CC BY
12
УДК 636.2.061.034 DOI 10.22314/27132064-2023-1-35
РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТЕРЬЕРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОРОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОГНОЗА ИХ ЖИВОЙ МАССЫ И МОЛОЧНОЙ
ПРОДУКТИВНОСТИ
И.А. Баранова, кандидат физико-математических наук, доцент ФГБОУ ВО Удмуртский государственный аграрный университет E-mail: [email protected]
Реферат. Выявление взаимосвязи типа телосложения, генотипических и фенотипических особенностей животного позволит сформулировать комплексную оценку животных по племенной ценности и производственному типу, их здоровью и перспективам использования. В связи с этим важной составляющей комплексной оценки является определение экстерьерных показателей животного. В настоящее время в зоотехнии применяют контактные и бесконтактные способы определения промеров животных. Однако проанализированные методы имеют недостатки в применении на практике. Представлен новый подход к оценке экстерьера. Определены параметры экстерьера методом обработки изображений животных, полученных путем фотографирования и с помощью сенсора глубины. Основные промеры тела, такие, как высота в холке, глубина груди, ширина груди, ширина в маклоках, прямая длина тазобедренной области, прямая длина туловища, обхват пясти, длина крестца, глубина в пояснице, ширина в седалищных буграх, были измерены в условиях производства. Они были определены с точностью до 1 мм и погрешностью, близкой к 2%. На основе полученных промеров животного были разработаны формулы вычисления индексов типа телосложения, которые позволяют выявить экстерьерно-конституциональный тип животного. Учитывая высокую степень корреляции между экстерьерными параметрами и молочной продуктивностью, экстерьерными параметрами и живой массой, вычисленные индексы типа телосложения лежат в основе прогнозирования мясной и молочной продуктивности крупного рогатого скота. Ключевые слова: бесконтактный способ, индекс массы тела, молочная продуктивность, живая масса, прогнозирование, математическая модель.
Для цитирования: Баранова И.А. Разработка способа получения экстерьерных показателей коров для создания математической модели прогноза их живой массы и молочной продуктивности // Техника и технологии в животноводстве. 2023. № 1(49). С. 35-41. EDN LKIDPM
Введение. Каждый биологический признак представляет собой функцию многих переменных: на него влияют как генетические, так и средовые факторы, что обусловливает изменчивость признаков. В зоотехнической науке и практике животноводства существуют два принципиально различающихся, но взаимосвязанных критерия оценки молочных коров: по молочной продуктивности и по внешнему виду (экстерьеру животного) [1-3]. Селекционерами давно было подмечено, что форма и размеры статей животного связаны с направлением его продуктивности [4]. Современное понятие «тип животного» включает такие элементы, как экстерьер, телосложение, конституция. Тип определяют как предполагаемую связь между телосложением животного и его способ-
ностью выполнять определенные функции. В практике молочного скотоводства, как в нашей стране, так и за рубежом, проводится обязательная оценка телосложения и продуктивных качеств племенных животных. В настоящее время для оценки экстерьера скота существуют контактные и бесконтактные способы получения промеров животных [510]. Контактные методы измерения параметров тела животных являются трудоемким процессом, вызывают стресс у животного и сильно зависят от субъективных причин.
Использование цифровых технологий (бесконтактный способ) для определения величины параметров экстерьера животных способствует организации безопасных условий труда, получению максимально точных цифровых значений, не вызывая стресса у
животных. К бесконтактным способам можно отнести способ получения промеров животных с использованием лазерного дальномера и лазерной указки [Пат. 2629282. Способ и устройство проведения промеров сельскохозяйственных животных / Цой Ю.А. и др. Опубл. 28.08.17.]. Экстерьерные параметры определяют одновременным измерением двумя противоположными дальномерами расстояний до маркеров, установленных на каждой стороне стати животного, с учетом расстояния между дальномерами. Измерения одновременно передают в компьютер для формирования результатов. Устройство содержит станок для фиксации животных и измерительный инструмент. Недостаток этого способа заключается в дополнительном фиксировании животного, что приводит к возникновению стресса. Установка маркеров на статях тела животного, по которым измеряются промеры лазерными указками, ведет к погрешности измерений и к задаче их корректной установки.
Авторы [5, 6] предлагают получать информацию по экстерьеру животного с использованием технологии ЬГОЛЯ, которая позволяет построить трехмерную модель животного. В их экспериментах определяются пять промеров тела животного: высота в холке, глубина груди, косая длина туловища, высота в пояснице, высота в крестце.
С целью апробации (адаптации) разработанного алгоритма предварительно были получены промеры трех животных, проведена реконструкция поверхности их тела при помощи обработки трехмерного облака точек. Однако их алгоритм расчета трехмерной модели животного не подходит для всех возрастных групп крупного рогатого скота (от телят до взрослых особей). Следовательно, требуется разработка другого алгоритма по обработке трехмерного изображения животного. Применение технологии ЬГОЛЯ позволяет существенно сократить время (до 5 минут) для получения силуэта коровы и измерения параметров тела. Но для четкого и полного контура крупного рогатого скота требуются общее решение для фильтрации шумов на изображении и качественная ка-
либровка датчика с технологией ЬГОЛЯ. Аналогичной приведенной разработке является технология применения камеры глубины Ктей [7-10], способной получить облако точек для реконструкции 3Б поверхности тела животного. Существенным недостатком этой технологии является требование к освещению помещения, где находится исследуемый объект.
Анализируя современные методы получения промеров тела крупного рогатого скота, можно сделать вывод, что они являются дорогостоящими, требуют использование высокотехнологичного оборудования и не приспособлены к измерению промеров тела в условиях производства. В настоящее время актуальной остается задача поиска новых методов измерения крупного рогатого скота или усовершенствования бесконтактных методов. Полученные данные по экстерьеру животного позволят оценить конституциональный тип животного. А взаимосвязь типа телосложения коровы и ее молочной продуктивности дает возможность прогнозировать показатели молочной продуктивности молодняка. Взаимосвязь комплексной оценки типа телосложения, генотипической и фено-типической особенностей животного позволит сформулировать комплексную оценку животных по племенной ценности и производственному типу, их здоровью и перспективы использования. В связи с этим целью наших исследований являлась разработка способа получения экстерьерных показателей коров для создания математической модели прогноза живой массы и молочной продуктивности коров на ранней стадии развития ремонтного молодняка.
Материал и методы исследования. Научно-хозяйственный опыт и экспериментальные исследования проведены в период 20192021 гг. в следующих племенных предприятиях Удмуртской Республики: ООО «Чура», Глазовский район; ООО «Россия», Можгин-ский район; СПК (колхоз) «Удмуртия», Ва-вожский район; АО «Путь Ильича», Завья-ловский район. В эксперименте использовались коровы черно-пестрой и холмогорской пород (2000 голов). На 3-5 месяце лактации
для оценки экстерьера животных были получены основные промеры тела, такие, как высота в холке, глубина груди, ширина груди, ширина в маклоках, прямая длина тазобедренной области, прямая длина туловища, обхват пясти. Для получения параметров телосложения использовали контактный метод и два бесконтактных метода.
Первый способ заключается в получении промеров тела при помощи измерительных инструментов: мерная лента, мерная палка, циркуль. Суть второго способа заключается в определении параметров экстерьера коров путем обработки изображений, полученных методом фотографирования.
Как известно [11], для определения размера L объекта по снимку необходимо знать несколько параметров: размер объекта на снимке L', например, в пикселях, расстояние от камеры до объекта а, расстояние от изображения до линзы фотоаппарата b (рис. 1). Тогда из формул тонкой линзы (1, 2) можно определить L (3):
La
F = 7; (1)
- = 1 + -, (2)
fab ' w
где f- фокусное расстояние линзы;
L=(a-i)^'. (3)
та по фотографии сводится к определению размеров пикселей из данных о матрице используемого фотоаппарата. В паспортных данных объектива матрицы фотоаппарата обычно приводятся два возможных типоразмера, например, 2/3" и 1/2". В зависимости от линейного размера сенсора будет меняться линейный размер пикселя. Таким образом, необходимо указать конкретный размер сенсора. Линейный размер пикселя определятся как:
s = 2^ti(§),
(4)
Рис. 1. Схема хода лучей через тонкую собирающую линзу (линзу фотоаппарата)
Размер объекта на снимке задается в пикселях; следовательно, размер предмета получится в пикселях. Для перевода исследуемых параметров в систему СИ необходимо знать линейные размеры пикселей. Сложность задачи определения истинных размеров объек-
где / - фокусное расстояние объектива, а -угол зрения объектива по горизонтали - Н или по вертикали - V.
Для более точного измерения размера пикселя рекомендуется сфотографировать тест-объект с заведомо известными размерами. Это необходимо для определения фокусного расстояния матрицы, т. к. в паспорте фотоаппарата приводят два размера: передний и задний фокус. Если на разных расстояниях до объекта при одном и том же фокусном расстоянии, принятом как передний фокус, размеры пикселя, полученные по формуле (4), отличаются друг от друга, то скорее всего фокусное расстояние будет приближаться к заднему фокусному расстоянию.
Как видно из описания, определение линейных параметров объекта по изображению методом вычисления размера пикселя имеет ряд недостатков: неоднозначность величин, требуемых для расчета размера пикселя; необходимость проводить тестовые исследования с целью определения параметров матрицы фотоаппарата; необходимость замерять расстояние от камеры до объекта. Указанные недостатки приводят к дополнительным методическим и случайным погрешностям в определении линейных размеров животного по фотографии.
Нами был предложен (использован) метод получения промеров животного по изображению с помощью введения в кадр пер-спектометра, размеры которого заведомо известны. В качестве перспектометра была применена метровая линейка. Изображение получено на цифровом фотоаппарате, уста-
новленном на штативе, с использованием сетки фокусировочного экрана. Указанная функция позволяет выровнять получаемое изображение относительно экрана фотоаппарата. Так, были получены три проекции животного: вид сбоку, сзади и спереди. При снятии первой проекции животное располагалось параллельно экрану фотоаппарата, в двух других случаях - перпендикулярно.
Полученные изображения были обработаны в графическом редакторе (Autodesk, AutoCAD, Paint) следующим образом. На изображении были определены границы пер-спектометра и исследуемых параметров, затем между ними проведена линия (рис. 2). Таким образом, были найдены интересующие нас размеры в пикселях.
в)
Рис. 2. Схема снятия промеров по изображениям животных: а) - вид спереди, б) - вид сзади, в) - вид сбоку; 1 - перспектометр, 2 - ширина груди, 3 - ширина в маклоках, 4 - длина тазобедренной области, 5 - прямая длина туловища, 6 - глубина груди, 7 - высота в холке, 8 - обхват пясти
Истинные размеры экстерьерных параметров животных были вычислены по формуле:
(5)
где I - длина перспектометра, см; 51 - размер перспектометра в пикселях; 52 - размер объекта в пикселях. Длина линии в пикселях вычислена как гипотенуза прямоугольного треугольника, катеты которого составляют длину и ширину выделенной области при определении того или иного промера по изображению.
Нами был предложен (использован) третий способ определения экстерьерных параметров. Суть метода заключается в обработке изображений, полученных с помощью сенсора глубины StructureSensor 3D [12]. Сенсор глубины имеет программное оснащение (StructureSensorScanner, M3DScan, Й-8ее23Б, З^йш^е^оАоотСарШге), позволяющее получать информацию о расстоянии между объектами и от камеры до объекта, а также определять линейные размеры животного в режиме реального времени. В нашем эксперименте параметры экстерьера были определены в режиме онлайн (рис. 3-5).
Рис. 4. Определение промера - высота в холке
не превышает 5%. Полученные результаты по экстерьеру крупного рогатого скота были статистически обработаны (среднее значение, ошибка средней, коэффициент вариации, среднее квадратическое отклонение, коэффициент корреляции) для разработки формулы экстерьерного индекса (6) и тазобедренного индекса (7):
р^гр _ V^корпус животногсГОП
ВХ
Рис. 5. Определение промера - ширина в маклоках
Результаты исследований и обсуждение. В анализируемой популяции коровы имели хорошие экстерьерные особенности, свойственные крупному рогатому скоту молочных пород. Они обладали крепким и глубоким туловищем, хорошими параметрами высотных промеров, правильно поставленными передними и задними конечностями.
Вариабельность величины параметров экстерьерных особенностей составила от 3,56% до 8,87%. Достоверных различий по величине основных промеров, свидетельствующих об экстерьерных особенностях животного и полученных разными способами, не выявлено, за исключением промера «обхват пясти», разница по которому составила 4,4% (Р <0,01) и 3,4% (Р <0,05). Некоторые промеры, характеризующие степень развития отдельных систем и органов организма и представляющие интерес для исследователя, такие, как «обхват пясти» (характеризует степень развития костяка), являются одними из самых «неудобных» промеров в плане их определения, а полученные результаты имели достаточно высокую погрешность (4,41% и 3,43%). По величине полученных промеров погрешность между первым и вторым способами варьировала от 1,04% до 2,51%, а между первым и третьим способами - от 0,97% до 3,62%.
Таким образом, погрешность между величинами измерений, собранными контактным способом и методом обработки изображений, полученных путем фотографирования, а также погрешность между измерениями контактным способом и методом получения промеров с помощью сенсора глубины,
(6)
где объем корпуса животного определяется по формуле усеченной пирамиды:
^корпус животного ^ '
ПДТ ■ ((ШМ ■ ДТОБ) +
/ГГ-ШГ-ШМ-ДТОБ + (ШГ ■ ГГ)),
где ИТ - индекс телосложения; ПДТ -прямая длина туловища, ШМ - ширина в маклоках, ДТОБ - длина тазобедренной области, ГГ - глубина груди, ШГ - ширина груди, ОП - обхват пясти, ВХ - высота в холке, см.
Для разработки формулы тазобедренного индекса были получены дополнительные промеры, такие, как длина крестца (ДК), глубина туловища в поянице (ГП), ширина зада в седалищных буграх (ШЗ):
утл г-1 --/^тазобедренной области
И1ОБ —-, (7)
ПДТ ' 4 '
где объем тазобедренной области животного определяется также по формуле усеченной пирамиды:
V
= 1-ДК-((ШМ-ГП) +
тазобедренной области
/ШЗ-ДТОБ-ШМ-ГП + (ШЗ ■ ДТОБ)).
Разработанные формулы по определению экстерьерных индексов животного наиболее полно и в комплексе характеризуют его тип телосложения и позволяют выявить экстерь-ерно-конституциональный тип животного [13, 14]. Анализ и оценка коэффициента корреляции между признаками дают возможность прогнозировать так называемую косвенную селекцию, когда, проводя отбор по одному признаку, мы косвенно меняем и другой, связанный с ним. Представляет интерес изучение взаимосвязи между экстерь-ерным индексом и промерами, формирующими тип телосложения. Выявлена положительная взаимосвязь между экстерьерным
индексом телосложения и промерами, характеризующими степень развития корпуса животного (прямая длина туловища, ширина груди, глубина груди, прямая длина тазобедренной области, ширина в маклоках), которая варьировалась в пределах от 0,13 до 0,52. Логичной является отрицательная связь (г = -0,28) между экстерьерным индексом телосложения и ростом животного. Связь между удоем, качественными показателями молока и экстерьерными признаками была слабой или вообще отсутствовала (г - в пределах от -0,34 до +0,25). В то же время следует отметить положительную (г = +0,19) корреляционную связь между экстерьерным индексом телосложения и продуктивным индексом.
По отработанной ранее методике получения промеров тела животного с использованием сенсора глубины были оценены по экстерьеру 253 головы молодняка (в возрасте 18 месяцев) разного происхождения: 128 бычков, выращиваемых на мясо, и 125 телок, выращиваемых на ремонт стада. Все животные были распределены на три группы в зависимости от происхождения: 1 группа - бычки и телочки черно-пестрой породы; 2 группа -бычки и телочки абердин-ангусской породы; 3 группа - помесные бычки и телочки первого поколения, полученные при скрещивании коров черно-пестрой породы с быками-производителями абердин-ангусской породы.
В качестве экстерьерных показателей были выбраны: прямая длина туловища, глубина груди, ширина груди, ширина зада в седалищных буграх, прямая длина тазобедренной области, обхват пясти. Промер обхват пясти введен в формулу для учета развития костной системы. По определенному соотношению величин этих показателей был рассчитан индекс туловища (ИТул) и определен индекс массы тела (ИМТ) по формуле:
ИТул = (8)
где ^туловища = 1/3 ■ ПДТ ■ (ГГ * ШГ +
7(ГГ*ШГ*ДТОБ*ШЗ) + ДТОБ * ШЗ);
ИТ
ИМТ = —,
m
где m - живая масса, кг.
(9)
Признаки экстерьера, живая масса и интенсивность роста скота характеризуются определенной взаимосвязью между собой. Полученный расчетным путем индекс массы тела используется как коэффициент прогноза живой массы животного. Способ позволяет повысить эффективность проведения зоотехнических мероприятий по учету живой массы крупного рогатого скота, не используя при этом трудоемкий процесс взвешивания.
Выводы. Сравнительный анализ бесконтактных способов получения промеров тела КРС показывает, что они имеют недостатки, и следовательно, появляется необходимость в усовершенствовании этих методов или в создании новых. В качестве приоритетного способа получения промеров животных был использован способ для измерения экстерь-ерных показателей животных с помощью сенсора глубины StructureSensor 3D. С его помощью были измерены до 10 параметров экстерьера за короткое время. Погрешность измерения не превышает 3%.
Была разработана формула индекса типа телосложения для выявления экстерьерно-конституционального типа животного. Благодаря корреляционной взаимосвязи экстерьера и продуктивности коров, индекс типа телосложения позволяет прогнозировать показатели молочной продуктивности телок на ранней стадии развития. Разработанный индекс массы тела, основываясь на тесной взаимосвязи экстерьерных параметров и массы тела животного, позволяет прогнозировать живую массу молодняка. Разработанные индексы и их обоснованная взаимосвязь позволяют создать математическую модель по прогнозированию молочной и мясной продуктивности скота на ранней стадии развития.
Литература:
1. Conte A.F. Variability of genetic parameters for linear type traits in Russian black-and-white cattlepopulation // J. of Dairy and Beef Cattle Breeding. 2017. № 8. Р. 3-9.
2. Brade W. Body size of Holstein cows - A critical analysis from the point of view of breeding and animal welfare // Berichte uber Landwirtschaft. 2017. V. 95.
3. Бабайлова Г.П. Молочная продуктивность и пожизненный удой коров черно-пестрой породы разных типов телосложения // Зоотехния. 2014. № 2. С. 15-17.
4. Арзуманян Е.А. Основы экстерьера КРС. М., 1957.
5. Huang L. Non-contact body measurement for qinchuan cattle with LiDAR sensor // Sensors. 2018. 18(9). 3014.
6. Huang L. Body dimension measurements of qinchuan cattle with transfer learning // Sensors. 2019. 19(22). 5046.
7. Ruchay A. Fusion of information from multiple kinect sensors for 3d object reconstruction // Computer Optics. 2018. 42(5). 898-903.
8. Halachmi I. Cow body shape and automation of condition scoring // J. of Dairy Science. 2008. 91. 4444-4451.
9. Shi C. Mobile measuring system based on LabVIEW for pig body components estimation in farm // Computers and electronics in agriculture. 2019. 156. Р. 399-405.
10. Popescu C.R. Real-time 3D reconstruction using a kinect sensor // Comput. Sci. and Inf. Tech. 2014. 2. 95-99.
11. Ивченко В. К анализу модели тонкой оптической линзы // Физобразование в ВУЗах. 2012. № 1. С. 81-86.
12. Определение числовых значений экстерьера с использованием мобильных систем и информационных технологий / И.А. Баранова и др. // Техника и технологии в животноводстве. 2022. № 3(47). С. 16-20.
13. Молочная продуктивность коров разных экстерь-ерно-конституциональных типов / С.Д. Батанов и др. // Известия ТСХА. 2021. № 2. С. 102-113.
14. Пат. 2764307 РФ. Способ определения комплексного индекса телосложения и ЭКТ животных / Батанов С.Д. и др. Заяв. 29.12.20; Опубл. 17.01.22.
Literatura:
1. Conte A.F. Variability of genetic parameters for linear type traits in Russian black-and-white cattlepopulation // J. of Dairy and Beef Cattle Breeding. 2017. № 8. R. 3-9.
2. Brade W. Body size of Holstein cows - A critical analysis from the point of view of breeding and animal welfare // Berichte uber Landwirtschaft. 2017. V. 95.
3. Babajlova G.P. Molochnaya produktivnost' i pozhiz-nennyj udoj korov cherno-pestroj porody raznyh tipov te-loslozheniya // Zootekhniya. 2014. № 2. S. 15-17.
4. Arzumanyan E.A. Osnovy ekster'era KRS. M., 1957.
5. Huang L. Non-contact body measurement for qinchuan cattle with LiDAR sensor // Sensors. 2018. 18(9). 3014.
6. Huang L. Body dimension measurements of qinchuan cattle with transfer learning // Sensors. 2019. 19(22). 5046.
7. Ruchay A. Fusion of information from multiple kinect sensors for 3d object reconstruction // Computer Optics. 2018. 42(5). 898-903.
8. Halachmi I. Cow body shape and automation of condition scoring // J. of Dairy Science. 2008. 91. 4444-4451.
9. Shi C. Mobile measuring system based on Lab-VIEW for pig body components estimation in farm // Computers and electronics in agriculture. 2019. 156. R. 399-405.
10. Popescu C.R. Real-time 3D reconstruction using a kinect sensor // Comput. Sci. and Inf. Tech. 2014. 2. 95-99.
11. Ivchenko V. K analizu modeli tonkoj opticheskoj lin-zy // Fizobrazovanie v VUZah. 2012. № 1. S. 81-86.
12. Opredelenie chislovyh znachenij ekster'era s ispol'zo-vaniem mobil'nyh sistem i informacionnyh tekhnologij / I.A. Baranova i dr. // Tekhnika i tekhnologii v zhivotno-vodstve. 2022. № 3(47). S. 16-20.
13. Molochnaya produktivnost' korov raznyh ekster'erno-konstitucional'nyh tipov / S.D. Batanov i dr. // Izvestiya TSHA. 2021. № 2. S. 102-113.
14. Pat. 2764307 RF. Sposob opredeleniya kompleksnogo indeksa teloslozheniya i EKT zhivotnyh / Batanov S.D. i dr. Zayav. 29.12.20; Opubl. 17.01.22.
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR COWS EXTERIOR INDICATORS' MATHEMATICAL PREDICTION MODELS OF LIVE WEIGHT AND MILK PRODUCTION OBTAINING TO CREATE I.A. Baranova, candidate of physical-and-mathematical sciences, docent FGBU VO Udmurt state agrarian university
Abstract. The relationship identification between the animal's body type and genotypic and phenotypic features will allow a comprehensive of animals assessment by breeding value and production type, their health and prospects for use to formulate. In this regard, an important component of a comprehensive assessment is the exterior's indicators of animal's determination. Currently, contact and contactless methods of animal's measurements determining in animal science are used. However, analyzed methods at practical application have disadvantages. A new approach to exterior assessment is presented. The exterior's parameters by animal images' processing with photographing and depth sensor using were determined. The body's main measurements, such as height at the withers, chest depth, chest width, rump width, hip straight length, straight length of the body, pastern's circumference, rump length, back's depth in the lower, pine bone width, were measured in industrial conditions. They were with 1 mm and an error close to 2% of accuracy determined. On the basis of animal obtained measurements, formulas for body type's index calculating were developed, that make it possible the animal's exterior-and-constitutional type to identify. Given the high degree of correlation between exterior parameters and milk production, exterior parameters and live weight, the calculated body type's indexes are the basis for cows' milk and meat production predicting. Keywords: contactless method, body mass index, milk production, live weight, prediction, mathematical model.
For citation: Baranova I.A. Development of a method for cows exterior indicators' mathematical prediction models of live weight and milk production obtaining to create // Machinery and technologies in livestock. 2023. No. 1(49). p. 35-41. EDN LKIDPM
