Tổng quan về ứng dụng công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt trong chẩn đoán bệnh gia cầm (phần 1)

Đo nhiệt độ bằng công nghệ nhiệt hồng ngoại đã và đang phát triển, chở thành một trong những giải pháp hiệu quả trong giám sát sức khoẻ vật nuôi. Với công nghệ này, ảnh thân nhiệt của vật nuôiđược thu thập tự động và bằng phương pháp không tiếp xúc sẽ được phân tích để phát hiện nhanh các triệu chứng nhiễm bệnh trên gia súc, gia cầm. Với nhiều tính năng ưu việt khi giám sát sự thay đổi thân nhiệt để từ đó giúp chẩn đoán chính xác một số bệnh gây tăng thân nhiệt vật nuôi, công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt sẽ có nhiều tiềm năng phát triển và thực sự cần thiết trong quá trình hiện đại hoá các khâu sản xuất cho ngành chăn nuôi Việt Nam. Tuy nhiên hiện tạikhi ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế như: Giá thiết bị cao, đòi hỏi nhiều lao động có trình độ cao trong quá trình xây dựng, vận hành hệ. Do đó trong bài viết này chúng tôi sẽ cung cấp, đánh giá kết quả của các nghiên cứu gần đây về việc ứng dụng công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt trong theo dõi sức khoẻ vật nuôi (trên gia cầm). Chúng tôi cũng đãnêu ra được các ưu/nhược điểm của từng phương pháp để từ đó có thể áp dụng hiệu quả cho ngành chăn nuôi của Việt Nam.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Thân nhiệt là một chỉ tiêu sinh lý quan trọng trong toàn bộ quá trình chăn nuôi gà. Việc đo nhiệt trên gà cũng là một phương pháp hữu hiệu để hỗ trợ trong việc chẩn đoán bệnh và theo dõi sức khỏe ở gà nuôi. Đo nhiệt độ cơ thể khi sử dụng các thiết bị được cài đặt cấy ghép trực tiếp vào cơ thể gà là một phương pháp phổ biến hay được áp dụng. Tuy nhiên phương pháp này khá phức tạp và cần một lượng lớn thời gian để đo từng cá thể gà. Thêm vào đó phương pháp tiếp xúc trực tiếp này có thể làm cho gà bị căng thẳng (stress) gây bất lợi rất lớn tới sự sinh trưởng, phát triển của đàn gà. Do đó để có thể chẩn đoán, phát hiện sớm một số bệnh trên đàn gà thì phương pháp đo thân nhiệt từ xa và không tiếp xúc sẽ là những giải pháp tối ưu và rất mong đợi của ngành chăn nuôi ở Việt Nam hiện nay. Trên thực tế, trong những năm gần đây, các công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt để chẩn đoán và phát hiện bệnh trên vật nuôi đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trên toàn thế giới. Với ưu điểm không tiếp xúc, có thể đo thân nhiệt từ khoảng cách xa, phương pháp này đem lại hiệu quả và độ chính xác cao trong việc theo dõi thân nhiệt của vật nuôi. Trong khuôn khổ bài viết này, chúng tôi sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về việc ứng dụng công nghệ xử lý ảnh thân nhiệt để chẩn đoán, phát hiện và phân loại một số bệnh trên gà. Với các kết quả của các nghiên cứu khoa học về lĩnh vực này ở trên thế giới, các bài học sẽ được rút ra, nhóm tác giả cũng đưa ra một số giải pháp phù hợp trong việc chẩn đoán bệnh gà bằng giám sát thân nhiệt áp dụng hiệu quả cho ngành chăn nuôi Việt Nam hiện nay.

2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH THÂN NHIỆT

2.1. Tổng quan về camera ảnh nhiệt

Camera nhiệt (Szajewska& cs., 2017)hay còn gọi là máy ảnh nhiệt độ hồng ngoài là thiết bị sử dụng bức xạ hồng ngoại phát ra từ vật thể để tạo thành hình ảnh nhiệt hồng ngoại. Ảnh nhiệt là một hình ảnh thể hiện bức xạ nhiệt của một vật thể trên màn hình điện tử. Hình ảnh nhiệt thu được thông qua camera cảm biến thân nhiệt. Hình ảnh nhiệt cho phép người dùng có thể nhìn thấy chính xác nhiệt độ từ xa của một vật thể. Camera ảnh nhiệt có thể đo chính xác nhiệt độ của một vật thể dù được chụp trong bóng tối. Với tính năng đặc biệt này camera ảnh nhiệt thường được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như an ninh quốc phòng, y tế, an toàn công cộng và ở một số ngành nghề đặt thù khác.

Hình 1. Một số loại camera ảnh nhiệt (Szajewska& cs., 2017)

Ngoài tia sáng có thể nhìn thấy bằng mắt thường còn có 1 loại ánh sáng không nhìn thấy gọi là tia hồng ngoại. Mọi vật thể có nhiệt độ cao hơn 0 độ tuyệt đối đều có thể bức xạ sóng điện từ (hồng ngoại) một cách ổn định. Hiện tượng này gọi là “Bức xạ nhiệt”.

Các cảm biến nhiệt được sử dụng trong hệ thống máy ảnh nhiệt được dùng để phát hiện các biến đổi nhiệt trong môi trường xung quanh. Camera nhiệt phát hiện nhiệt độ bằng cách nhận biết và chụp các mức ánh sáng hồng ngoại khác nhau. Ánh sáng này là vô hình với mắt thường, nhưng có thể cảm thấy nhiệt ở cường độ cao. Nguyên lý tạo ảnh của camera ảnh nhiệt(Vollmer& cs., 2010): Khi có bức xạ nhiệt ống kính Germanium của camera phản xạ ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím. UFPA thay đổi bức xạ hồng ngoại thành tín hiệu điện chạy qua ISP (Bộ xử lý tín hiệu hình ảnh) trong mạch FPGA và cuối cùng qua DSP (Bộ xử lý tín hiệu số) để xuất ra luồng video.

Hình 2. Nguyên lý tạo ảnh của camera ảnh nhiệt

Lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vật thể, máy ảnh nhiệt làm cho bức xạ nhiệt vô hình có thể nhìn thấy được ở dạng hình ảnh vùng nhiệt. Chỗ có mức nhiệt cao nhất có hình ảnh màu trắng. Mức nhiệt độ trung bình hiển thị bằng màu đỏ và vàng. Phần có nhiệt độ thấp nhất biểu thị bằng màu đen.

2.2. Một số ứng dụng của camera ảnh nhiệt

a, Ứng dụng camera ảnh nhiệt trong hệ thống kiểm soát an ninh

Với khả năng quan sát 24/7, trong mọi điều kiện thời tiết, camera ảnh nhiệt mang lại hiệu quả vượt trội cho các hệ thống quan sát an ninh.Thông qua đó giúp con người có thể đề phòng, phát hiện được các mối nguy hại tiềm ẩn, làm chủ tình hình và kiểm soát an ninh một cách bí mật, hiệu quả nhất.

Hình 3.Ứng dụng camera nhiệt trong giám sát và bảo vệ môi trường sống của vật nuôi (nguồn:FLIR Commercial Systems., 2021)

b, Ứng dụng camera ảnh nhiệttrong đo nhiệt độ cơ thể của vật nuôi

Trong lĩnh vực chăn nuôi, camera ảnh nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong việc theo dõi phát hiện vật nuôi có bệnh liên quan tới tăng thân nhiệt, ví dụ như stress nhiệt, bệnh cúm, bệnh sốt rét ,.. Từ đó cho thấy camera ảnh nhiệt đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán sàng lọc cơ bản các cá thể vật nuôi mắc bệnh từ đó giúp cho công tác kiểm soát dịch bệnh trở nên dễ dàng hơn.

Hình 4. Ứng dụng Camera đo thân nhiệt của vật nuôi (Oishi& cs., 2018)

Ngoài ra, camera nhiệt cũng được sử dụng rộng rãi trong bệnh viện, phòng khám thú y. Thông qua camera sẽ cung cấp cho y bác sỹ những ảnh chụp hồng ngoại về tình trạng của mạch máu, các dây thần kinh hoặc những vẫn đề sức khỏe khác. Camera nhiệt được coi là trợ thủ đắc lực giúp đội ngũ y bác sĩ phát hiện bệnh, mầm mống gây ra bệnh trên cơ thể vật nuôi nhanh và chính xác để sớm đưa ra những phác đồ điều trị tốt nhất.

Hình 5. Ảnh nhiệt chụp các vết thương trên cơ thể vật nuôi (Redaelli& cs., 2019)

c, Ứng dụng camera ảnh nhiệt tronggiám sát môi trường sống của vật nuôi

Sử dụng camera hồng ngoại giúp con người có thể theo dõi trên phạm vi lớn từ đó phát hiện sớm nhiệt độ trong khu vực sinh sống của vật nuôi để kịp thời xử lý. Từ việc nắm được nhiệt độ của môi trường, con người có thể đưa ra các giải pháp để cải thiện môi trường sống của vật nuôi, ví dụ: nhiệt độ trong chuồng nuôi tăng cao, hệ thống quạt làm mát sẽ được mở,..

Hình 6. Ứng dụng camera ảnh nhiệt theo dõi, phát hiện nhiệt độ môi trường sống vật nuôi (Bonnie A& cs., 2019)

d, Ứng dụng camera ảnh nhiệt trong việc tìm kiếm và theo dõi động vật hoang dã quý hiếm

Camera chụp ảnh nhiệt đóng có công dụng hữu hiệu trong việc tìm kiếm động vật hoang dã, camera cho phép người dùng nhìn xuyên bóng tối, có thể biết những thay đổi khí hậu và hoạt động tự nhiên của động vật. Từ đó giúp việc tìm kiếm và theo dõi trở nên dễ dàng hơn mà không làm ảnh hưởng đến môi trường của chúng.

Hình 7. Ứng dụng camera ảnh nhiệt trong kiểm soát động vật (nguồn:Texas A&M., 2019)

e, Ứng dụng camera ảnh nhiệt trong giám sát hoạt động của vật nuôi

Thông qua camera ảnh nhiệt, người chủ trang tại có thể phát hiện được sự thay đổi về hoạt động của vật nuôi như: ăn, uống, chạy nhảy, xung đột,.. hay sự tăng thân nhiệt bất thường của một cá thể, từ đó dễ dàng kiếm soát tình hình của vật nuôi, điều tiết kịp thời chế độ dinh dưỡng, giúp vật nuôi luôn ở trong tình thế sinh trưởng và phát triển tốt nhất.

Hình 8. Ứng dụng camera ảnh nhiệt trong giám sát hoạt động của vật nuôi (Nääs& cs., 2019)

2.3. Một số thuật toán để phân tích xử lý ảnh nhiệt

a, Ứng dụng không gian màu HSV

HSV hay còn gọi là không gian màu HSB là một không gian màu dựa trên 3 thông số chính của không gian màu:

H viết tắt của HUE là vùng màu;

S viết tắt của SATURATION có nghĩa là độ bão hòa màu;

V viết tắt của VALUE có nghĩa là giá trị hay độ sáng của màu sắc.

Hình 9. Không gian màu HSV

Các thao tác để xử lý ảnh thân nhiệt phát hiện vùng nhiệt bất thường thông qua thuật toán không gian màu HSV được thể hiện như sau:

Hình 10. Sơ đồ tổng quát xử lý ảnh trong không gian HSV

Bước chọn ảnh cần phân tích: thực hiện lựa chọn ảnh trực tiếp trên camera nhiệt hoặc lấy dữ liệu ảnh từ camera để phân tích.

Để thực hiện lọc màu cần tìm trong ảnh ta cần phải chuyển ảnh từ hệ RGB sang HSV trước sau đó sử dụng các câu lệnh để lọc.

Xám hóa và nhị phân ảnh : Khi xử lý trực tiếp ảnh từ không gian màu RGB, đôi khi chúng ta phải tiếp nhận một số lượng lớn thông tin từ ảnh. Điều này có thể gây khó khăn cho việc xây dựng thuật toán và làm giảm tốc đọ xử lý. Vì thế cần có lớp thuật toán phân ngưỡng để chuyển ảnh đầu vào về không gian ảnh nhị phân: chỉ gồm hai giá trị 0 hoặc 1, hoặc 0 và 255 tùy theo quy định của cấu trúc ảnh.Nhằm làm đơn giản hóa quá trình tính xử lý.

b, Thuật toán xử lý và phân tích ảnh nhiệt với phần mềm MATLAB thông qua công cụ GUI

Giao diện người dùng đồ họa (GUI) được phát triển trong MATLAB thường phải đảm bảo các điều kiện như: chất lượng camera, khoảng cách đặt máy ảnh, độ phân giải của ảnh, nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Thuật toán này xử lý dựa trên ROI. Vùng quan tâm (ROI) là một phần của hình ảnh mà ta muốn lọc hoặc xử lý theo một cách nào đó. Từ hộp công cụ các đối tượng ROI, ta có thể sử dụng để tạo ROI của nhiều hình dạng, chẳng hạn như hình tròn, hình elip, đa giác, hình chữ nhật và hình dạng vẽ tay. Sau khi tạo, người dùng có thể sử dụng các thuộc tính đối tượng ROI để tùy chỉnh giao diện và hoạt động của chúng.