陳雨琦，馮德軍，桂福坤，曲曉玉

（1.浙江海洋大學(xué)國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，舟山 316022；2.浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，舟山 316022）

0 引 言

世界糧農(nóng)組織（FAO）于2020年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告中指出，2018年全球魚類產(chǎn)量達(dá)到1.79億t，其中8 200 萬t來自水產(chǎn)養(yǎng)殖，價(jià)值 2 500億美元；占水產(chǎn)品總量的46%，占人類魚類食用量的 52%[1]。工廠化養(yǎng)殖模式作為一種高效養(yǎng)殖模式，近年來得到了越來越多的重視[2]。截止2019年底，中國工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖面積達(dá)到3 515 萬m3，工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)226 405 t[3]。而在魚類的養(yǎng)殖中，餌料支出約占總成本的 50%～80%[4]，是最主要的可變成本，因此餌料的精準(zhǔn)投喂在經(jīng)濟(jì)方面具有重大意義。此外，過量飼料投喂不僅會(huì)影響魚類的正常生長(zhǎng)，還會(huì)造成水體污染，引起魚類的疾病[5]。而現(xiàn)階段餌料的投喂基本依據(jù)養(yǎng)殖人員的經(jīng)驗(yàn)判斷魚類攝食的餌料需求量，主觀性強(qiáng)，一致性差[6-7]。

為實(shí)現(xiàn)工廠化養(yǎng)殖環(huán)境中的精準(zhǔn)投喂，需要對(duì)魚類攝食行為進(jìn)行更精確的分析與判斷。關(guān)于魚類攝食行為的研究方法主要有高頻聲吶、聲學(xué)標(biāo)簽[8-9]及計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等，其中計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)（Computer View，CV）為一種非入侵式且穩(wěn)定性較好的觀察技術(shù)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[10]。王文靜等[11]通過圖像處理技術(shù)測(cè)量魚面積，建立擬合模型實(shí)現(xiàn)對(duì)水下鲆鰈魚類的質(zhì)量估計(jì)；穆春華等[12]通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，對(duì)分割所得殘餌分辨前景進(jìn)行6種不同特征提取并分類，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的殘餌、糞便的識(shí)別；楊杰超等[13]基于計(jì)算機(jī)視覺提出了在復(fù)雜背景下針對(duì)大黃魚個(gè)體信息提取的方法。在魚類攝食行為的判斷研究方面，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)也扮演了重要的角色，其大致分為2種不同的方法：間接評(píng)估方法（通過對(duì)非魚體如殘餌或水面反光區(qū)域的分析以間接分析魚體的攝食行為）以及直接評(píng)估方法（直接觀察魚體本身進(jìn)行攝食行為分析）。其中，直接評(píng)估方法較間接評(píng)估方法應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟。其主流方法是通過提取攝食圖像的紋理信息實(shí)現(xiàn)分類，陳彩文等[14]利用灰度共生矩陣對(duì)紋理特征分析，得到魚類的攝食活動(dòng)強(qiáng)度；Zhou等[15]利用近紅外圖像，提出了一種基于支持向量機(jī)和灰度梯度共生矩陣的反射幀分類去除方法來量化魚類行為；陳彩文等[16]利用灰度差分統(tǒng)計(jì)法、灰度共生矩陣和馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型提取魚群的13個(gè)紋理特征作為特征向量，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類攝食行為的分類識(shí)別。此外，直接評(píng)估方法中的光流法也經(jīng)常應(yīng)用于攝食行為判斷，例如，趙建[17]借助于Lucas-Kanade光流和信息熵，利用魚群自身攝食行為特征、水體流場(chǎng)變化對(duì)魚群整體攝食活躍程度進(jìn)行量化；陳志鵬等[18]同樣利用 LK光流法計(jì)算魚群的運(yùn)動(dòng)方向矢量，并采用方向熵表征魚群運(yùn)動(dòng)的混亂程度，成功區(qū)分了魚群正常狀態(tài)與攝食狀態(tài)。除上述 2種方法以外，還有許多屬于直接評(píng)估方法的魚類攝食行為研究，例如，張佳林等[19]利用變分自動(dòng)編碼器求出每幀對(duì)應(yīng)高斯均值和方差向量，形成特征矩陣來訓(xùn)練CNN對(duì)魚類攝食行為分類；Atoum等[20]通過對(duì)最優(yōu)選擇區(qū)域?yàn)V波，對(duì)魚類水面上的殘餌進(jìn)行識(shí)別來判斷魚類攝食行為，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖的自動(dòng)投喂；張重陽等[21]提出了一種基于魚群攝食圖像的顏色、形狀和紋理 3種特征融合與機(jī)器學(xué)習(xí)的魚類攝食行為的檢測(cè)方法，并構(gòu)建3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，精度可達(dá)97.1%。

以上方法主要集中于其對(duì)魚群本體的分析，雖然能夠準(zhǔn)確地對(duì)魚類攝食行為進(jìn)行判斷，但會(huì)受到水面反光、魚群擁擠、光線重疊等因素的嚴(yán)重干擾，對(duì)其準(zhǔn)確率造成嚴(yán)重影響。而間接評(píng)估方法雖然應(yīng)用較少，但該方法能夠?qū)?huì)對(duì)正常的魚群前景提取造成嚴(yán)重影響、增大結(jié)果的誤差的水面反光波紋等大多情況下作為需過濾或剔除的強(qiáng)干擾因素作為一種判斷依據(jù)[22-23]，例如，趙建等[24]提出了一種基于Lucas-Kanade光流、統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以及信息熵對(duì)反光區(qū)域變化不規(guī)律程度來評(píng)估魚群攝食活動(dòng)強(qiáng)度。通過對(duì)由魚類攝食行為引起的水面反光區(qū)域變化特征的分析，可以有效避免復(fù)雜魚類目標(biāo)的前景提取和魚群個(gè)體跟蹤，計(jì)算冗余度低，效率較高。故提取水面波紋作為前景特征對(duì)魚類攝食行為進(jìn)行判斷研究。

該研究采用快速傅里葉變換獲得水面波紋的頻譜圖，以此量化魚類攝食行為。傅里葉變換就是將時(shí)域信號(hào)分解成眾多不同頻率的正弦信號(hào)或余弦函數(shù)并疊加之后的和[25-26]。而快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）是在保留了傅里葉變換的奇偶性、虛實(shí)性等特性的基礎(chǔ)上，通過離散傅里葉變換得到的[27]，快速傅里葉變換的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了傅里葉變換的算法，使得運(yùn)算更加方便快捷[28]，且圖像處理方面已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，例如，溫芝元等[29]通過提取傅里葉變換幅度譜并對(duì)其進(jìn)行多重分形分析及多重分形譜的二次擬合來進(jìn)行病蟲害的識(shí)別；周游等[30]提出一種基于圖像傅里葉頻譜徑角變換的紋理特征提取方法，對(duì)藤莖類植物的顯微圖像進(jìn)行了相似性度量測(cè)試并取得更好效果；石康君等[31]在通過傅里葉變換分割頻域信息構(gòu)造特征向量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)織物褶皺程度的評(píng)級(jí)等。目前，該方法尚未應(yīng)用到魚類攝食行為的識(shí)別中。

由于在圖像中，圖像的空間頻率[32]表征了圖像相位變化的快慢程度。圖像中突變（如邊緣和線條）、劇烈起伏變化（如噪聲）的區(qū)域，空間頻率較高。通過對(duì)大量樣本數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，魚群在攝食時(shí)，水面波紋變化劇烈，從而使反光區(qū)域圖像的突變、起伏變化區(qū)域數(shù)量大大增加，因此高頻信息也會(huì)隨之增強(qiáng)，同時(shí)影響頻域中的幅值信息。針對(duì)上述現(xiàn)象，本文提出一種基于傅里葉頻譜特征的魚類攝食行為判斷方法。利用水面波紋前景的提取圖像對(duì)其進(jìn)行頻域分析，并通過對(duì)頻譜濾波分析，擇除幅值變化不明顯的頻率范圍。在該范圍內(nèi)以不同步長(zhǎng)分割幅值，以此作為判斷魚類攝食行為的特征值，若幅值之和較大，說明水花波動(dòng)劇烈，魚類攝食行為強(qiáng)；若幅值之和較小，說明水花波動(dòng)不劇烈，魚類攝食行為弱。以上述結(jié)論構(gòu)建特征向量集后通過支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像樣本的分類。該研究可對(duì)全自動(dòng)的精準(zhǔn)投喂控制提供理論支持和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用羅非魚（Tilapia）作為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)魚均購于廣州市添發(fā)魚苗發(fā)展有限公司。試驗(yàn)時(shí)羅非魚數(shù)目為50條，質(zhì)量為（57±10）g，養(yǎng)殖環(huán)境水溫控制在（29±2）℃[33]，溶氧量為（4.5±0.5）mg/L，pH值為（7.8±0.3），投喂飼料浮性飼料。

1.2 視頻采集

該研究采用如圖1所示的視頻采集裝置，主要包括攝像機(jī)（尼康D90攝像機(jī)）、支架及圓形養(yǎng)殖池。養(yǎng)殖池半徑90 cm，池高80 cm，水位高度（40±2） cm，視頻采集系統(tǒng)中，光源采用普通室內(nèi)光源，攝像機(jī)安裝在養(yǎng)殖池的正上方，攝像頭距離水面70 cm，其采集圖像為24-bit RGB真彩圖像，分辨率為1 280×720像素，采集幀率為24幀/s。

1.3 試驗(yàn)方法

該研究通過量化水面波紋反光的劇烈程度對(duì)魚類攝食行為進(jìn)行判別，因此對(duì)魚群攝食活動(dòng)前后10 min的視頻進(jìn)行分析。首先提取所采集視頻中的水面波紋二值化圖像，并通過二維傅里葉變換將圖片從空間域轉(zhuǎn)化到頻率域。在頻率域中對(duì)可視化傅里葉圖像的各位置進(jìn)行幅值提取，并構(gòu)建環(huán)形濾波器確定幅值變化差異較明顯的頻譜范圍。在該范圍內(nèi)，通過最佳遞增步長(zhǎng)將頻譜圖分割為若干特征子區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每一區(qū)間內(nèi)頻譜幅值之和，并將其作為特征向量，以此量化魚類攝食行為并訓(xùn)練支持向量機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類攝食行為的精準(zhǔn)判斷。本具體算法如圖2所示。

2 圖像處理

2.1 前景提取

對(duì)魚類本體進(jìn)行分析是傳統(tǒng)的判別魚類攝食行為的主要方法，但是其容易受到水花、水體質(zhì)量、陰影等因素的干擾。然而，相關(guān)研究表明，由魚群攝食活動(dòng)引起的水面反光區(qū)域的變化特征能夠在一定程度上表征魚類攝食活動(dòng)的激烈程度[24]。因此，該研究對(duì)水面反光波紋所提取的頻率信息進(jìn)行分析。首先，對(duì)水面波紋進(jìn)行前景提取，去除圖片中的背景干擾。由于在RGB色彩空間中，魚本體及水中雜質(zhì)干擾較多，該研究將圖像從RGB空間（圖3a）轉(zhuǎn)化到HSV空間（圖3b）；其次，提取S分量（飽和度，圖3c）和V分量（亮度，圖3d）。

通過對(duì)比圖3c和3d可以看出，反光區(qū)域的對(duì)比度很低但亮度很高，因此該研究分割公式如下

式中Is(x,y)和Iv(x,y)分別表示圖像在(x,y)處的飽和度值和亮度值，Ts和Tv分別為飽和度閾值和亮度，f(x,y)表示經(jīng)二值化處理后像素點(diǎn)(x,y)的取值（圖3e），f(x,y)值為 1的區(qū)域?yàn)榉垂鈪^(qū)域[17]。該研究中，經(jīng)過提取反光區(qū)域與原圖進(jìn)行多次效果比對(duì)，最終分別確定Ts值為 0.25，Tv值為0.75。

2.2 傅里葉變換

水面反光區(qū)域變化的劇烈程度可以明顯反應(yīng)魚群運(yùn)動(dòng)的不規(guī)律程度，并能夠在頻域中用幅值對(duì)其進(jìn)行量化。該研究利用傅里葉變換提取原始圖片中的頻譜幅值，從而分析原始圖片中波紋（水花）圖像變化的劇烈程度，以此量化魚類攝食欲望程度。傅里葉變換能夠?qū)㈩A(yù)處理所得的圖像波紋信息由空間域變換至頻率域，而快速傅里葉變換能夠提高傅里葉變換的計(jì)算效率。因此，該研究采用快速傅里葉變換對(duì)原始圖像進(jìn)行處理。

傅里葉變換可以看作是數(shù)學(xué)上的棱鏡，將函數(shù)基于頻率分解為不同的成分。圖像的頻率是表征圖像中灰度變化劇烈程度的指標(biāo)，是灰度在平面空間上的梯度。從物理上來看，傅里葉變換是將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻率域，其逆變換是將圖像從頻率域轉(zhuǎn)換到空間域。具體原理可參見相關(guān)文獻(xiàn)[31]。

令f(x,y)代表一幅尺寸為M×N的數(shù)字圖像，由f(u,v)表示f(x,y)的二維傅里葉變換，見公式（2）

式中u=0,1,2,…,M-1；v=0,1,2,…,N-1。其逆變換為

式中x=0,1,2,…,M-1；y=0,1,2,…,N-1；j為虛數(shù)。

由于傅里葉變換后所得空域矩陣f(u,v)內(nèi)值通常為復(fù)數(shù)，無法實(shí)現(xiàn)可視化，因此在本試驗(yàn)中，通過計(jì)算圖像的頻譜，即f(u,v)的幅度，從而將其轉(zhuǎn)化為可視化傅里葉頻譜圖，該方法見公式（4）

式中R(u,v)與I(u,v)分別表示f(u,v)的實(shí)部和虛部。為增強(qiáng)頻譜圖的可觀察性，將所得頻譜圖進(jìn)行居中變換及l(fā)og增強(qiáng)，再對(duì)其以10.5為灰度閾值二值化[34]，攝食狀態(tài)（圖4a）和非攝食狀態(tài)（圖4b）可視化頻譜圖與原圖比較如圖4所示。

已知在進(jìn)行居中變換的可視化頻譜圖中，中心區(qū)域與邊緣四角區(qū)域所代表的頻率高低不同，中心區(qū)域代表高頻信息，邊緣四角區(qū)域代表低頻信息。在相同范圍的頻譜區(qū)域內(nèi)，頻率越高，周期越短，幅值之和相對(duì)較大，說明水花波動(dòng)劇烈，魚類大概率處于攝食狀態(tài)；頻率較低，周期較長(zhǎng)，幅值之和相對(duì)較小，說明水花波動(dòng)不劇烈，魚類大概率處于非攝食狀態(tài)。由圖4可知，在魚類攝食狀態(tài)下波紋頻譜圖具有更多的高頻信息，代表攝食行為更為劇烈。而相同頻率范圍內(nèi)頻率越高，其范圍內(nèi)的幅值總和也會(huì)相應(yīng)增大。此外，傅里葉變換后所得頻譜圖中的頻率信息較原圖像的空間域信息更易提取，表征性也更強(qiáng)。因此，根據(jù)頻譜圖的這一特征，將相同頻率區(qū)間內(nèi) 2種攝食狀態(tài)的幅度值作為判斷魚類攝食行為的特征值。不同環(huán)境條件下，雖然魚類攝食狀態(tài)與非攝食狀態(tài)下的幅值對(duì)比均較為明顯，但劃分不同攝食狀態(tài)的幅值存在較大的差異，較難取得一個(gè)具體的閾值，因此不能通過設(shè)定簡(jiǎn)單的閾值來判斷攝食狀態(tài)。該研究通過對(duì)頻譜幅值提取，作為支持向量機(jī)的特征向量進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)攝食狀態(tài)更精確的判斷。

2.3 特征向量提取

上文所述方法提取的幅度值之和為傅里葉頻譜圖中的所有幅值之和，僅有一組數(shù)據(jù)，缺乏數(shù)據(jù)多樣性，無法為支持向量機(jī)提供充足的特征向量。為增加樣本數(shù)量，縮小實(shí)驗(yàn)誤差，該研究通過不同環(huán)形濾波器對(duì)頻譜圖像進(jìn)行濾波，通過不同內(nèi)徑的環(huán)形濾波器將原始頻譜圖分為不同區(qū)塊，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)塊內(nèi)的幅值之和，以此作為特征向量。環(huán)形濾波器的構(gòu)建如公式（5）所示

式中D(u,v)為選定點(diǎn)距濾波器中點(diǎn)距離，D0為濾波器內(nèi)徑，D1為濾波器外徑。

為進(jìn)一步提高該研究的成功率，在對(duì)每段區(qū)間提取幅值之和后，需要對(duì)攝食行為和非攝食行為幅值數(shù)據(jù)中相同小區(qū)間的幅值之和進(jìn)行對(duì)比，最終舍棄在攝食狀態(tài)變化時(shí)幅值變化不明顯的頻譜范圍，并將剩余區(qū)分度較好的頻率范圍內(nèi)的幅值之和作為構(gòu)建特征向量的數(shù)據(jù)集。

2.4 構(gòu)建支持向量機(jī)

本試驗(yàn)攝食行為分類通過訓(xùn)練支持向量機(jī)分類，主要包括訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本特征數(shù)據(jù)的提取，數(shù)據(jù)的預(yù)處理和支持向量機(jī)的參數(shù)優(yōu)化。

支持向量機(jī)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其通過尋求結(jié)構(gòu)化風(fēng)險(xiǎn)最小來提高學(xué)習(xí)機(jī)泛化能力，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和置信的最小化。其主要思想是建立一個(gè)最優(yōu)決策超平面，使該平面兩側(cè)距離該平面最近的兩類樣本之間的函數(shù)間隔最大化，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的最優(yōu)分類。最優(yōu)超平面示意圖如圖5所示。

由圖5可知，所有在上間隔邊界上方的樣本屬于正類，在下間隔邊界下方的樣本屬于負(fù)類，2個(gè)間隔邊界的距離被定義為邊距，位于間隔邊界上的正類和負(fù)類樣本為支持向量。

本試驗(yàn)由拍攝視頻所得的2 197張波紋圖片中，選取投喂前及攝食完成后的圖片集作為非攝食狀態(tài)圖片集，將投喂后直至攝食完成前的整個(gè)攝食過程的圖片集作為攝食狀態(tài)圖片集。除此之外，舍去2種攝食行為分界時(shí)間節(jié)點(diǎn)附近的、無代表性的模糊圖片。隨機(jī)選取攝食行為和非攝食行為狀態(tài)圖片各150張作為訓(xùn)練圖片集。分別將非攝食狀態(tài)和攝食狀態(tài)的前90張圖片作為訓(xùn)練集，將后60張圖片作為測(cè)試集，即訓(xùn)練集共有180張圖片，測(cè)試集共有120張圖片。對(duì)圖片集進(jìn)行幅值提取并轉(zhuǎn)化為特征向量來訓(xùn)練SVM模型，并通過交叉驗(yàn)證法對(duì)c/g值進(jìn)行優(yōu)化，提高模型識(shí)別準(zhǔn)確率。訓(xùn)練平臺(tái)為MATLAB 2016b和libsmv 3.24工具箱。

3 結(jié)果與分析

3.1 特征向量提取范圍的確定

本文以50為步長(zhǎng)的濾波器對(duì)頻譜圖進(jìn)行濾波，濾波完成后對(duì)所得的頻譜圖進(jìn)行傅里葉逆變換，并對(duì)相同頻率區(qū)間攝食行為和非攝食行為濾波結(jié)果圖片進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6中，在D(u,v)＞50時(shí)，2種狀態(tài)在圖中的區(qū)別較為明顯，攝食行為圖像中反光區(qū)域的離散程度和噪聲明顯高于非攝食行為，而在D(u,v)＜50時(shí)，波紋位置的細(xì)節(jié)較為豐富，而二者差異卻不夠明顯。因此，推測(cè)在選擇頻譜幅值之和作為判斷魚類攝食行為的特征值時(shí)，要舍去影響判斷的模糊范圍，即選擇D(u,v)＞50的頻率范圍。

以上述例子為樣本，為增強(qiáng)該試驗(yàn)結(jié)果的普適性，本文以20張隨機(jī)同種狀態(tài)圖片為一組，每種狀態(tài)5組圖片，統(tǒng)計(jì)每組圖片的幅值并求其均值。本文選取50為步長(zhǎng)的濾波器將兩種狀態(tài)頻譜圖分為各個(gè)不同區(qū)間，并提取各區(qū)間內(nèi)幅值之和，取均值結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，在半徑為0～550的頻率范圍內(nèi)，除0～50子區(qū)間外，所有特征子區(qū)間頻譜幅值均有很好的區(qū)分度，即攝食行為水面反光區(qū)域頻譜圖的幅值之和明顯大于非攝食行為水面反光區(qū)域頻譜圖的幅值之和，與上文論證結(jié)果相同，因此由該方法得出的特征向量提取范圍具有普適性，能夠更好地對(duì)攝食行為進(jìn)行區(qū)分，減少干擾，提高成功率。

3.2 特征向量提取

該研究頻率區(qū)間內(nèi)幅值之和作為特征向量，且幅值之和隨環(huán)形濾波器內(nèi)外徑增大而逐級(jí)遞減。為確定不同分割步長(zhǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確率的影響，本文分別以不同寬度的環(huán)形濾波器在頻率區(qū)域內(nèi)進(jìn)行頻譜濾波，并對(duì)其分類準(zhǔn)確率分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

由表1可知，步長(zhǎng)位于70～90之間時(shí)，可以獲得較好的分類效果且產(chǎn)生的特征子區(qū)間數(shù)較少，訓(xùn)練時(shí)間相應(yīng)也較少。因此在本文中，選擇90為步長(zhǎng)對(duì)特征向量提取范圍進(jìn)行分割，所得到的子區(qū)間從小到大依次為[50,140]、(140,230]、(230,320]、(320,410]、(410,500]、(500,550]。通過提取特征子區(qū)間內(nèi)的幅值之和，在 300個(gè)樣本中，構(gòu)建訓(xùn)練集和測(cè)試集的數(shù)據(jù)樣本，并以此構(gòu)建訓(xùn)練集和測(cè)試集，訓(xùn)練支持向量機(jī)。

表1 不同分割步長(zhǎng)的分類準(zhǔn)確率及平均訓(xùn)練時(shí)間Table 1 Classification accuracy and mean training time of different split steps

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理和參數(shù)選擇

本文采用支持向量機(jī)對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行分類預(yù)測(cè)。其對(duì)沒有歸一化前的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到KKT（Karush-Kuhn-Tucker conditions）條件，即滿足最優(yōu)解的必要條件，導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)，歸一化能夠方便后期數(shù)據(jù)的處理，并保證程序運(yùn)行時(shí)收斂加快，但是并不是所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行規(guī)范化。在該研究中，將數(shù)據(jù)歸一化至[-1,1]與未歸一化后分類準(zhǔn)確率進(jìn)行了研究比對(duì)，結(jié)果顯示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化后，攝食行為的分類準(zhǔn)確率能夠達(dá)到 98.3%，較歸一化前的42.5%有大幅提高。

在支持向量機(jī)中，數(shù)據(jù)歸一化后，還需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇。支持向量機(jī)中，核函數(shù)寬度g與懲罰系數(shù)c對(duì)支持向量機(jī)分類準(zhǔn)確率影響較為明顯。核函數(shù)能夠?qū)⑻卣飨蛄坑成涞礁呔S空間中，使原本線性不可分的數(shù)據(jù)變?yōu)榭煞郑欢鴳土P系數(shù)權(quán)衡了經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，即懲罰系數(shù)越大，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)越小，風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)越大，則越容易出現(xiàn)過擬合；懲罰系數(shù)越小，經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)越大，風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)越小，則容易出現(xiàn)欠擬合。為提取到較好的參數(shù)，本文采用交叉驗(yàn)證法提取參數(shù)，從數(shù)據(jù)集中按一定比例選取若干數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集，并將模型輸出的預(yù)測(cè)值與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的因變量進(jìn)行比較，提取出分類準(zhǔn)確率最高的系數(shù)組合。本文進(jìn)行了多次交叉驗(yàn)證，并對(duì)每一組的分類準(zhǔn)確率（accuracy=標(biāo)簽正確數(shù)/總數(shù)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選取準(zhǔn)確率最高的5組系數(shù)如下表2所示。

表2 多次交叉驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparative results of multiple cross-validation results

由表2結(jié)果可知，交叉驗(yàn)證法所得c/g參數(shù)分類成功率均能達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。由于懲罰系數(shù)c越高將會(huì)造成過學(xué)習(xí)狀態(tài)，使驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率虛高，而由于本文數(shù)據(jù)集充足，不必考慮欠擬合狀態(tài)，因此本文選擇懲罰系數(shù) c最小、準(zhǔn)確率最高的一組數(shù)據(jù)作為最佳c和g，即c為1.56×10-2，g為 0.29。

3.4 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

將本文方法與其他基于機(jī)器視覺的魚類攝食行為判斷方法進(jìn)行訓(xùn)練測(cè)試后，結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 各方法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of detection results of each method

基于形狀和紋理特征的魚類攝食狀態(tài)檢測(cè)方法的準(zhǔn)確率最低，其原因是該方法僅考慮魚群圖像的靜態(tài)特征變化信息，容易將非攝食狀態(tài)下的魚類聚集現(xiàn)象誤判斷為攝食行為。并且，前2種方法均對(duì)魚群本體進(jìn)行分析，容易受到渾濁水質(zhì)、水面反光等因素的影響，因此成功率較本文方法較低。由于該研究需要對(duì)首先對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行采集訓(xùn)練，以成功搭建支持向量機(jī)模型，因此測(cè)試運(yùn)行時(shí)間大部分集中在對(duì)數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練上，而實(shí)際檢驗(yàn)樣本所耗時(shí)間在1 s內(nèi)；此外，在相同養(yǎng)殖池環(huán)境中，該模型可重復(fù)使用，無需多次訓(xùn)練，因此在實(shí)際工廠化養(yǎng)殖環(huán)境中，綜合效率將明顯高于其余方法。

該研究在工廠化養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境下，通過對(duì)魚群攝食行為所造成的水面反光區(qū)域，并通過對(duì)傅里葉頻譜圖的分析來量化其區(qū)域變化的劇烈程度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類攝食狀態(tài)的判斷。該研究不需要對(duì)魚群本體進(jìn)行任何提取和分析，因此能夠有效地避免水質(zhì)渾濁、水面反光、魚影重疊等復(fù)雜問題，對(duì)魚群的攝食行為判斷具有較高的準(zhǔn)確率和普適性。因此該研究可以應(yīng)用于工廠化養(yǎng)殖魚類的攝食行為判斷與精準(zhǔn)投喂研究。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于傅里葉頻譜特征的魚類攝食行為判斷方法。通過傅里葉變換及頻域?yàn)V波確定特征向量提取范圍，統(tǒng)計(jì)該范圍內(nèi)頻譜幅值之和作為判斷魚類攝食行為的特征值，并通過支持向量機(jī)進(jìn)行分類預(yù)測(cè)，取得了較好的分類效果。研究結(jié)果如下：

1）將魚類攝食過程的圖像從空間域轉(zhuǎn)換為頻率域可以方便特征向量的提取。在50～150的頻率范圍內(nèi)，通過步長(zhǎng)為 50的環(huán)形濾波器提取頻譜幅值，以此量化魚類攝食過程水面波紋的離散程度，進(jìn)而判別魚類的攝食行為。

2）對(duì)支持向量機(jī)模型的特征向量提取進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合交叉驗(yàn)證法的測(cè)試結(jié)果篩選出核函數(shù)寬度和懲罰系數(shù)2個(gè)評(píng)價(jià)系數(shù)，當(dāng)2個(gè)系數(shù)分別取1.56×10-2和0.29時(shí)效果最好，識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率為99.24%。

在實(shí)際工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖中，可以對(duì)魚群攝食行為的視頻數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行提前訓(xùn)練，并對(duì)比選定合適的閾值，得到判斷魚類攝食行為的分類器，并將其置于養(yǎng)殖的投喂控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類的精準(zhǔn)投喂。

然而，實(shí)際養(yǎng)殖過程中，當(dāng)養(yǎng)殖對(duì)象的大小和體長(zhǎng)等不足以對(duì)水面造成反光區(qū)域明顯變化時(shí)，該研究所提出的對(duì)魚類攝食判斷方法的可實(shí)施性將會(huì)明顯降低。并且該方法也需通過對(duì)魚類的定時(shí)投喂（即魚類的攝食規(guī)律）為基礎(chǔ)，而魚類的攝食規(guī)律將會(huì)受到各種客觀因素如養(yǎng)殖環(huán)境、個(gè)體大小等影響。因此探索不完全依賴于養(yǎng)殖對(duì)象的攝食習(xí)性和規(guī)律的精準(zhǔn)投喂方法將是下一步研究的目標(biāo)和重點(diǎn)。