魚類行為與神經觀察和研究裝置及其方法
【專利摘要】本發明公開了一種魚類行為與神經觀察和研究裝置以及方法。在養魚箱的一側安裝側面攝像機，另一側設置安裝支架。安裝支架上安裝頂面攝像機、刺激控制器、轉動臂角度控制步進電機、轉動臂、轉動臂固定支架。在轉動臂上安裝刺激水平移動控制裝置，在水平移動裝置上安裝刺激高度控制步進電機，刺激高度控制步進電機上連接高度控制連接線，高度控制連接線連接刺激作用點，刺激作用點上安裝刺激組合。計算機對攝像機和刺激控制器進行控制。觀察和研究方法包括對魚類行為的三維計算、對魚類行為的計算分析，通過聲音、光、電、藥物刺激結合魚的行為分析進行魚類神經研究，對魚類行為與神經更有廣度和深度的認知在人類生命科學領域研究有重大作用。
【專利說明】魚類行為與神經觀察和研究裝置及其方法
一、【技術領域】
[0001]本發明涉及動物生命科學領域，屬動物行為研究范疇，具體是魚類行為與神經觀察和研究裝置及其方法。
二、【背景技術】
[0002]魚類在生命科學領域研究中廣泛用于腫瘤、心血管疾病、眼科疾病、神經系統等各種生理、藥理以及其他疾病以及治療機理研究。魚類行為的觀察裝置對于魚類的研究至關重要，研究裝置更趨于多樣化。
[0003]中國專利201120049737.4《斑馬魚行為誘發裝置》公布了一種斑馬魚的眼動反應和視動反應行為學數據分析系統。中國專利201210064120.9《海洋牧場魚類聲音行為控制器》公布了一種在海洋牧場對魚類聲音行為控制系統。中國專利201120237172.2《一種寵物魚游泳行為的誘發裝置》公布了一種寵物魚游泳行為誘發裝置。中國專利201210100988.X《一種適合研究小型魚類趨光行為學的裝置》公布了一種小型魚類驅光行為學的研究裝置。以上發明都只涉及了魚類的某種單一行為的研究，研究的局限性較大，都沒有記錄魚類的三維行為以及對環境的響應。
三、
【發明內容】
[0004]本發明的目的是對魚類行為進行更有廣度和深度的研究，特別是魚類在三維空間的行為記錄，提出對魚類行為進行計算分析的方法，通過聲音、光、電、藥物對魚類刺激時的行為反應、結合對魚類行為計算分析結果，進行魚類神經研究。
[0005]本發明的目的是這樣達到的:在養魚箱的一側安裝側面攝像機，在養魚箱的另一側設置安裝支架，安裝支架為倒L型，上面為一平臺，側面有一支撐支架。在安裝支架上面正對養魚箱的頂面安裝頂面攝像機，在安裝支架上安裝固定刺激控制器、轉動臂角度控制步進電機、轉動臂、轉動臂固定支架；
[0006]在轉動臂的左右兩個轉動臂支撐臂A臂和轉動臂支撐臂B臂上安裝左右對稱的兩個刺激水平移動控制裝置，在水平移動裝置上分別安裝兩個刺激高度控制步進電機，刺激高度控制步進電機上連接有高度控制連接線，高度控制連接線分別連接左右兩個刺激作用點，左右兩個刺激作用點上安裝有左右兩個刺激組合；
[0007]計算機通過側面攝像機與計算機連線與側面攝像機連接、通過頂面攝像機與計算機連線與頂面攝像機連接、通過刺激控制器與計算機連接線與刺激控制器連接。
[0008]在刺激控制器與刺激作用點之間設置有刺激控制連接。
[0009]刺激控制器由刺激控制單片機、通信接口電路、轉動臂角度步進電機控制電路、電刺激控制電路，以及兩組刺激控制電路組成。刺激控制單片機與通信接口電路雙向連接，刺激控制單片機對轉動臂角度步進電機控制電路、電刺激控制電路，以及兩組刺激控制電路進行控制。兩組刺激控制電路包括A組刺激控制和B組刺激控制，A組刺激控制由高度步進電機A控制電路、水平移動步進電機A控制電路、輸藥泵A控制電路、聲音刺激A控制電路、光刺激A控制電路組成；B組刺激控制由高度步進電機B控制電路、水平移動步進電機B控制電路、輸藥泵B控制電路、聲音刺激B控制電路、光刺激B控制電路組成。
[0010]轉動臂從上至下由轉動臂齒輪盤、轉動臂安裝連接孔和轉動臂支撐臂組成，轉動臂齒輪盤、轉動臂安裝連接孔和轉動臂支撐臂整體連接。轉動臂安裝連接孔處于轉動臂支撐臂和轉動臂齒輪盤的中央位置，下端連接轉動臂支撐臂，上端連接轉動臂齒輪盤。轉動臂支撐臂分為左右對稱的轉動臂支撐臂A臂和轉動臂支撐臂B臂。轉動臂齒輪盤與安裝在轉動臂角度控制步進電機上的角度控制齒輪嚙合，轉動臂通過轉動臂固定支架穿過轉動臂安裝連接孔安裝到安裝支架上。
[0011]轉動臂固定支架為帶外絲螺紋的筒形結構，在筒形結構的下方連接有轉動臂支撐面，在筒形結構的中央部分開有頂面攝像機安裝孔，轉動臂固定支架穿過轉動臂安裝連接孔，將轉動臂支撐在轉動臂支撐面上，在筒形結構的上方外側設有轉動臂固定支架安裝外絲螺紋，轉動臂固定支架安裝外絲螺紋與安裝支架的轉動臂固定支架安裝內絲螺紋緊固連接固定在安裝支架上。
[0012]刺激水平移動控制裝置包括水平移動步進電機轉輪、水平移動履帶轉輪、水平移動履帶、水平移動步進電機、水平移動履帶轉輪支架。水平移動步進電機、水平移動履帶轉輪支架安裝在轉動臂支撐臂上，水平移動步進電機轉輪固定在水平移動步進電機上，水平移動履帶的兩端安裝在水 平移動步進電機轉輪和水平移動履帶轉輪上，并被水平移動步進電機轉輪和水平移動履帶轉輪拉緊，水平移動履帶隨水平移動步進電機轉輪的正向或反向轉動而向左或向右移動。
[0013]刺激高度控制步進電機分別安裝在左右兩個刺激水平移動控制裝置的水平移動履帶上。刺激高度控制步進電機上端設置有高度控制轉輪，高度控制連接線的一端連接在高度控制轉輪上，另一端連接刺激作用點。
[0014]刺激控制連線為彈簧狀彈性連接線，是多種連線的組合，包括聲刺激連接線、光刺激連接數、電刺激連接線、輸藥泵的輸藥管連線。
[0015]刺激組合包括聲音、光、電、藥物刺激，在刺激作用點上安裝聲刺激的喇叭，光刺激的燈、刺激電極，輸藥管的出口。光刺激包括紅光、藍光、綠光刺激，所述光刺激A控制電路和光刺激B控制電路中分別設置有紅色燈、藍色燈和綠色燈；聲、光刺激的輸出做防水設計。魚類行為與神經觀察和研究方法是在計算機程序控制下進行，首先確定在一個或2個刺激點通過聲音、光、電、藥物組合中的一種或多種刺激后，魚在養魚箱中三維坐標位置，然后根據魚的三維坐標，進行魚類行為的三維計算、對魚類行為的計算分析，結合魚的行為分析進而進行魚類神經研究。
[0016]計算機程序控制流程為:開始后，設置刺激類型為聲、光、電、藥等多種刺激組合，設置一個或兩個刺激點的坐標，根據刺激組合控制聲、光、電、輸藥等刺激電路，根據一個或兩個刺激點的坐標控制轉動臂角度控制步進電機、高度步進電機A、B，水平電機A、B ;采集頂面攝像機和側面攝像機的圖像，根據頂面攝像機圖像計算魚的坐標所在水中的直線方程，并將魚的坐標在水中的直線定義為DY，根據側面攝像機圖像計算魚的坐標在水中的平面方程，將魚的坐標在水中的平面定義為EMX，根據直線DY、平面EMX計算魚的三維坐標(Sx, Sy, Sz)，最后根據魚長時間的坐標記錄進行魚的行為分析，結束。
[0017]所述確定魚在養魚箱中三維坐標(Sx，Sy, Sz)是按照如下方式進行:[0018]I)、根據魚在頂面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的直線DY ；
[0019]2)、根據魚在側面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的平面EMX ；
[0020]3)、根據直線DY與平面EMX的唯一交點，找到魚在養魚箱中的三維坐標位置(Sx, Sy, SzX
[0021]三維計算有如下過程:1)安裝并校準攝像機，2)拍攝照片，3)計算魚在所拍照片上的成像坐標，4)根據魚在頂面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的直線，5)根據側面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的平面，6)根據頂面攝像機確定魚的位置在水中所在的直線和側面攝像機確定魚的位置在水中所在的平面的交點確定魚的坐標。
[0022]根據魚在頂面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中的直線的過程是:
[0023]令魚的位置在水中的直線穿過頂面水面點的X坐標FX= (Mx-M/2) XnnXCH/f,
[0024]魚的位置在水中的直線穿過頂面水面點的Y坐標FY= (My-N/2) XnnXCH/f,
[0025]坐標(FX，FY, HH)的點為魚所在直線在Z=HH平面的對應點，記為點DM，令點DM和Z軸決定的平面為DMZ ;在平面DMZ上過DM點平行于Z軸做一條直線，令其為直線DL，過點DM與直線DL負方向做一條直線DY，使得直線DY與直線DL負方向的角度為
【權利要求】
1.一種魚類行為與神經觀察和研究裝置，包括養魚箱、計算機，其特征在于:在養魚箱(I)的一側安裝側面攝像機(2)，在養魚箱的另一側設置安裝支架(8)，安裝支架為倒L型，上面為一平臺，側面有一支撐支架(32)，在安裝支架(8)上面正對養魚箱的頂面安裝頂面攝像機(11)，在安裝支架(8)上安裝固定刺激控制器(6)、轉動臂角度控制步進電機(7)、轉動臂、轉動臂固定支架； 在轉動臂(9)的左右兩個轉動臂支撐臂A臂(29-1)和轉動臂支撐臂B臂(29-2)上安裝左右對稱的兩個刺激水平移動控制裝置(13-1、13-2)，在水平移動裝置上分別安裝兩個刺激高度控制步進電機(12-1、12-2)，刺激高度控制步進電機(12-1、12-2)上連接有高度控制連接線(15-1、15-2)，高度控制連接線(15-1、15-2)分別連接左右兩個刺激作用點(16-1、16-2)，左右兩個刺激作用點上安裝有左右兩個刺激組合； 計算機(4 )通過側面攝像機與計算機連線(3 )與側面攝像機(2 )連接、通過頂面攝像機與計算機連線(17)與頂面攝像機(11)連接、通過刺激控制器與計算機連接線(5 )與刺激控制器(6)連接； 在刺激控制器與刺激作用點(16-1、16-2)之間設置有刺激控制連線(14-1、14-2)。
2.如權利要求1所述的魚類行為與神經觀察和研究裝置，其特征在于:所述刺激控制器(6)由刺激控制單片機、通信接口電路、轉動臂角度步進電機控制電路、電刺激控制電路，以及兩組刺激控制電路組成，刺激控制單片機與通信接口電路雙向連接，刺激控制單片機對轉動臂角度步進電機控制電路、電刺激控制電路，以及兩組刺激控制電路進行控制；兩組刺激控制電路包括A組刺激控制和B組刺激控制，A組刺激控制由高度步進電機A控制電路、水平移動步進電機A控制電路、輸藥泵A控制電路、聲音刺激A控制電路、光刺激A控制電路組成組刺激控制由高度步進電機B控制電路、水平移動步進電機B控制電路、輸藥泵B控制電路、聲音刺激B控制電路、光刺激B控制電路組成。
3.如權利要求1所述的魚類行為與神經觀察和研究裝置，其特征在于:所述轉動臂(9)從上至下由轉動臂齒輪盤(27)、轉動臂安裝連接孔(28)和轉動臂支撐臂組成，轉動臂齒輪盤(27)、轉動臂安裝連接孔(28)和轉動臂支撐臂整體連接，轉動臂安裝連接孔(28)處于轉動臂支撐臂和轉動臂齒輪盤的中央位置，上端連接轉動臂齒輪盤，下端連接轉動臂支撐臂；轉動臂支撐臂分為左右對稱的轉動臂支撐臂A臂(29-1)和轉動臂支撐臂B臂(29-2);轉動臂齒輪盤(27)與安裝在轉動臂角度控制步進電機(7)上的角度控制齒輪(30)嚙合，轉動臂(9)通過轉動臂固定支架(10)穿過轉動臂安裝連接孔(28)安裝到安裝支架(8)上； 所述轉動臂固定支架(10)為帶外絲螺紋(35)的筒形結構，在筒形結構的下方連接有轉動臂支撐面(34)，在筒形結構的中央部分開有頂面攝像機安裝孔(36)，轉動臂固定支架穿過轉動臂安裝連接孔(28)，將轉動臂支撐在轉動臂支撐面(34)上，在筒形結構的上方外側設有轉動臂固定支架安裝外絲螺紋(35)，轉動臂固定支架安裝外絲螺紋(35)與安裝支架(8的轉動臂固定支架安裝內絲螺紋(33)緊固連接固定在安裝支架(8)上。
4.如權利要求1所述的魚類行為與神經觀察和研究裝置，其特征在于:所述刺激水平移動控制裝置包括水平移動步進電機轉輪(38)、水平移動履帶轉輪(39)、水平移動履帶(40),水平移動步進電機(41)、水平移動履帶轉輪支架(42);水平移動步進電機(41)、水平移動履帶轉輪支架(42)安裝在轉動臂支撐臂上，水平移動步進電機轉輪(38)固定在水平移動步進電機(41)上，水平移動履帶(40 )的兩端安裝在水平移動步進電機轉輪(38 )和水平移動履帶轉輪(39 )上，并被水平移動步進電機轉輪(38 )和水平移動履帶轉輪(39 )拉緊，水平移動履帶(40)隨水平移動步進電機轉輪(38)的正向或反向轉動而向左或向右移動； 所述在水平移動裝置上安裝兩個刺激高度控制步進電機(12-1、12-2)，是指刺激高度控制步進電機分別安裝在左右兩個刺激水平移動控制裝置(13-1、13-2)的水平移動履帶上；刺激高度控制步進電機上端設置有高度控制轉輪(43)，高度控制連接線(15-1、15-2)的一端連接在高度控制轉輪(43 )上，另一端連接刺激作用點(16 )。
5.如權利要求1所述的魚類行為與神經觀察和研究裝置，其特征在于:所述刺激控制連線(14)為彈簧彈性連接線，是多種連線的組合，包括聲刺激連接線、光刺激連接數、電刺激連接線、輸藥泵的輸藥管連線； 所述刺激組合包括聲音、光、電、藥物刺激，在刺激作用點上安裝聲刺激的喇口入，光刺激的燈、刺激電極，輸藥管的出口；所述光刺激包括紅光、藍光、綠光刺激，所述光刺激A控制電路和光刺激B控制電路中分別設置有紅色燈、藍色燈和綠色燈；聲、光刺激的輸出做防水處理。
6.一種魚類行為與神經觀察和研究方法，其特征在于:在計算機程序控制下進行，首先確定在一個或2個刺激點通過聲音、光、電、藥物組合中的一種或多種刺激后，魚在養魚箱中三維坐標位置，然后根據魚的三維坐標，進行魚類行為的三維計算、對魚類行為的計算分析，結合魚的行為分析進而進行魚類神經研究； 計算機程序控制流程為:開始后，設置刺激類型為聲、光、電、藥等多種刺激組合，設置一個或兩個刺激點的坐標，根據刺激組合控制聲、光、電、輸藥等刺激電路，根據一個或兩個刺激點的坐標控制轉動臂角度控制步進電機、高度步進電機A、B，水平電機A、B ;采集頂面攝像機和側面攝像機的圖像，根據頂面攝像機圖像計算魚的坐標所在水中的直線方程，并將魚的坐標在水中的直線定義為DY，根據側面攝像機圖像計算魚的坐標在水中的平面方程，將魚的坐標在水中的平面定義為EMX，根據直線DY、平面EMX計算魚的三維坐標(Sx，Sy，Sz)，最后根據魚長時間的坐標記錄進行魚的行為分析，結束；` 所述確定魚在養魚箱中三維坐標(Sx，Sy, Sz)是按照如下方式進行: 1)、根據魚在頂面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的直線DY； 2)、根據魚在側面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的平面EMX ； 3)、根據直線DY與平面EMX的唯一交點，找到魚在養魚箱中的三維坐標位置(Sx, Sy, SzX
7.如權利要求6所述的魚類行為與神經觀察和研究方法，其特征在于:所述三維計算有如下過程:1)安裝并校準攝像機，2)拍攝照片，3)計算魚在所拍照片上的成像坐標，4)根據魚在頂面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的直線，5)根據側面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中所在的平面，6)根據頂面攝像機確定魚的位置在水中所在的直線和側面攝像機確定魚的位置在水中所在的平面的交點確定魚的坐標。
8.如權利要求6所述的魚類行為與神經觀察和研究方法，其特征在于:所述根據魚在頂面攝像機拍攝照片上的成像坐標確定魚的位置在水中的直線的過程是: 令魚的位置在水中的直線穿過頂面水面點的X坐標FX= (Mx-M/2) XnnXCH/f,魚的位置在水中的直線穿過頂面水面點的Y坐標FY= (My-N/2) XnnXCH/f, 坐標(FX, FY, HH)的點為魚所在直線在Z=HH平面的對應點，記為點DM，令點DM和Z軸決定的平面為DMZ ;在平面DMZ上過DM點平行于Z軸做一條直線，令其為直線DL,過點DM與直線DL負方向做一條直線DY，使得直線DY與直線DL負方向的角度為
9.如權利要求7所述的魚類行為與神經觀察和研究方法，其特征在于:所述安裝并校準攝像機的過程是: 頂面攝像機安裝在Z軸上，頂面攝像機成像感光傳感器與Z軸垂直，Z軸經過頂面感光傳感器正中央，頂面感光傳感器的兩邊分別與X軸，Y軸平行； 側面攝像機安裝在X軸上，側面攝像機成像感光傳感器與X軸垂直，X軸經過側面感光傳感器正中央，側面感光傳感器的兩邊分別與Y軸、Z軸平行； 設魚箱的長為2LL，寬為2WW，高為2HH，則魚箱八個角的坐標分別為:(LL，ffff, HH),(LL, -ffff, HH), (-LL, ffff, HH), (-LL, -ffff, HH), (LL, ffff, -HH), (LL, -ffff, -HH), (-LL, ffff, -HH),(-LL, -WW, -HH),頂面攝像機鏡頭的坐標為(0，0，HH+CH),側面攝像機鏡頭的坐標為(LL+CH，0，0)，設頂面攝像機和側面攝像機的鏡頭焦距為f，感光傳感器像素尺寸為nnXnn,頂面攝像機和側面攝像機的橫向像素總數為M，縱向像素總數為N ; 所述拍攝照片是按照如下方式進行:分別設置頂面和側面攝像機工作方式為M-JPEG方式進行攝像拍照，每秒25幀； 所述計算魚在所拍照片上的成像坐標是按照如下進行:計算魚在所拍照片上的成像坐標是分別對頂面攝像機和側面攝像機照片進行如下運算:1)將照片轉換為灰度格式， 2)實驗測試出一個高于魚的亮度，小于沒有魚的水域亮度的二值化門限值， 3)用二值化門限值對圖片進行二值化計算，小于二值化門限為1，大于二值化門限為O， 4)采用3X3的結構點對圖像進行開、閉運算， 5)采用3X3的結構點對圖像進行多次腐蝕運算，直到圖像中沒有取I的像素， 6)選擇最后一張有I的像素的圖片，以照片的像素為坐標單位，左上角為(O，0)坐標，往下的像素依次排序為Y坐標，往右的像素依次排序為X坐標，計算所有取I的像素的Y坐標和X坐標的平均值，將頂面攝像機Y坐標和X坐標的平均值記為My、Mx，My為頂面攝像機所計算得到的魚的Y坐標，Mx為頂面攝像機所計算得到的魚的X坐標；將側面攝像機Y坐標和X坐標的平均值記為Cy，Cx, Cy為側面攝像機所計算得到的魚的Y坐標，Cx為側面攝像機所計算得到的魚的X坐標。
10.如權利要求6所述的魚類行為與神經觀察和研究方法，其特征在于:所述對魚類行為計算分析過程是:在某時刻，取該時刻前2幀的魚坐標作為起點,該時刻后2幀的魚坐標作為終點；將起點和終點連接成直線，根據起點、終點坐標計算直線的長度Lx以及在坐標系中的角度9 ;設每秒采樣圖像為fx幀, 則起點和終點的時間間隔為tx=4/fx秒；該時刻魚的游行速度為Lx/tx;根據角度0和時間的關系計算魚的轉向、上浮、下沉等各時刻的動作；根據各時刻的行動速度與各時刻的轉向、上浮、下沉等行為，分析統計各種行為特性數據，進行魚類的行為分析。
【文檔編號】A01K63/00GK103704164SQ201310720188
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】莫思特, 楊謹瑞, 王秈君, 李文正, 李碧雄 申請人:四川大學