟定的范围出现，则所述单片机驱动奖励单元对受训鸟类进行奖励以强化受训鸟类对特定视觉目标图像的认知，若受训鸟类的行为反馈信号没有在拟定的时间内或拟定的区域内出现，则驱动惩罚单元给予受训鸟类一定的惩罚；

所述训练箱的箱体为下开口式，由遮光材料制成，以隔离外部环境对箱体内受训鸟类造成的干扰；所述训练箱的抽屉式底盒位于所述箱体下方，为上开口式，用于收集受训鸟类的排泄物；所述横杆垂直于所述箱体相对的两侧壁，轴线与所述液晶显示屏平行，用于受训鸟类站立；所述箱体上设置有通气装置。

所述奖励单元由电磁铁和由其驱动伸缩的食盒组成，所述奖励单元启动后电磁铁通电，吸合可动铁芯驱动食盒送至受训鸟类面前，通过控制通电时间实现对食量的控制，断电后靠弹簧的力量将食盒复位；

所述行为反馈单元包括压力传感器模块和电阻式触摸屏，以满足不同类型受训鸟类的训练需求，其中，所述压力传感器模块适用于训练需要远距离观察目标图像的受训鸟类，由若干按键式压力传感器组成，用于采集受训鸟类啄击按键的行为信息；所述电阻式触摸屏用于需要近距离观察目标图像的受训鸟类，重叠在所述液晶显示屏的上面，用于采集受训鸟类啄击屏幕的行为信息；

所述横杆离所述液晶显示屏的距离可调，以适用于不同个头或者采用不同行为反馈方案训练的受训鸟类。

本发明利用控食后鸟类对食物的生理需求，在鸟类做出正确动作后，通过奖励单元给鸟类喂食，给食量可通过电磁铁的开闭时间来调节，易于控制，也可促使鸟类增强主动进食的意识，防止吃不到或者吃的太少，以提高鸟类参与训练的积极性，传统的给食方式是在位于特定位置的食槽内投放一定数量的食物，食量难以自动化控制，且易造成鸟类吃完给定食物之后还在持续在食槽内搜寻食物不能及时复原到观察屏幕的状态，从而造成实验时间的浪费；无效的啄击行为不会获得奖励，错误的啄击行为会对受训的鸟类施加惩罚措施，这样避免了受训鸟类漫无目的地频繁啄击屏幕或者按键，强化了受训鸟类行为的目的性，减少无效啄击的实验试次，能够有效提高学习认知训练的正确率和效率。此外，由于不同种群鸟类的视力差异较大，个别鸟类的视力较为敏锐，适于远距离观察图像目标，因此，基于触摸屏的行为反馈方案不太适用。本发明设置了两种不同的行为反馈方案供选择，适用于更多类型的鸟类应用，且针对鸟类特定的站立方式，设置了前后位置可调的横杆，用于鸟类站立，易于确保每个试次实验动物都位于离屏幕相对固定的位置，从而提高视觉认知实验的可重复性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的电路原理框图。

图3是本发明所述奖励单元的结构示意图。

图4是本发明的主程序流程框图。

图5是本发明所述USB中断设置的程序流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1-3所示，本发明所述的鸟类视觉认知学习训练系统，包括上位机控制系统、下位机控制系统和训练箱；所述上位机控制系统由PC机1、摄像头2和液晶显示屏3构成，PC机1中安装有可视化控制软件；所述摄像头2的视频信号输出端与所述PC机1视频信号输入端连接，PC机1的视频信号输出端与所述液晶显示屏3的视频信号输入端连接；所述下位机控制系统由单片机4（C8051F320）、奖励单元10、惩罚单元和行为反馈单元5、11构成；所述单片机4的输出控制接口分别与所述奖励单元、惩罚单元的输入控制接口连接，单片机4的第一通信接口通过USB接口与PC机1通信连接，单片机4的第二通信接口通过USB接口与所述行为反馈单元5、11通信连接。

所述训练箱包括箱体6、抽屉式底盒7和横杆8，所述箱体6由遮光材料制成，为下开口式，箱体6侧壁上设置有排风扇12；抽屉式底盒7为上开口的抽屉式结构，位于箱体6底部，用于收集训练过程中动物的排泄物并便于清洗，保持箱体6内的清洁，活动设置的横杆8便于调整鸟类与所述液晶显示屏3之间的距离；所述横杆8轴线与液晶显示屏3平行；所述惩罚单元由设置在箱体6内侧壁上的扫频超声波扬声器9或闪光灯构成，所述扫频超声波扬声器9或闪光灯的驱动器输入控制端与所述单片机4的输出控制接口连接；所述奖励单元设置在横杆8的前方，即横杆8与液晶显示屏3之间靠近横杆8的位置，奖励单元10由电磁铁10.1和由其驱动伸缩的食盒10.2组成（如图3所示），通电后产生磁力吸合可动铁芯，将食盒10.2拉回槽内，断电后吸力消失靠弹簧复位，将食盒送至动物面前；所述电磁铁10.1的控制信号输入端与单片机4的输出控制接口连接，所述摄像头2设置在箱体6内的上部。所述行为反馈单元包括压力传感器模块和电阻式触摸屏5，以满足不同类型鸟类的训练需求；其中，所述压力传感器模块适用于训练需要远距离观察目标图像的鸟类，由若干按键式压力传感器11组成，用于采集鸟类啄击按键的行为信息；所述电阻式触摸屏5的行为反馈单元适用于需要近距离观察目标图像的鸟类，重叠固定在所述液晶显示器3的上面，一方面用于呈现PC机1传送过来的图像信息，另一方面收集鸟类的行为反馈信息，包括实验鸟类的啄屏时间、啄屏的位置。

本发明所述的PC机1与单片机4间的控制方式选为USB传输方式，PC机1具有完全的主控权，即PC机1会发送设定指令对单片机4进行控制和配置，同时也会定时发送查询指令，要求单片机4将采集检测到的实时实验数据进行回传，从而实现了系统的USB双向通信。

PC机1发送的接收解析指令和单片机4采集监测实时数据的回传都是在USB中断程序中完成。

本发明实验方案的设置与存储均通过采用VB语言编写的可视化控制软件实现，用户可通过所述人机交互软件设置图像在所述液晶显示屏3上呈现的顺序、时长、位置以及行为反馈方案，同时记录训练过程中行为反馈的时间、位置以及行为反馈是否正确的判决结果。可视化控制软件主要由控制主界面、实验方案管理界面、图像显示界面组成，程序流程框图如图4、5所示。

控制主界面主要用于对拟实施的实验方案进行相关操作。在控制主界面“实验方案”中，点击“载入实验方案”即可把设置好的实验方案载入PC机1用于训练实验；点击控制主界面“设置实验方案”，则打开实验设置界面设置新的实验方案，同时可以把要进行的当前实验方案实时的展现出来，控制主界面“坐标定位”是用来控制把要显示的图片展示在液晶显示屏的具体位置。控制主界面“实验控制”用于控制训练实验的开始、暂停与结束，实验结果统计实时显示当前的实验结果，包括正确执行相应行为的次数、错误次数以及未在指定时间内执行指定动作的次数，并且实时保存，便于数据分析；控制主界面“打开实验文件夹”用于打开数据保存文件所在的路径；控制主界面“视频监控” 用于开启和关闭监控录像。

训练过程的控制和鸟类行为反馈信息的采集是通过USB通信方式实现上位机控制系统与下位机控制系统之间信息的传递。上位机控制系统用于控制训练箱体6内的液晶显示屏3显示设定的实验图像，在训练过程中显示拟定实验方案中的刺激图像。

本发明训练方案简述如下：

1、第一阶段：啄击训练：

训练目的：建立鸟类啄击行为与奖励的关联；

训练模式：视觉刺激为试次周期内液晶显示屏3全灰屏显示。

奖惩条件：鸟类出现啄击行为则给予食物奖励，时间可控，试次时间内没有啄击行为则给予惩罚，时间可根据实际情况设置，惩罚后进入下一试次。

2、第二阶段：建立视觉行为的反射：

训练目的：建立液晶显示屏3播放图像时鸟类出现啄击行为的条件反射；

训练模式：视觉刺激为试次开始后液晶显示屏播放图像，呈现时间可在实验方案中设置，之后呈现灰屏，灰屏呈现时间也在实验方案中设置，根据训练实际情况设定；图像和灰屏交替呈现。

奖惩条件：在试次周期中，图像呈现时间段内有啄击行为则给予奖励，否则施加惩罚。

3、第三阶段：建立基于特定图像的行为反射：

训练目的：建立当液晶显示屏3播放特定图像时鸟类进行啄击的条件反射；

训练模式：视觉刺激为试次开始后播放图像，包括特定图像及其他干扰图像；在特定图像出现时间内，有啄击行为时则给予奖励，呈现时间到之后呈现一段时间灰屏休息一段时间，否则施加惩罚；图像和灰屏交替呈现。