蜜蜂

本研究觀察監測的對象蜜蜂為義大利蜂，為西方蜜蜂的一個亞種，學名為Apis mellifera ligustica，體長約13到15mm，背上有黃褐色絨毛，腹部有黃黑相間的色帶，

如圖3-2所示，其中 (a) 為女王蜂， (b) 為雄蜂，(c) 為工蜂，另外 (d) 為在蜂箱 出入口之蜜蜂。本研究的義大利蜂由台灣大學昆蟲學系楊恩誠老師的昆蟲神經生 物學研究室所飼養提供。

圖 3-2 義大利蜂，(a) 女王蜂，(b) 雄蜂，(c) 工蜂，(d) 在蜂箱出入口之蜜蜂 3.1.3 蜂箱

本研究共使用大小兩種常見的市售蜂箱，均由台灣大學昆蟲學系楊恩誠老師 的昆蟲神經生物學研究室所提供，其由木頭所製。圖3-3為大蜂箱，底下有兩個出 口可供蜜蜂出入，其中 (a) 到 (d) 分別為前視圖、左視圖、上視圖以及三維立體

(a) (b) (c)

(d)

圖，另外 (e) 與 (f) 則分為大蜂箱實際的外觀以及內部情形。大蜂箱內部有6片巢 片，每片約有3000隻蜜蜂，故整個蜂箱約有18000隻蜜蜂。

圖 3-3 大蜂箱規格 (圖中單位為 mm)，(a) 前視圖，(b) 左視圖，(c) 上視圖，

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖3-4為另一型式的小蜂箱，底下只有一個出口提供蜜蜂進出。其中圖 (a) 到 (f) 同樣分別為前視圖、左視圖、上視圖、三維立體圖、實際外觀圖以及小蜂箱的 內部情形。內部有4片巢片，每片約有3000隻蜜蜂，故整個蜂箱約有12000隻蜜蜂。

圖 3-4 小蜂箱規格 (圖中單位為 mm)，(a) 前視圖，(b) 左視圖，(c) 上視圖，

(d) 立體圖，(e) 實際蜂箱，(f) 小蜂箱內部

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

3.1.4 影像系統外殼

由於影像辨識系統對於光源的強弱非常敏感，而解決此問題最佳的方法即是 隔絕外界的光源，並另外在系統內部架設投光器產生穩定光源，使得系統程式在 進行影像處理時能保有高度的穩定性。因此本影像系統主要使用8 mm 厚之黑色不 透明壓克力板作為系統外殼之建構材質。然而外殼最上層的建構材質為8 mm 厚之 透明壓克力板，選用原因如下：在初步的測試中發現，當本系統外殼實際裝置在 蜂箱中時，由於外殼完全不透光，故沒辦法得知系統的裝置是否妥當，因此將外 殼最上層的部分更換為透明材質是必要的。另外，由於本影像系統外殼最上層為 透明材質，故當系統裝置完成後，需在外殼的頂端再放置一塊不透光材質使其能 夠擋住外界光源。圖3-5為大蜂箱之影像系統外殼，裝置在大蜂箱出口測，其中圖 (a) 到 (e) 分別為前視圖、左視圖、上視圖、三維立體圖形以及外殼實際的外觀圖。

圖3-6則為小蜂箱之影像系統外殼，裝置在小蜂箱上，其中圖 (a) 到 (e) 同樣分別 為前視圖、左視圖、上視圖、三維立體圖形以及外殼實際的外觀圖。

圖 3-5 大蜂箱系統外殼 (圖中單位為 mm)，(a) 前視圖，(b) 左視圖，(c) 上視圖，

(d) 立體圖，(e) 大蜂箱系統外殼實體

(a) (b)

(c) (d)

(e)

圖 3-6 小蜂箱系統外殼 (圖中單位為 mm)，(a) 前視圖，(b) 左視圖，(c) 上視圖，

(a) (b)

(c) (d)

(e)

3.1.5 紅外線投光器與攝影機

本影像系統須對蜜蜂作長時間連續的觀測與記錄，因而在光源選用上多了一 些考量，若使用一般可見光為光源，則可能影響蜜蜂在夜間的正常行為，為了減 少對它們的影響，本影像系統採用紅外線投光器 (850 nm-940 nm)，因為蜜蜂看不 見此波段的投射光線 (Riley, 1994)，因此可將影響降至最低。在規格方面，本系統 使用佳皇科技公司 (佳皇科技公司，台北) 出產的紅外線投光器 (940 nm)，其共 有12顆以及18顆兩種封裝 (圖3-7)，供應電源為12 V 的直流電。

圖 3-7 紅外線投光器，(a) 12 顆封裝，(b) 18 顆封裝

另外，一般網路攝影機對於移動中的物體很難對其進行完整的捕捉，因為當 物體在移動時很容易在影像上留下殘影。因此本研究使用德國映美精有限公司 (The Imaging Source Europe GmbH, Germany) 出產的工業級 USB CCD 攝影機，藉 由縮短攝影機的快門時間，可清楚拍攝到蜜蜂快速移動時的影像。攝影機型號為 DMK31AU03，其規格為1/3吋 CCD 感測晶片，1024 768× 畫素，並且每秒鐘可接 收30張畫面。另外，攝影機搭配的鏡頭其型號為 ML-0614，焦距為6 mm。另外，

根據蜂箱所在的位置不同，攝影機與電腦需要透過 USB 訊號加強線來延長連接距 離，本系統使用的訊號加強線其型號為 ST-UCEXT50，連接距離為5公尺，並且最 多可同時串接5條訊號加強線。

(b) (a)

3.1.6 蜜蜂通道設計

在本影像系統中，蜜蜂通道的主要功用為限制蜜蜂往來蜂箱的移動方向以及 速度，使得攝影機拍攝到的影像較為清晰而且容易辨識，讓後端的影像處理系統 更為穩定。在製作上，需要注意通道的尺寸大小，尺寸太大之通道其限制蜜蜂移 動的效果低弱，而尺寸太小又會讓蜜蜂無法通過，因此在設計上需要取得一個平 衡。本系統在通道製作上，使用材質為 3 mm 的透明壓克力板，通道整體外觀長度 約為 145 mm，寬度約為 80 mm，高度約為 9 mm，中間限制蜜蜂移動的部分，長 度約為 35 mm，寬度約為 8 mm，高度約為 6 mm，如圖 3-8 所示，其中圖 (a) 到 (e) 分別為前視圖、左視圖、上視圖、三維立體圖形以及蜜蜂通道實體圖。

圖 3-8 蜜蜂通道 (圖中單位為 mm)，(a) 前視圖，(b) 左視圖，(c) 上視圖，

(a) (b)

(c) (d)

(e)

3.1.7 系統外觀

如圖3-9 (a) 所示，蜜蜂通道位在系統外殼的內部，並置於底層最中央的地方；

攝影機使用螺絲固定在在系統外殼的中央，並調整高度使得蜜蜂通道在拍攝範圍 內；紅外線投光器則使用螺絲固定在系統外殼的兩邊，其高度約為80 mm。另外系 統組裝於蜂箱之情形如 (b) 所示。

圖 3-9 系統外觀，(a) 系統內部，(b) 與蜂箱組裝完成圖 3.1.8 蜜蜂標籤製作與黏貼

為達到追蹤個別蜜蜂覓食行為之目的，必須在蜜蜂的背部黏貼一標籤貼紙作為 個別蜜蜂辨識之用。實驗中共採用兩種圓型標籤貼紙，在標籤上設計了一個定位 用的黑點，如圖 3-10 所示，其中 (a) 為原始印有兩位數阿拉伯數字的標籤貼紙，

其標號從 0 到 99，共可記錄 100 隻蜜蜂，為了突破此限制，本研究又設計了另一 種印有兩個英文字母的標籤貼紙，如 (b) 所示。

另外，標籤的直徑約為 3 mm，在阿拉伯數字字體方面，其大小為 5 號粗體，

其中數字 0 的字體為 Calibri，數字 5 的字體為 Consolas，其餘數字的字體為 Times New Roman，另外，在兩個數字之間有一個空白 2 號字體作為間隔之用。之所以 更改數字 0 與 5 的字體，是因為 Times New Roman 字體的 0 與 5 在影像處理時，

不透明上蓋 透明上蓋

CCD 攝影機 蜜蜂通道 投光器

(a) (b)

容易將其誤認為是兩個不連續的部份。在英文字母之字體方面，其大小亦為 5 號 粗體，並全部選用 Consolas 字體，兩個字母之間亦有一個空白 2 號字體做為區隔。

另外，比較特別的是，在英文字母標籤上，我們不採用字母 Q，原因是 Q 跟 O 的 形狀太過相似，容易造成辨識錯誤。

圖 3-10 蜜蜂標籤貼紙，(a) 阿拉伯數字標籤，(b) 英文字母標籤

最後，在將標籤貼紙黏著於蜜蜂背部時，需將蜜蜂置入冰箱的冷凍庫中，冰 凍約 3 到 4 分鐘，這時的蜜蜂時去了活動能力，因此正是黏貼標籤貼紙的最佳時 機，如圖 3-11 (a)。而在黏貼標籤前，必須先將蜜蜂背部的絨毛刮除乾淨，如圖 3-11 (b)。最後使用瞬間膠將標籤黏貼於蜜蜂背部，如圖 3-11 (c)。大約在解凍後 2 到 3 分鐘，蜜蜂又開始回復活動能力。本研究使用任我貼高黏度瞬間膠，其具有無溶 劑、無毒、低味以及高黏度等優點。

(a) (b)

(a) (b) (c) 絨毛刮除

3.1.9 溫溼度計

本研究之目的在於記錄與分析蜜蜂外出覓食之行為，因此需要隨時記錄環境 中溫溼度的變化，進而分析其對蜜蜂覓食行為的影響。本研究使用 LASCAR 公司 (Lascar Electronics Ltd., United Kingdom) 所 出 產 的 溫 溼 度 計 ， 其 型 號 為 EL-USB-2，量測溫度範圍約-35到80°C，精準度為±0.5°C，量測相對濕度範圍約0 到100% RH，濕度範圍在20到80%RH 時精準度為±3%。

圖3-12 EL-USB-2溫溼度計

3.2 蜜蜂偵測與辨識之影像處理演算法

3.2.1 蜜蜂偵測與辨識之流程

在蜜蜂偵測與辨識上，其整體辨識流程如圖3-13所示。攝影機首先將拍攝到的 影像以30fps 之頻率即時傳送到電腦，接著系統程式以霍爾圓轉換演算法偵測此影 像中的標籤位置 (蜜蜂位置)，如果影像中沒有偵測到標籤則接著處理下一張影 像。而如果偵測到標籤的位置，則接著判斷標籤上是否具有數字或字母，如果有 便能將之從標籤中分離出來，接著再對分離出來的字元影像進行標準化，最後透 過以 SVM 為基礎的 OCR 技術對個別字元進行數字辨識。而如果標籤上沒有數字，

則接著判斷下一個標籤，一直到所有偵測到的標籤都處理完再繼續下一張影像。

圖 3-13 蜜蜂辨識流程圖

開始

攝影機是否正 結束 在拍攝

是

否

輸入拍攝影像

字元擷取

字元影像標準化

字元影像辨識 是否偵測到蜜

蜂標籤 否

是

是否還有標籤 未辨識 是

否

3.2.3 輸入拍攝畫面

在攝影機運作之時，必須先對其作設定，其中較關鍵的一步為設定攝影機的 快門時間，在初步實驗中發現，縮短攝影機的快門時間能夠拍攝到較為動態的影 像，但此同時也會減少進光量，使得拍攝的畫面較暗。所以快門時間設定需取得 一個平衡點，使得拍攝畫面與進光量達到最佳的效果，本系統中，攝影機的快門 時間為4 ms (使用 DMK31AU03攝影機所附光碟中的程式 IC Capture2.1做為設定)。

在畫面擷取上，本影像系統使用 Borland C++ Builder 6.0作為系統程式之開發 環境，並且使用開源碼 OpenCV 1.0 (參考網站http://opencv.willowgarage.com/wiki/) 中 的 cvcam 來達到此目的。圖3-14為 cvcam 在開啟攝影機時部份重要的程式碼，在 使用攝影機時，必須先執行 cvcamGetCamerasCount，功能為偵測攝影機數量，接 著使用 cvcamSetProperty 設定所選擇的攝影機 (參數 select_camera) 之各項參數，

包含：攝影機致能 (enable)、渲染 (render)、顯示視窗以及指定畫面處理函式。設 定完參數後需要再透過 cvcamInit 來完成所有設定，最後使用 cvcamStart 來開啟攝 影機，接著所有的影像處理都會在其中的 callback 函式進行。

圖 3-14 開啟攝影機程式碼

cvcamGetCamerasCount(); //偵測攝影機數量

cvcamSetProperty(select_camera, CVCAM_PROP_ENABLE, &cvcamone); //攝影機致能

cvcamSetProperty(select_camera, CVCAM_PROP_RENDER, &cvcamone); //攝影機渲染

cvcamSetProperty(select_camera, CVCAM_PROP_WINDOW, &MyWin); //設定顯示視窗

cvcamSetProperty(select_camera, CVCAM_PROP_CALLBACK, callback); //設定影像處理函式

cvcamInit(); //初始化攝影機參數

cvcamStart(); //開啟所有已致能攝影機

3.2.4 蜜蜂標籤偵測

在標籤偵測上，由於本研究使用的標籤貼紙為圓形，因此可以使用霍爾圓轉 換技術，將原始影像轉換至圓參數空間，進而找到影像中的圓形標籤。如圖3-15 所示。此部份利用 OpenCV 1.0中的函式 cvHoughCircles 來偵測圓形標籤，其中各 項參數之意義如下：

‹ method：選用霍爾圓轉換之方法，OpenCV 中只有 CV_HOUGH_GRADIENT 此選項，其演算法為 Kimme 等人 (1975) 提出的 Hough gradient method。

‹ method：選用霍爾圓轉換之方法，OpenCV 中只有 CV_HOUGH_GRADIENT 此選項，其演算法為 Kimme 等人 (1975) 提出的 Hough gradient method。