ICS

CCS

T/CAAMMXXXX—202X/T/NJXXXX—202X

奶牛體尺自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范

Automaticdetectiontechnicalspecificationofdairycowbodysize

（征求意見(jiàn)稿）

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施

發(fā)布

T/CAAMMXXXX—202X/T/NJXXXX—202X

奶牛體尺自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了奶牛體尺自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范，包括相關(guān)的術(shù)語(yǔ)與定義、奶牛深度圖像采集技術(shù)規(guī)范、奶牛

體表點(diǎn)云的三維重建技術(shù)規(guī)范和奶牛體尺參數(shù)的提取技術(shù)規(guī)范。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于奶牛體尺參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅

該日期的對(duì)應(yīng)版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T16568-2006奶牛場(chǎng)衛(wèi)生規(guī)范

GB/T20014.8-2013良好農(nóng)業(yè)規(guī)范第8部分：奶?？刂泣c(diǎn)與符合性規(guī)范

GB/T35568-2017中國(guó)荷斯坦牛體型鑒定技術(shù)規(guī)程

GB/T41194-2021肉用母牛體況評(píng)分技術(shù)規(guī)范

GB/T3157-2023中國(guó)荷斯坦牛

GB/T40659-2021智能制造機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試方法

3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1

奶牛體尺bodysizeofdairycows

奶牛體尺是判斷奶牛外形的一種指標(biāo)。指以長(zhǎng)度、角度、面積為單位，以數(shù)字表示奶牛表各部位的大小，

如體高、體長(zhǎng)、胸圍等。

3.2

深度圖像depthimage

深度圖像也被稱為距離影像，是指將從圖像采集器到場(chǎng)景中各點(diǎn)的距離（深度）作為像素值的圖像，它

直接反映了目標(biāo)可見(jiàn)表面的幾何形狀。

3.2

三維點(diǎn)云3Dpointcloud

三維點(diǎn)云是一種用于表示三維空間中對(duì)象或場(chǎng)景的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在最基礎(chǔ)的形式中，它是一個(gè)包含多個(gè)三

維坐標(biāo)點(diǎn)的集合。

3.3

點(diǎn)云配準(zhǔn)pointcloudregistration

點(diǎn)云配準(zhǔn)是指將不同位置或視角獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，以實(shí)現(xiàn)不同位置或視角的點(diǎn)云之間的一致

性和對(duì)齊，從而提供更全面、準(zhǔn)確的三維信息。

3.4

1

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體尺測(cè)點(diǎn)keymeasurementpointsforbodysize

為了獲取體尺參數(shù)需要定位的牛體關(guān)鍵點(diǎn)。

3.5

臀寬hipwidth

牛體坐骨結(jié)節(jié)位置的兩個(gè)突起之間的寬度。

3.6

腹寬abdominalwidth

牛體腹部?jī)蓚?cè)的最大水平寬度。

3.7

臀角hipangle

牛體腰角骨與坐骨結(jié)節(jié)的高度差。

3.8

體高bodyheight

牛體腰角骨與脊柱交點(diǎn)到地面的垂直距離

3.9

體直長(zhǎng)bodylength

牛體坐骨節(jié)點(diǎn)到耆甲點(diǎn)垂直的水平距離。

3.10

體深bodydepth

牛體腹部最高處到腹部最底處的垂直距離。

4奶牛深度圖像采集技術(shù)規(guī)范

在奶牛靜止站立時(shí)，利用兩臺(tái)深度相機(jī)分別從俯視機(jī)位和側(cè)視機(jī)位采集奶牛的深度圖像，要求從兩個(gè)不

同角度采集的數(shù)據(jù)包含完整的奶牛軀干。成年奶牛體長(zhǎng)一般為1.8m，體高在1.4m-1.5m之間，奶牛與側(cè)視

相機(jī)之間的遮擋小于10%，側(cè)視相機(jī)C1在Z軸上的高度應(yīng)為奶牛體高的1/2，俯視相機(jī)C2的推薦安裝位置

在奶牛脊柱所在的XOZ平面上，側(cè)視相機(jī)C1在Y軸上與奶牛之間的推薦距離L1，俯視相機(jī)C2在Z軸上與

地面之間的推薦距離L2，如表1所示。

表1相機(jī)距離要求

側(cè)視相機(jī)俯視相機(jī)

示意圖

相機(jī)視角αβ

2

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L1、L2

=0.9cot=1.5+0.9cot

22

（m）????β

????1????2

5奶牛體表點(diǎn)云的三維重建技術(shù)規(guī)范

5.1多視角點(diǎn)云的預(yù)處理

（1）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。利用深度相機(jī)經(jīng)過(guò)標(biāo)定而獲得的內(nèi)參數(shù)據(jù)，將深度圖像中的像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為世界

坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)從二維深度圖像到三維點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換。

（2）背景去除。利用統(tǒng)計(jì)濾波器對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理，例如，利用直通濾波去除奶牛目標(biāo)之外的固定背

景；基于已知信息的模板匹配法去除地面；利用半徑濾波去除噪聲點(diǎn)。要求濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中僅包含奶

牛，不包含欄桿、地面等背景。

5.2奶牛點(diǎn)云拼接

（1）點(diǎn)云配準(zhǔn)。利用點(diǎn)云配準(zhǔn)技術(shù)將不同坐標(biāo)系中的頂視點(diǎn)云和俯視點(diǎn)云統(tǒng)一到一個(gè)共同的坐標(biāo)系中。

例如，采用Super4PCS算法進(jìn)行初步的粗配準(zhǔn)；再利用ICP算法進(jìn)行精配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)奶牛不同視角點(diǎn)云的配

準(zhǔn)。要求點(diǎn)云配準(zhǔn)后的配準(zhǔn)誤差RMSE小于0.8。RMSE的計(jì)算公式為：

()+()+()

RMSE=（1）

????222

∑????=1????????????????????????

?????????????????????????????

式中，（，，）為重建點(diǎn)云某一點(diǎn)坐標(biāo)，（，，????）參考點(diǎn)云中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)RMSE的值越小，

說(shuō)明這兩片點(diǎn)云的配準(zhǔn)效果越好。

????????????????????????????????????????????????

（2）點(diǎn)云鏡像。以脊柱線作為對(duì)稱線，利用鏡像處理得到奶牛另一側(cè)的點(diǎn)云，從而獲得完整的奶牛點(diǎn)

云。

5.3點(diǎn)云濾波

對(duì)重建后的點(diǎn)云進(jìn)行濾波，去除離群點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。例如，使用半徑濾波方法、統(tǒng)計(jì)濾波方法。要求濾波

后的奶牛體表點(diǎn)云中，法曲率小于0.1的點(diǎn)的個(gè)數(shù)與所有點(diǎn)的個(gè)數(shù)的比值大于60%。法曲率描述了點(diǎn)云表面

在單位法線方向上的平均變化率，可以評(píng)估點(diǎn)云表面的平滑程度。

6奶牛體尺參數(shù)提取技術(shù)規(guī)范

6.1體尺參數(shù)的定義

考慮到奶牛體尺參數(shù)的多樣性和復(fù)雜性，選擇了以下6種能夠有效代表奶牛體型特征的體尺參數(shù)：

（1）臀寬：奶牛坐骨結(jié)節(jié)位置的兩個(gè)突起之間的寬度。

（2）腹寬：指奶牛的腹部?jī)蓚?cè)的最大水平寬度。

（3）臀角：指奶牛腰角骨與坐骨結(jié)節(jié)的高度差。

（4）體高：指奶牛的腰角骨與脊柱交點(diǎn)到地面的垂直距離。

（5）體直長(zhǎng)：指奶牛坐骨節(jié)點(diǎn)到耆甲點(diǎn)垂直的水平距離。

（6）體深：指腹部最高處到腹部最底處的垂直距離。

圖1為奶牛不同體尺參數(shù)的測(cè)量示意圖。

3

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臀角

體深腹寬

體高

體直長(zhǎng)

臀寬

圖1奶牛體尺示意圖

6.2體尺測(cè)點(diǎn)定位

為了獲取體尺參數(shù)，需要首先檢測(cè)重建后的奶牛體表點(diǎn)云上的關(guān)鍵特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

（1）坐骨結(jié)節(jié)突起點(diǎn)

1）定義：奶牛臀部區(qū)域坐骨結(jié)節(jié)部位的突起點(diǎn)，如圖2中的紅色圓點(diǎn)位置。

2）定位流程：首先定位奶牛的臀部區(qū)域，接著根據(jù)骨骼分布特征定位坐骨結(jié)節(jié)突起點(diǎn)。例如，首先利

用PointNet++定位奶牛的臀部區(qū)域；接著，對(duì)臀部點(diǎn)云的z軸方向中間部分進(jìn)行采樣和擬合，擬合曲線左右兩

側(cè)凸包頂點(diǎn)即為坐骨結(jié)節(jié)突起點(diǎn)。

3）定位指標(biāo)：要求檢測(cè)的坐骨結(jié)節(jié)突起點(diǎn)的位置，與人工標(biāo)記的位置‘，‘之間的歐氏距離分

別小于。

20mm????1????2????1????2

圖2坐骨結(jié)節(jié)突起點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，和人工測(cè)量結(jié)果‘，‘

（）腹寬最大點(diǎn)

2????1????2????1????2

1）定義：腹寬最大點(diǎn)位于奶牛的腹部區(qū)域沿Y軸兩側(cè)最寬的兩個(gè)點(diǎn)，如圖3中的紅色圓點(diǎn)位置。

2）定位流程：首先定位奶牛的腹部區(qū)域，再檢測(cè)腹部區(qū)域最寬的兩個(gè)點(diǎn)，即為腹寬最大點(diǎn)。例如，根

據(jù)經(jīng)驗(yàn)，奶牛的腹部區(qū)域位于奶牛軀干的40%-60%之間，因此利用直通濾波提取處奶牛軀干；接著利用檢測(cè)

到的該處點(diǎn)云Y坐標(biāo)值的最大最小值來(lái)定位腹寬的最大點(diǎn)。

3）定位指標(biāo)：要求檢測(cè)的腹寬最大點(diǎn)的位置，與人工標(biāo)記的位置，之間的歐氏距離分別小

于。

20mm????1????2????1′????2′

4

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圖3腹寬最大點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，和人工測(cè)量結(jié)果，

（）腰角點(diǎn)

3????1????2????1′????2′

1）定義：腰角點(diǎn)位于奶牛腰角骨的突起點(diǎn)，如圖4中的紅色圓點(diǎn)位置。

2）定位流程：首先定位腰角骨區(qū)域，再檢測(cè)腰角區(qū)域的突起點(diǎn)。例如，將奶牛點(diǎn)云尾部起20%-50%部

位進(jìn)行分割得到腰角骨所在位置，再把奶牛腰部俯視區(qū)域投影至二維平面，再將每列的奶牛軀干切片的z坐

標(biāo)值進(jìn)行求均值，求出z軸坐標(biāo)均值的最大值所在列即為奶牛腰角骨所在位置。再計(jì)算腰角骨所在列的輪廓

線凸包，兩側(cè)最高的兩個(gè)突起即奶牛腰角點(diǎn)所在的位置。

3）定位指標(biāo)：要求檢測(cè)的腰角點(diǎn)，與人工測(cè)量的腰角點(diǎn)’，’之間的歐氏距離分別小于20mm。

????1????2????1????2

圖4腰角點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，和人工測(cè)量結(jié)果’，’

（）耆甲最高點(diǎn)

4????1????2????1????2

1）定義：耆甲是指頸脊與背脊之間的隆突部位，如圖5中的紅色圓點(diǎn)位置，耆甲最高點(diǎn)指奶牛的耆甲部

最高點(diǎn)到地面的垂直距離。

2）定位流程，首先定位肩頸區(qū)域，再檢測(cè)耆甲最高點(diǎn)。例如，首先使用條件濾波法將奶牛的肩部對(duì)應(yīng)

的投影區(qū)域從俯視圖中剪切出來(lái)。接著使用3x3大小的體素將點(diǎn)云進(jìn)行均值下采樣，讓數(shù)據(jù)更加平滑穩(wěn)定。

最后求出點(diǎn)云中z坐標(biāo)值最大的點(diǎn)即奶牛耆甲最高點(diǎn)。

3）定位指標(biāo)：要求檢測(cè)的耆甲最高點(diǎn)與人工測(cè)量的耆甲最高點(diǎn)之間的歐式距離小于20mm。

????????′

圖5耆甲最高點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果和人工測(cè)量結(jié)果

????????′5

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（5）腹部最低最高點(diǎn)

1）定義：腹部最低點(diǎn)是指腹部點(diǎn)云中距離地面最近的點(diǎn)，如圖6中的紅色圓點(diǎn)位置。

2）定位流程：首先定位腹部區(qū)域，接著檢測(cè)腹部最低點(diǎn)。例如，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，奶牛的腹部區(qū)域位于奶牛

軀干的40%-60%之間，因此利用直通濾波提取處奶牛軀干。通過(guò)查找點(diǎn)云在z軸方向上的最小值的點(diǎn)確定

為腹部最低點(diǎn)。相反，z軸方向上的最大值的點(diǎn)即為腹部最高點(diǎn)。

3）定位指標(biāo)：要求檢測(cè)的腹部最低點(diǎn)、最高點(diǎn)，與人工測(cè)量的腹部最低點(diǎn)、最高點(diǎn)，之間的

歐式距離分別小于20mm。????1????2????1′????2′

圖6腹部最低最高點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果，和人工測(cè)量結(jié)果，

體尺參數(shù)計(jì)算

6.3????1????2????1′????2′

利用檢測(cè)得到的坐骨結(jié)節(jié)突起點(diǎn)(,,)，(,,)；腹寬最大點(diǎn)(,,)，(,,)；

腰角點(diǎn)(,,)，(,,)；耆甲最高點(diǎn)????1????1????1????1(????,2????,2????)2；腹部最高最低點(diǎn)????2????1(????3,????3,????3)，????2(????4,????4,????4)計(jì)

算所需體尺參數(shù)。????1????5????5????5????2????6????6????6????????7????7????7????1????8????8????8????2????9????9????9

（1）臀寬d：通過(guò)計(jì)算兩坐骨結(jié)節(jié)突起點(diǎn)(,,),(,,)之間的歐式距離，即得到奶牛的臀

寬，如式（2）所示。????1????1????1????1????2????2????2????2

（）

=()+()+()2

222222

121212

（2）體高：奶牛的耆甲部最高點(diǎn)??????????????(,,????)?到地面的垂直距離，地面可看作?????????????XOY平面，如式（3）

所示。????1????????7????7????7

=

（3）

（3）體深：奶牛腹部的最高點(diǎn)(,????,1)和最低點(diǎn)????7(,,)之間的垂直距離，如式（4）所示。

||

????2????1????8????8????8????2????9????9????9（4）

2=89

（4）體直長(zhǎng)：指奶牛坐骨節(jié)點(diǎn)(,????,????)到耆甲部最高點(diǎn)?????(,,)的水平距離，如式（5）所示。

????1????1????1????1=????|1|????????7????7????7（5）

（5）腹寬：指奶牛的腹部?jī)蓚?cè)的最大水平寬度，即????1????1?????7(,,)，(,,)之間沿x軸的距離，

如式（6）所示。????3????1????3????3????3????2????4????4????4

=||（6）

（6）臀角：指奶牛腰角骨(,????,3)與坐骨結(jié)節(jié)????3?????4(,,)的高度差，如式（7）所示

6315551111

????????????????????????????????????

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=z（7）

表2奶牛體尺參數(shù)的定義、公式和精度要求????35?????1

體尺參數(shù)定義公式

臀寬()奶牛坐骨結(jié)節(jié)位置的兩個(gè)突起之間的寬度

????????=()+()+()

222222

121212

體高()奶牛的腰角骨與脊柱交點(diǎn)到地面的垂直距離??????????????=??????????????

????1????1????7

體深()腹部最高處到腹部最底處的垂直距離=||

2289

體直長(zhǎng)????()奶牛坐骨節(jié)點(diǎn)到耆甲點(diǎn)垂直的水平距離????=|?????????|

????1????1????1?????7

腹寬()指奶牛的腹部?jī)蓚?cè)的最大水平寬度=||

3334

臀角(????)奶牛腰角骨與坐骨結(jié)節(jié)的高度差????=????z?????

3351

6.4體尺參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)?????????????

為了評(píng)價(jià)奶牛體尺參數(shù)自動(dòng)提取方法的有效性和精度，采用了絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差的方法來(lái)評(píng)價(jià)。絕

對(duì)誤差δ為人工測(cè)量值與自動(dòng)檢測(cè)值的差值，如式（8）所示。體尺參數(shù)檢測(cè)的絕對(duì)誤差精度要求如

表3所示。????????????????

=||（8）

表3奶牛體尺參數(shù)檢測(cè)技術(shù)要求δ?????????????????

體尺參數(shù)臀寬()體高(