NO335224B1

NO335224B1 - System og fremgangsmåte for telling av dyreplankton

Info

Publication number: NO335224B1
Application number: NO20130147A
Authority: NO
Inventors: Morten Alver; Yngve Attramadal
Original assignee: Sinvent As
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2013-01-28
Publication date: 2014-10-20
Also published as: MX2015009649A; CA2899194A1; EP2948753B1; BR112015017887A2; WO2014116120A1; ES2660064T3; IL240089B; US20150356725A1; JP2016506726A; JP6200519B2; KR20150137047A; US9691144B2; PT2948753T; EP2948753A1; MX355628B; NO20130147A1; HRP20180170T1; SG11201505729WA; IL240089A0; CL2015002091A1

Abstract

Fremgangsmåte og system for tetthetsmåling av dyreplankton in situ i en vandig løsning er beskrevet. Fremgangsmåten omfatter innhenting av minst ett bilde av et volum V av den vandige løsningen; prosessering av det minst ene bilde og identifisering av partikler i bildet; analysering av de identifiserte partiklene basert på en skarphet for hver partikkel, og identifisering av dyreplankton som skal telles.

Description

INNLEDNING

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning og en fremgangsmåte for telling av dyreplankton i et væskemedium, og spesielt copepoder i et vandig medium.

BAKGRUNN

Det er velkjent at copepoder er en slags "vitaminbombe" for fiskeyngel. Copepoder er en type dyreplankton, og næringsverdien blir ansett som bedre enn næringsverdien til hjuldyr. Siktemålet er å produsere copepode-egg som kan høstes og renses for videresalg. Når de brukes som mat til fisk, blir eggene dyrket og klekket, og de resulterende copepodene blir brukt til å mate fisken. Copepoder kan brukes som for for marine fiskelarver i f.eks. et oppdrettsanlegg eller et akvarium. Gode resultater har også blitt oppnådd med copepode-egg som startfor for yngel fra sjeldne akvariefisker. Copepodene kan være av type, Acartia tonsa.

I et stort produksjonsanlegg for copepoder for produksjon av copepode-egg, er det ønskelig å tilveiebringe en automatisk prosess for eggproduksjonen. Manu-ell telling av copepode-tettheter er tidkrevende, og av denne og andre grunner bidrar produksjonen av levende mat til en betydelig del av produksjonskostnadene for marine fiskeslag. Copepode-anlegg krever i dag nærvær av en menneskelig operatør for å distribuere foret i samsvar med vekst og tetthet av copepoder. For å muliggjøre bedre overvåkning av copepod-kulturene og fortettheter i larvetanker, er det nødvendig med en mer effektiv målemetode. Ved å utnytte det faktum at copepoder kan sjeldnes visuelt i størrelse og form fra andre partikler som befinner seg i vannkulturen, kan telleprosessen automatiseres.

En automatisk prosess for telling av hjuldyr i en vannkultur er skjematisk illustrert på fig. 1 og beskrevet i M.O. ALVER mfl.: "Automatic measurement of rotifier Brachionus plicatilis densities in first feeding tanks"; Aquacultural Engineering 36 (2007) 115-121. En avbildningsboks er forsynt med et objektglass inni. Datastyrte pumper og ventiler gjør det mulig å trekke prøver automatisk ut fra én eller flere foringstanker inn i objektglasset inne i avbildningsboksen. Objektglasset leverer et definert volum ved en avstand fra det digitale kamera. Avstanden mellom glassplatene kan velges avhengig av det ønskede prøvevolumet og fokusdybden til kameraet. For høye densiteter bør en kortere avstand velges for å redusere risikoen for overlapping av hjuldyr i bildet. Hjuldyrene i volumet blir fotografert av det digitale kamera, og det digitale bildet blir behandlet ved hjelp av bildeprosessering for å oppnå en hjuldyr-tetthet (eller densitet) inne i det faste volumet. Belysning blir tilveiebrakt ved hjelp av 16 lysemitterende dioder montert i et kvadrat med fire dioder langs hver side. Kvadratet er anordnet slik at den konusen som er synlig for kameraet, faller inn mellom de lysemitterende diodene. Dette oppsettet tilveiebringer mørkfelt-tilstander hvor lys blir reflektert av partikler i vannet, noe som får hjuldyr og andre partikler til å opptre i bildene som lyse flekker mot en mørk bakgrunn. Mørkfelttilstandene gir bilder med bedre kontrast enn lysfelttilstander.

Prinsippene for hjuldyrtelleren kan brukes for organismer som beveger seg tilstrekkelig langsomt eller ikke reagerer sterkt på stimuli slik som pumping eller lys. Organismer slik som copepodit av type Acartia, og mange andre arter, beveger seg hurtig, reagerer på trykkgradienter forårsaket av pumping og oppviser sterke dragninger mot lys. Ved pumping av prøver fra en tank ødelegger denne oppførselen forutsetningen om at plankton-tettheten i målevolumet er lik tettheten i tanken.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Oppfinnelsen tilveiebringer en løsning på de problemene som er identifisert ovenfor.

Ifølge et første aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte for måling av tettheten eller densiteten av dyreplankton in situ i en vandig løsning, hvor fremgangsmåten omfatter: - å innhente minst ett bilde av et volum V av den vandige løsningen; - å behandle det minst ene bilde og identifisere partikler i bildet; - å analysere de identifiserte partiklene basert på en skarphet for hver partikkel, og

- identifisere dyreplankton som skal telles.

Analyse av skarpheten til hver partikkel kan omfatte sporing av en områdegrense for hver identifiserte partikkel. Analyse av en skarphet for hver partikkel kan videre også omfatte beregning av en intensitetsgradient for hver piksel langs områdegrensen for hver partikkel fra det minst ene bildet basert på en endrings rate for intensitet mellom nabopiksler og beregning av en midlere intensitetsgradient for alle piksler langs områdegrensen for hver partikkel. Analyse av en skarphet av hver partikkel kan videre omfatte korrigering av den gjennomsnittlige intensitetsgradienten for generelt kontrastnivå i det minst ene bildet.

Fremgangsmåten kan videre omfatte filtrering av de identifiserte partiklene i det minst ene bilde basert på formparametere som identifiserer hvilke partikler som er dyreplankton som skal telles. En belysningsanordning for belysning av volumet av den vandige løsningen kan reguleres i vekselvirkning med innhenting og prosessering av bildet.

Ifølge et annet aspekt tilveiebringer oppfinnelsen et system for tetthetsmåling av dyreplankton in situ i en vandig løsning, omfattende en avbildningsanordning for å innhente minst ett bilde av et volum V av den vandige løsningen; en plate anordnet ved en avstand fra avbildningsanordningen idet avstanden og en synsvinkel for avbildningsanordningen definerer volumet V av den vandige løsningen som avbildes av avbildningsanordningen; og en bildebehandlingsanordning som utfører bildeprosessering av det minst ene bilde fra avbildningsanordningen for å identifisere partikler i bildet, analysere de identifiserte partiklene basert på en skarphet for hver partikkel, og identifisere dyreplankton som skal telles.

I en ytterligere utførelsesform, kan avbildningsanordningen omfatte et kamerahus som innbefatter minst ett digitalt kamera. Minst én belysningsanordning er anordnet for å belyse volumet av den vandige løsningen. En styringsenhet kan være tilveiebrakt for styring av avbildningsanordningen og belysningsanordningen basert på tilbakemelding fra bildebehandlingsanordningen.

I ytterligere aspekter, tilveiebringer oppfinnelsen anvendelse av systemet og fremgangsmåten som er beskrevet ovenfor, for å fastslå en tetthet av dyreplankton copepoder i en vandig løsning. Systemet og fremgangsmåten kan også brukes til regulering av fordelingen av mat til copepoder i et automatisk produksjonsanlegg for dyreplanktonegg. Dyreplanktonet kan være copepoder.

Ifølge et ytterligere aspekt, tilveiebringer oppfinnelsen også et dataprogram innrettet for å bli utført i en datamaskin som omfatter en prosessor og et lesbart lagringsmedium for å utføre den ovennevnte fremgangsmåten. Ifølge nok et ytterligere aspekt tilveiebringer oppfinnelsen et dataprogramprodukt med lagrede instruksjoner for å utføre den fremgangsmåten som er angitt ovenfor.

Med foreliggende oppfinnelse blir antall dyreplankton talt på stedet i den vandige løsningen. Dyreplanktonet blir ikke forstyrret av pumping, strømmer indu-sert i løsningen eller sterkt lys. Dette gir en enkel og pålitelig måling uten å for-styrre eller skade dyreplanktonet som skal måles. Målingen er ikke avhengig av bevegelige deler eller rør og objektglass som må skiftes ut, og kan produseres til lav pris.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Eksempler på utførelsesformer av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de etterfølgende tegningene, hvor: Fig. 1 viser en oversikt over en hjuldyrteller ifølge kjent teknikk; Fig. 2 viser et arrangement av lyskilder, objektglass og en kameralinse i forbindelse med den tidligere kjente hjuldyrtelleren som er vist på fig. 1; Fig. 3a og 3b viser en skjematisk skisse over en teller for dyreplankton ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen; Fig. 3c viser en skjematisk skisse av et system for telling av dyreplankton ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen hvor telleren for dyreplankton er neddykket i en vandig løsning; Fig. 4 viser et eksempel på bruk av telleren ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen for telling av Acartia tonsa som viser et bilde hvor to individer er i fokus; Fig. 5 viser et eksempel på bruk av telleren ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen for telling av Acartia tonsa som viser et bilde hvor et antall individer er i forskjellige grader av fokus; Fig. 6 viser et eksempel på bruk av telleren ifølge en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse for telling av av Acartia tonsa hvor tettheten av copepoder er vist som en funksjon av tid; Fig. 7 viser et eksempel på anvendelse av telleren ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen forsynt med to lyskilder, hvor et bilde viser et antall individuelle Acartia tonsa i forskjellige grader av fokus.

DETALJERT BESKRIVELSE

Fig. 3a viser en in situ teller for dyreplankton i en vandig løsning. Et kamera er anordnet i et vanntett kamerahus. Kamerahuset er forsynt med et vindu for kameraet. Kameraet er fortrinnsvis et digitalt kamera som leverer et digitalt bilde med piksler, men andre digitale avbildningsanordninger kan også tenkes. En bakgrunnsplate er anordnet foran kameraet parallelt med kameralinsen. Kameraets siktlinje faller innenfor det område som defineres av bakgrunnsplaten. Bakgrunnsplaten kan være festet til en arm forbundet med kamerahuset. Bakgrunnsplaten er hvit for å oppnå god kontrast for det dyreplanktonet som skal fotograferes. Som vist på fig. 3b, definerer synsvinkelen til kameralinsen og avstanden mellom kameralinsen og bakgrunnsplaten et volum, V, fotografert av kameraet. Innenfor V er det et mindre volum, V2, begrenset av et fokusintervall for linsen hvor partikler i vannet blir skarpt innfanget.

En lyskilde er anordnet på én side av kameraet for å belyse volumet V som skal fotograferes. Lyskilden leverer fortrinnsvis hvitt lys og kan være en lysemitterende diode (LED) eller en annen egnet lyskilde. Lyskilden kan være festet til kamerahuset eller armen som er forbundet med kamerahuset. I en ytterligere ut-førelsesform kan kamerahuset være forsynt med to lyskilder anordnet på hver side av kameraet. Dette muliggjør en jevnere og sterkere belysning og gir sterkere kontrast mellom den hvite bakgrunnsplaten og dyreplanktonet i det volumet som skal fotograferes.

Kamerahuset med avstandsarm og plate er innrettet for å bli neddykket i den tanken som inneholder den vandige løsningen med dyreplankton som skal overvåkes, som vist på fig. 3c. Kamerahuset kan f.eks. også være anordnet på en stang for å kunne arrangeres i forskjellige stillinger inne i tanken. Stangen kan være forbundet med et motorisert arrangement. I utførelsesformen på fig. 3c er det vist en utførelsesform med et kamera på en stang. Stangen kan beveges i alle retninger for posisjonering hvor som helst inne i tanken. Pilene på fig. 3c kan indikere bevegelse i to retninger for å forenkle tegningen, men andre retninger er også mulige. Kameraet kan bevege seg opp og ned på stangen. Kameraet er forbundet med en datamaskin for å analysere bildene, for å styre kameraet, lyskildene og det motoriserte arrangementet. Datamaskinen styrer avbildnings anordningen og belysningsanordningen basert på feedback fra bildebehandlingsanordningen.

Kameraet er forbundet med en styringsanordning med programvare for telling av dyreplankton. Styringsanordningen kan være en vanlig datamaskin med et styringsgrensesnitt. Programvaren er forsynt med en bildebehandlingsalgoritme ifølge oppfinnelsen som vil bli nærmere forklart nedenfor. Lyskildene blir drevet av en lysmodul. Lysmodulen er forbundet med styringsanordningen. Styringsanordningen omfatter også et lysstyrings-grensesnitt som regulerer lyskilden. Styregrensesnittene for lyskilden og kameraet blir koordinert av programvaren som implementerer bildebehandlings-algoritmen. Lyskilden tilveiebringer fortrinnsvis bare lys i korte perioder når et nytt bilde skal tas, for å minimalisere effekten på oppførselen til dyreplanktonet.

Kameraet i in-situ telleren innhenter et antall bilder av volumet V inne i den vandige løsningen med dyreplankton. Et bilde kan være tilstrekkelig til å telle antall dyreplankton ved et gitt tidspunkt, men vanligvis blir et antall påfølgende bilder innhentet og analysert for å tilveiebringe et mer nøyaktig estimat av tettheten av dyreplankton i den vandige løsningen ved et gitt tidspunkt. Hvis et antall påfølgende bilder blir innhentet, blir hvert bilde behandlet eller prosessert separat, og så blir et gjennomsnitt av antallet dyreplankton estimert. Det minst ene bilde blir prosessert ved hjelp av bildebehandlings-algoritmen, og partiklene i bildet blir identifisert. De identifiserte partiklene blir videre analysert med hensyn til en skarphet for hver partikkel, og dyreplanktonet som skal telles blir identifisert. Analyse med hensyn til en skarphet for hver partikkel gjør det mulig å filtrere ut partikler utenfor brennvidden til kameralinsen for derved å tilveiebringe telling av dyreplankton innen det definerte volumet V2.

Ytterligere detaljer ved bildebehandlings-algoritmen er gitt nedenfor. Bildebehandlingsalgoritmen tilveiebringer følgende trinn: 1. Glatting av intensitet. Bildet blir delt opp i et antall på (n x m) deler, f.eks. 5x5 deler. Den gjennomsnittlige (middelverdi eller median) intensiteten blir beregnet for pikslene i hver del, og så justert opp eller ned for hver del basert på et avvik fra en middelverdi av de gjennomsnittlige intensitetene for antallet deler (n x m) (f.eks. 5x5 deler). Justeringen blir interpolert i hver piksel for å unngå skarpe

gradienter på grensene mellom delene.

2. Glatting av bildet for å fjerne lysfrekvensvariasjoner.

3. Terskelfiltrering av bildet for å tilveiebringe et binært område. Terskelfiltrering av bildet blir utført ved et nivå mellom det gjennomsnittlige intensitetsnivået til bildet og det mørkeste pikselet i bildet, ved en minste distanse fra det gjennomsnittlige nivået. Vektingen av det gjennomsnittlige intensitetsnivået sammenlignet med det mørk-este nivået for å finne terskelnivået, er justerbart avhengig av belys-ningen av volumet som fotograferes av kameraet og det dyreplanktonet som skal måles. De resulterende imaginære bildene blir reversert slik at piksler mørkere enn terskelnivået, blir hvite, og de

gjenværende pikslene sorte.

4. Erosjon av det reverserte binære bilde for å fjerne små partikler (partikler som bare dekker et lite antall piksler, typisk 1-10 piksler i denne forbindelse). Fjerning av disse små partiklene reduserer

beregningstiden for den ytterligere bildeprosesseringen av bildet.

5. Partiklene i det binære bilde, som er samlokaliseringer av hvite piksler som er forbundet med hverandre, blir så filtrert etter størrelse. Partikler langs bildekantene blir forkastet, og de gjenværende partiklene blir analysert med hensyn til skarphet. Analyse med hensyn til skarphet blir utført ved først å spore områdegrensen til hver partikkel. For hvert piksel langs områdegrensen til en partikkel, blir intensitetsgradienten beregnet fra det opprinnelige bilde, dvs. det bilde som er innhentet før begynnelsen av bildeprosesseringen i trinn 1) basert på endringsraten til intensiteten mellom nabopiksler. Skarpheten til partikkelen blir definert som den midlere gradienten til alle pikslene langs områdegrensen for partikkelen, korrigert for et generelt kontrastnivå i det opprinnelige bilde. Alle partikler med

skarphet under et visst nivå blir forkastet. Dette representerer en

utfiltrering av partikler utenfor fokusintervallet til kameralinsen.

6. De gjenværende partiklene etter filtrering basert på skarphet, kan ytterligere filtreres ved å bruke velkjente formparametere slik som sirkularitetsfaktor, langstrakthet, treghetsmomenter, konvekst areal og kompakthet for å beslutte hvilke partikler som er av dyreplankton-typen som skal telles, og hvilke som er detritus eller andre organismer.

Bildebehandlingslogaritmen som er beskrevet ovenfor, resulterer i et antall identifiserte partikler som skal telles. Alle disse identifiserte partiklene blir så målt i det prosesserte bilde med hensyn til størrelse i piksler, og denne størrelsen målt i piksler kan så omdannes til et tilnærmet volumestimat for hvert dyreplankton.

Prinsippet kan potensielt anvendes på et bredt område med planktonlign-ende organismer, innbefattende fiskelarver.

Eksempler

Telleren ble testet i et akvarium med først en høy tetthet av copepoder, og så en lav tetthet av copepoder. Bobling av akvariet ble tilveiebrakt for å skape rolig sirkulasjon i akvariet. Telleren ble satt til å lagre omkring 500 bilder i timen for hver tetthet med tilnærmet 7 sekunder mellom hvert bilde.

Fig. 4 viser et eksempel på et bilde etter bildeprosessering basert på skarphet med to copepoder i fokus. Fig. 5 viser resultatet etter bildeprosessering basert på skarphet med individuelle copepoder i forskjellige grader av fokus. Bare copepoder med tilstrekkelig skarphet blir talt, idet de gjenværende copepodene blir filtrert ut. På fig. 5 er bare én av copepodene, den som er i det øvre hjørne, skarp nok til å bli talt. Terskelen for tilstrekkelig skarphet er fastsatt på forhånd for kamera- og belysningsoppsettet basert på visuell inspeksjon av bilder.

Et eksempel på en tetthetstelling ved gitte tidspunkter er gitt på fig. 6, hvor et bilde blir innhentet omtrent hvert annet minutt. Antallet individuelle copepoder ble talt pr. bilde i testen, og tettheten av copepoder ble estimert. Copepod-tettheten er plottet som en funksjon av tid. Tallene for copepod-tetthet på fig. 6 er ukalibrerte tall, men de relative variasjonene mellom antallene er korrekt. Kalibre-ring av telleren kan utføres ved sammenligning med manuelle tellinger av copepoder. Den perpendikulære linjen indikerer det tidspunkt ved hvilket tettheten av copepoder ble redusert. Antallet copepoder talt av telleren og dermed estimert copepod-tetthet, følger reduksjonen av tettheten.

Fig. 7 viser et eksempel hvor to lysemitterende dioder ble brukt. Bildet viser 4-5 individuelle copepoder i forskjellige grader av fokus; dvs. at noen copepoder er i fokus mens andre er mindre i fokus. Skarpheten blir bestemt for hver av de fire individene. Individet nærmest midten av bildet og det som er over og til høyre for midten, har tilstrekkelig skarphet til å bli talt. Testene viser at god kontrast blir oppnådd ved bruk av to lysemitterende dioder. Lukketiden til kameraet bør fortrinnsvis være så lav som mulig (omtrent 6-7 ms), noe som gir god skarphet når det er en viss bevegelse av copepodene i det volumet som skal fotograferes.

Etter å ha beskrevet foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen, vil det være opplagt for fagkyndige på området at andre utførelsesformer som innbefatter de beskrevne konseptene, kan benyttes. Disse og andre eksempler på den oppfinnelsen som er illustrert ovenfor, er kun ment som eksempler, og det aktuelle omfanget av oppfinnelsen skal bestemmes av de følgende patentkrav.

Claims

1. Fremgangsmåte for måling av tettheten av dyreplankton in situ i en vandig løsning, hvor fremgangsmåten omfatter: - å innhente minst ett bilde av et volum V av den vandige løsningen; - å prosessere det minst ene bilde og identifisere partikler i bildet; - å analysere de identifiserte partiklene basert på en skarphet for hver partikkel; og - å identifisere dyreplankton som skal telles.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor analyse av en skarphet for hver partikkel videre omfatter å spore en områdegrense for hver identifiserte partikkel.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor analyse av en skarphet for hver partikkel videre omfatter: - å beregne en intensitetsgradient for hvert piksel langs områdegrensen for hver partikkel fra det minst ene bilde basert på en endringsrate for intensitet mellom nabopiksler, og - å beregne en midlere intensitetsgradient for alle pikslene langs områdegrensen for hver partikkel.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor analyse av en skarphet for hver partikkel videre omfatter å korrigere den midlere intensitetsgradienten for et generelt kontrastnivå i det minst ene bilde.

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, videre omfattende - å filtrere de identifiserte partiklene i det minst ene bilde basert på formparametere som identifiserer hvilke partikler som er dyreplankton og som skal telles.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, videre omfattende styring av en belysningsanordning for belysning av det volumet av den vandige løsningen som er i vekselvirkning med bildeinnhenting og bildeprosessering.

7. System for tetthetsmåling av dyreplankton in situ i en vandig løsning, omfattende: - en avbildningsanordning for å innhente i det minste et bilde av et volum V av den vandige løsningen; en plate anordnet i en avstand fra avbildningsanordningen, hvor avstanden og en synsvinkel for avbildningsanordningen definerer volumet V av den vandige løsningen som avbildes ved hjelp av avbildningsanordningen; og - en bildebehandlingsanordning for å utføre bildeprosessering av det minst ene bilde fra avbildningsanordningen for å identifisere partikler i bildet, analysere de identifiserte partiklene basert på en skarphet for hver partikkel, og identifisere dyreplankton som skal telles.

8. System ifølge krav 7, hvor avbildningsanordningen omfatter et kamerahus som innbefatter minst ett digitalt kamera.

9. System ifølge krav 7 eller 8, videre omfattende minst én belysningsanordning for å belyse volumet av den vandige løsningen.

10. System ifølge kravene 7-9, videre omfattende en styringsenhet som styrer avbildningsanordningen og belysningsanordningen basert på feedback fra bildebehandlingsanordningen.

11. Anvendelse av systemet ifølge et av kravene 7-10 til å etablere en tetthet av dyreplankton av typen copepoder i en vandig løsning.

12. Anvendelse av systemet ifølge et av kravene 7-10 til å regulere fordelingen av for til copepoder i et automatisk produksjonsanlegg for dyreplanktonegg.

13. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-6 for å etablere en tetthet av dyreplankton i en vandig løsning.

14. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-6 for regulering av fordelingen av for til dyreplankton i et anlegg for produksjon av copepode-egg.

15. Anvendelse ifølge noen av kravene 11-14, hvor dyreplanktonet er copepoder.

16. Dataprogram innrettet for å bli utført i en datamaskin omfattende en prosessor og et lesbart lagringsmedium, for å utføre fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-6.

17. Dataprogramprodukt med lagrede instruksjoner for å utføre fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-6.