一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法

摘要

本发明公开了一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法。所述方法包括：提供一种透明循环水槽，该透明循环水槽包括沿一第一方向可调速稳定循环的水流；提供一种高速摄影装置，该高速摄影装置包括若干个设置于所述透明循环水槽槽体四周的高速相机，且若干相机视角汇聚于一第二方向等；将鱼群放置于所述透明循环水槽，并触发所述高速摄影装置拍摄所述鱼群；本发明可以在进行鱼类集群游动行为观测试验过程中，利用透明循环水槽调整水流速度改变，并使水流达到稳定流场状态；根据试验所需，将不同数量试验鱼放入透明循环水槽，使用高速摄影装置拍摄群游行为记录，并基于摄影测量技术获得高精度鱼体动态变化过程。

说明书

技术领域

本发明涉及鱼群观察技术领域，尤其涉及一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法。

背景技术

鱼类的群游已被成熟的科学研究认为能够给参与其中的鱼类个体带来水动力方面的优势，而随着循环水槽可完成的实验种类逐渐增多，并且由于现代化先进测试技术的引入，实验数据的精准性也得到了进一步的提升，但由于目前循环水槽主要用于开展绕流模拟实验、船模阻力试验、推进器敞水试验、操纵性试验等有关试验研究，缺乏基于摄影测量技术的鱼类群游行为与流场实验观测平台。故申请人提出一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法，利用循环水槽制造连续稳定流场的特点，来近似模型水域环境中的稳定流场。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法，能够实现鱼类集群游动行为观测。

根据本发明的一个方面，提供一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法，包括：

提供一种透明循环水槽，该透明循环水槽包括沿一第一方向可调速稳定循环的水流；

提供一种高速摄影装置，该高速摄影装置包括若干个设置于所述透明循环水槽槽体四周的高速相机，且若干相机视角汇聚于一第二方向；

基于所述透明循环水槽输出功率调整所述水流流速、深度，并标定水流流速；该水流流速大于等于1.8cm/s，且小于等于8.05cm/s；

将鱼群放置于所述透明循环水槽，并触发所述高速摄影装置拍摄所述鱼群。

根据本发明的另一个方面，一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测装置，该观测装置包括：

一透明循环水槽，该透明循环水槽包括若干整流筛以及若干整流板；

一高速摄影装置，该高速包括若干个设置于所述透明循环水槽槽体四周的高速相机，且若干相机视角汇聚于一第二方向；

一控制装置，该控制装置用于控制透明循环水槽输出功率以及高速相机的感光度、拍摄帧率、分辨率；

一触发分析装置，该装置用于触发高速相机及所述高速相机拍摄物的坐标。

可以发现，以上方案，可以在进行鱼类集群游动行为观测试验过程中，利用透明循环水槽调整水流速度改变，并使水流达到稳定流场状态；根据试验所需，将不同数量试验鱼放入透明循环水槽，使用高速摄影装置拍摄群游行为记录，并基于摄影测量技术获得高精度鱼体动态变化过程，包括群游下的个体鱼位置、群游阵型、个体鱼摆尾频率、个体鱼如何利用同伴涡旋行进等。该数据可用于分析群游在能量上带来的收益问题，也可为流固耦合数值模拟的模型优化带来参考，能广泛应用于鱼类集群游动行为学与流场观测等领域的现场实验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法一实施例的流程示意图；

图2是本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测装置一实施例的结构示意图；

图3是本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法及装置拍摄的鱼群数据示意图之一；

图4是本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法及装置拍摄的鱼群数据示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法，能够实现鱼类集群游动行为观测。

请参见图1、图2，图1是本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测方法一实施例的流程示意图；图2是本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测装置一实施例的结构示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图1所示的流程顺序为限。如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101：提供一种透明循环水槽，该透明循环水槽包括沿一第一方向可调速稳定循环的水流；

进一步的，所述稳定循环水流的方法为整流筛法。

作为整流筛法一种可选的方案，进一步的，所述整流筛法具体包括：提供若干个整流筛，并将该若干个整流筛沿所述第一方向间隔设置在所述透明循环水槽槽底；以及使所述水流连续地穿过所述整流筛。

作为整流筛法一种优选的方案，进一步的，所述整流筛法具体包括：提供若干个坡度为17°-18°的梯形整流板以及整流筛；并将该若干个整流筛沿所述第一方向间隔排列设置在所述梯形整流板顶部；以及使所述水流连续地穿过所述整流筛。

该整流筛法一种优选的方案具体的请参阅图2，透明循环水槽包括：水槽外壳(1)、进出水整流段(2)、拐角段(3)、游泳观察室(4)、可调节输出功率的水泵(5)、橡胶连接管(6)、整流筛(7)；

进水整流段前端与出水整流段末端连接橡胶连接管，连接管的另一端分别连接水泵的出水口和吸水口，橡胶连接管与水泵通过塑胶锁扣密闭；整流筛长度设计为水槽游泳观察室的内壁宽度，置于游泳观察室的两端。将测速仪置于游泳观察室末端中间处，水位没过螺旋桨；

进一步的，所述水槽外壳(1)的材质为透明亚克力板，外壁尺寸为100cm*15cm*25cm，厚8mm；顶部敞口开放结构，下部镂空。是为了便于高速相机拍摄观察以及加工制造便利。

进一步的，所述进出水整流段(2)的结构为透明亚克力板，长度为38.7cm，壁厚8mm，坡度为17.12°，不可拆卸，进出水整流段两端连接进出水橡胶连接管，是为了将来流均匀化，避免小范围内湍流强度过大，进入游泳观察室的水流不均匀。

进一步的，所述拐角段(3)采用塑胶垂直弯管结构，是为了避免小面积试验场地内连接管弯折角度过大引起流量不均。

进一步的，所述集群拍摄游泳观察室(4)的材质是透明亚克力板，便于试验的观察。其规格为26cm*15cm，厚度8mm，水深3-5cm；下部镂空结构，可根据高速相机拍摄需要避免反光需求做遮光处理。

进一步的，所述可调节输出功率的水泵(5)其流速范围为1300-5800L/h,根据试验系统设置平均水深计算出游泳观察室内流速范围是1.8cm/s-8.05cm/s，是为了根据不同鱼类游动习性以及群游速度的差异而设定，便于试验观察与流场拍摄。

进一步的，所述橡胶连接管(6)的内壁有螺纹环状铁丝支撑，在进出水端通过防水胶带固定在水槽内壁，在水泵连接端通过塑胶锁扣密闭。是为了避免软质橡胶管弯折引、系统密闭缺陷所引起水流不均，进入到水槽内的水流流速标定不准确。

进一步的，所述整流筛(7)包括入水整流筛和出水整流筛两块，整体为不锈钢蜂巢结构，规格为15cm*3cm*10cm，厚度为3cm，过水面的整流格孔径不大于2mm；是为了将流经游泳观察室的水流进行整流，使其平稳化，制作过程方便，材料易得。

可以发现，以上方案，水槽外壳通过固定在进水与出水端的橡胶连接管与输出功率可调节的水泵相连。注水到游泳观察室水位为5cm深时，开启水泵，槽内水流在水泵驱动下，形成循环水流，以进水端为起点，沿着第一方向水流依次通过入水整流段、进水整流筛、游泳观察室、出水整流筛、橡胶连接管最终回到水泵。进一步，调节水泵工作功率，从而改变流场水流速度，实现试验测量系统的流场调控。

S102：提供一种高速摄影装置，该高速摄影装置包括若干个设置于所述透明循环水槽槽体四周的高速相机，且若干相机视角汇聚于一第二方向；。

请参阅图2，该S102所述的高速摄影装置包括两台高速相机(8)、流速仪(9)、与用于触发高速相机的笔记本电脑(10)。分别置于所述透明循环水槽的游泳观察室(4)正上方与侧方，汇聚于第二方向即游泳观察室(4)内，通过三脚架固定镜头位置，连接笔记本电脑。调节高速相机的感光度、帧率、对比度、分辨率等参数并试拍；

进一步的，所述高速相机(8)采用超高速相机，拍摄速率范围50-10000帧，触发方式为通过万兆WLAN网线连接笔记本电脑(10)的配套软件触发。是为了保证拍摄速度大于摆动频率，清楚记录鱼类在一个摆尾周期内的鱼类摆尾情况和在当前游动状况下的流场，方便数据处理时对鱼体三维运动过程的获取。

进一步的，该S102步骤还包括获取若干个所述高速摄影装置的摄影投影平面，基于投影平面计算真实世界坐标系下所述鱼群坐标点；

具体的，设以xyz表示成像坐标系，XYZ表示真实世界坐标系，其中x/y轴为成像投影平面。定义点O(x

其中R表示3X3的旋转变换矩阵：

由公式(1)和(2)可得投影平面在投影坐标系内的坐标与真实物体在真实世界坐标系内的坐标关系式，即共线方程：

如此有2个或2个以上的摄像投影平面，即可反向精确求解确定真实目标点P(X,Y,Z)。因此，利用2个角度的摄像机记录并使用摄影测量软件处理即可捕捉鱼类在游动过程中的动态变化过程。

进一步的，架设高速相机置于游泳观察室背腹面和测量的合适拍摄的位置，连接到PC端触发程序试拍，效果为能清楚记录游泳观察室内的涡旋变化细节为佳。

S103：基于所述透明循环水槽输出功率调整所述水流流速、深度，并标定水流流速；该水流流速大于等于1.8cm/s，且小于等于8.05cm/s；

进一步的，请参阅图2，所述可调节输出功率的水泵(5)其流速范围为1300-5800L/h,根据试验系统设置平均水深计算出游泳观察室内流速范围是1.8cm/s-8.05cm/s，是为了根据不同鱼类游动习性以及群游速度的差异而设定，便于试验观察与流场拍摄。

S104：将鱼群放置于所述透明循环水槽，并触发所述高速摄影装置拍摄所述鱼群；

进一步的，按流速从低到高的设定调节水泵输出功率，结合槽内水量计算流速并通过流速仪标定，放入鱼群静置一段时间待游泳观察室的流场稳定后，用高速相机拍摄群游行为与漩涡场，记录鱼体动态变化过程，包括在群体中的个体相对位置、摆尾频率、群游阵型等。完成一次该流速下的群游行为记录后，改变水泵输出功率，参考上述步骤，待流场趋于稳定后，记录流速升高后鱼群游动行为的应对策略；重复此操作，完成所有流速档位下的群游行为记录。

进一步的，所述的在游泳观察室内的鱼群数量为2-9条，所述的鱼群种类为游动集群性强的红鼻剪刀鱼。

进一步的，所述的鱼体动态变化过程参数，包括群游下的个体鱼位置、群游阵型、个体鱼摆尾频率、个体鱼如何利用同伴涡旋行进等。

可以发现，以上方案，可以在水流循环中，游泳观察室实现鱼类群游，并使用高速相机同步触发拍摄记录群游行为与群游下的流场状况：架设并连接高速相机与笔记本电脑，打开高速相机控制软件，调节好实现拍摄所需要的帧率、分辨率、对比度等参数并试拍。可以按流速从低到高的设定调节水泵输出功率，结合槽内水量计算流速并通过流速仪标定，放入鱼群静置一段时间待游泳观察室的流场稳定后，用高速相机拍摄群游行为与漩涡场，记录鱼体动态变化过程，包括在群体中的个体相对位置、摆尾频率、群游阵型等。可以完成一次该流速下的群游行为记录后，改变水泵输出功率，参考上述步骤，待流场趋于稳定后，记录流速升高后鱼群游动行为的应对策略；重复此操作，完成所有流速档位下的群游行为记录。完成该轮试验后，改变鱼群数量，由少至多(2条-9条)，重复上述试验过程，改变流速，记录鱼群在不同群体数目下不同流速对个体水动力效益最大化的应对方式：如改变个体在群体中的相对位置、游动摆尾频率、利用同伴游动所创造的涡旋行进的方式等数据。

本发明还提供一种基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测装置，能够实现鱼类集群游动行为观测。

请参见图2，图2是本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测装置一实施例的结构示意图。本实施例中，该基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测装置包括

水槽外壳(1)、进出水整流段(2)、拐角段(3)、游泳观察室(4)、可调节输出功率的水泵(5)、橡胶连接管(6)、整流筛(7)；

还包括两台高速相机(8)、流速仪(9)、与用于触发高速相机的笔记本电脑(10)。进水整流段前端与出水整流段末端连接橡胶连接管，连接管的另一端分别连接水泵的出水口和吸水口，橡胶连接管与水泵通过塑胶锁扣密闭；整流筛长度设计为水槽游泳观察室的内壁宽度，置于游泳观察室的两端。将测速仪置于游泳观察室末端中间处，水位没过螺旋桨；高速相机分别置于循环水槽的游泳观察室正上方与侧方，通过三脚架固定镜头位置，连接笔记本电脑。调节高速相机的感光度、帧率、对比度、分辨率等参数并试拍；按流速从低到高的设定调节水泵输出功率，结合槽内水量计算流速并通过流速仪标定，放入鱼群静置一段时间待游泳观察室的流场稳定后，用高速相机拍摄群游行为与漩涡场，记录鱼体动态变化过程，包括在群体中的个体相对位置、摆尾频率、群游阵型等。完成一次该流速下的群游行为记录后，改变水泵输出功率，参考上述步骤，待流场趋于稳定后，记录流速升高后鱼群游动行为的应对策略；重复此操作，完成所有流速档位下的群游行为记录。

进一步的，所述水槽外壳(1)的材质为透明亚克力板，外壁尺寸为100cm*15cm*25cm，厚8mm；顶部敞口开放结构，下部镂空。是为了便于高速相机拍摄观察以及加工制造便利。

进一步的，所述进出水整流段(2)的结构为透明亚克力板，长度为38.7cm，壁厚8mm，坡度为17.12°，不可拆卸，进出水整流段两端连接进出水橡胶连接管，是为了将来流均匀化，避免小范围内湍流强度过大，进入游泳观察室的水流不均匀。

进一步的，所述拐角段(3)采用塑胶垂直弯管结构，是为了避免小面积试验场地内连接管弯折角度过大引起流量不均。

进一步的，所述集群拍摄游泳观察室(4)的材质是透明亚克力板，便于试验的观察。其规格为26cm*15cm，厚度8mm，水深3-5cm；下部镂空结构，可根据高速相机拍摄需要避免反光需求做遮光处理。

进一步的，所述可调节输出功率的水泵(5)其流速范围为1300-5800L/h,根据试验系统设置平均水深计算出游泳观察室内流速范围是1.8cm/s-8.05cm/s，是为了根据不同鱼类游动习性以及群游速度的差异而设定，便于试验观察与流场拍摄。

进一步的，所述橡胶连接管(6)的内壁有螺纹环状铁丝支撑，在进出水端通过防水胶带固定在水槽内壁，在水泵连接端通过塑胶锁扣密闭。是为了避免软质橡胶管弯折引、系统密闭缺陷所引起水流不均，进入到水槽内的水流流速标定不准确。

进一步的，所述整流筛(7)包括入水整流筛和出水整流筛两块，整体为不锈钢蜂巢结构，规格为15cm*3cm*10cm，厚度为3cm，过水面的整流格孔径不大于2mm；是为了将流经游泳观察室的水流进行整流，使其平稳化，制作过程方便，材料易得。

进一步的，所述高速相机(8)采用Phantom MIRO M110高速相机，拍摄速率范围50-10000帧，触发方式为通过万兆WLAN网线连接笔记本电脑(10)的配套软件触发。是为了保证拍摄速度大于摆动频率，清楚记录鱼类在一个摆尾周期内的鱼类摆尾情况和在当前游动状况下的流场，方便数据处理时对鱼体三维运动过程的获取。

进一步的，所述的流速仪(9)为手持式便携明渠流速仪，是为了在可变试验场地下标定流速，便于取用。

进一步的，所述的在游泳观察室内的鱼群数量为2-9条，所述的鱼群种类为游动集群性强的红鼻剪刀鱼。

进一步的，所述的鱼体动态变化过程参数，包括群游下的个体鱼位置、群游阵型、个体鱼摆尾频率、个体鱼如何利用同伴涡旋行进等。

该装置工作方式如下：

1、打开水泵(5)，水从橡胶连接管(6)流出，依次流经进水整流段(2)、入水整流筛(7)、游泳观察室(4)、流速仪(9)出水整流筛(7)、出水整流段(2)、拐角段(3)、橡胶连接管(6)，最终流回水泵实现循环。

2、在水流循环中，游泳观察室实现鱼类群游，并使用高速摄像机同步触发拍摄记录群游行为与群游下的流场状况：架设并连接高速摄像机与笔记本电脑，打开高速摄像机控制软件，调节好实现拍摄所需要的帧率、分辨率、对比度等参数并试拍。按流速从低到高的设定调节水泵输出功率，结合槽内水量计算流速并通过流速仪标定，放入鱼群静置一段时间待游泳观察室的流场稳定后，用高速摄像机拍摄群游行为与漩涡场，记录鱼体动态变化过程，包括在群体中的个体相对位置、摆尾频率、群游阵型等。完成一次该流速下的群游行为记录后，改变水泵输出功率，参考上述步骤，待流场趋于稳定后，记录流速升高后鱼群游动行为的应对策略；重复此操作，完成所有流速档位下的群游行为记录。完成该轮试验后，改变鱼群数量，由少至多(2条-9条)，重复上述试验过程，改变流速，记录鱼群在不同群体数目下不同流速对个体水动力效益最大化的应对方式：如改变个体在群体中的相对位置、游动摆尾频率、利用同伴游动所创造的涡旋行进的方式等数据，拍摄数据如图3、图4所示。

该装置工作原理如下：

工作原理1：本发明基于高速摄影测量技术的鱼类集群游动行为观测装置，通过两块具有整流功能的系统部分(整流段与整流筛)将进水连接管处的水流平稳化，通过连接管将水槽形成闭环，使水流可以在水槽内平稳循环；通过在水槽内的水量与水泵输出功率计算游泳观察室内流速并使用明渠流速仪标定；通过高速摄像机拍摄在该流速下的群游行为与涡旋，即可获得原始数据；

工作原理2：摄影测量法是一种利用摄影机摄取的二维影像进行量测，测定物体在三维空间的位置、形状、大小乃至物体的运动。设以xyz表示成像坐标系，XYZ表示真实世界坐标系，其中x/y轴为成像投影平面。定义点O(x

其中R表示3X3的旋转变换矩阵：

由公式(1)和(2)可得投影平面在投影坐标系内的坐标与真实物体在真实世界坐标系内的坐标关系式，即共线方程：

如此有2个或2个以上的摄像投影平面，即可反向精确求解确定真实目标点P(X,Y,Z)。因此，利用2个角度的摄像机记录并使用摄影测量软件处理即可捕捉鱼类在游动过程中的动态变化过程。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。