Volare Insetto rilevamento e classificazione con sensori Economico

Sommario

Abbiamo proposto un sistema che utilizza poco costoso, sensori non invasivi pseudo-acustico ottici per rilevare automaticamente e con precisione, contare e classificare insetti base al loro suono volare volare.

Abstract

Un sistema poco costoso, non invasivo in grado di classificare con precisione insetti volanti avrebbe importanti implicazioni per la ricerca entomologica, e consentire lo sviluppo di molte applicazioni utili nel vettore e di controllo dei parassiti sia per entomologia medica e agricolo. Dato questo, negli ultimi 60 anni hanno visto molti sforzi di ricerca dedicati a questo compito. Ad oggi, tuttavia, nessuna di queste ricerche ha avuto un impatto duraturo. In questo lavoro, dimostriamo che i sensori ottici pseudo-acustiche in grado di produrre dati superiore; che funzionalità aggiuntive, sia intrinseco ed estrinseco al comportamento in volo dell'insetto, può essere sfruttata per migliorare la classificazione degli insetti; che un approccio di classificazione bayesiana consente di imparare in modo efficace modelli di classificazione che sono molto robusti a un eccesso di montaggio, e un quadro generale di classificazione permette di incorporare facilmente numero arbitrario di funzioni. Dimostriamo i risultati con esperimenti su larga scala che minimizzano tutte le opere precedenti COMBIned, misurata dal numero di insetti e il numero di specie considerate.

Introduzione

L'idea di classificare automaticamente insetti utilizzando il suono incidentale del loro volo risale ai primi giorni di computer e disponibile in commercio apparecchi di registrazione audio ^1. Tuttavia, sono stati compiuti pochi progressi su questo problema nei decenni successivi. La mancanza di progressi in questa ricerca può essere attribuito a diversi fattori correlati.

In primo luogo, la mancanza di sensori efficaci ha reso difficile la raccolta dei dati. La maggior parte degli sforzi per raccogliere dati hanno utilizzato i microfoni acustici ^2-5. Tali dispositivi sono estremamente sensibili al rumore del vento e il rumore ambientale nell'ambiente, con conseguente dati molto radi e di bassa qualità.

In secondo luogo, aggravando i problemi di qualità dei dati è il fatto che molti ricercatori hanno tentato di imparare modelli di classificazione molto complicati, specialmente le reti neurali ^6-8. Cercando di imparare complicati modelli di classificazione, con soli decine di esempi,è una ricetta per over-fitting.

In terzo luogo, l'difficilmente dei dati ottenere ha fatto sì che molti ricercatori hanno tentato di costruire modelli di classificazione con dati molto limitati, da un minimo di 300 istanze di ⁹ o meno. Tuttavia, è noto che per la costruzione di modelli di classificazione accurati, più dati è meglio ^10-13.

Questo lavoro affronta tre questioni. Ottici (piuttosto che acustica) sensori possono essere utilizzati per registrare il "suono" del volo degli insetti da metri di distanza, con totale invarianza di rumore del vento e suoni ambientali. Questi sensori hanno permesso la registrazione di milioni di casi di formazione etichettati, molti più dati rispetto tutti gli sforzi precedenti messi insieme, e, quindi, contribuire ad evitare gli sforzi di ricerca precedenti over-montaggio che ha afflitto. Un metodo di principio è illustrato di seguito, che consente l'integrazione di ulteriori informazioni nel modello di classificazione. Queste informazioni aggiuntive possono essere quotidiana e comefacile da ottenere come il tempo del giorno, ma ancora producono significativi aumenti di accuratezza del modello. Infine, è dimostrato che le enormi quantità di dati che abbiamo raccolto ci permettono di approfittare di "L'irragionevole efficacia dei dati" ¹⁰ per la produzione di classificatori semplici, precise e solide.

In sintesi, la classificazione degli insetti volanti si è spostata al di là delle affermazioni dubbie creati nel laboratorio di ricerca ed è ora pronto per la distribuzione nel mondo reale. I sensori e software presentati in questo lavoro fornirà ai ricercatori di tutto il mondo strumenti robusti per accelerare la loro ricerca.

Protocollo

1. Insetti Colony e allevamento

1. Mosquito Colony e allevamento
   1. Tarsalis posteriori Culex, quinquefasciatus Culex, stigmatosoma Culex e Aedes aegypti adulti provenienti da colonie di laboratorio, che ha avuto origine da individui selvatici catturati.
   2. Larve di zanzara posteriore in pentole smaltate in condizioni standard di laboratorio (27 ° C, 16: luce 8 ore: scuro [LD] ciclo con 1 hr periodi tramonto / alba), e ad libitum nutrirsi di una miscela di roditore terra chow e lievito di birra (3: 1, v: v).
   3. Raccogliere pupe di zanzara in 200 ml tazze, e metterli nelle camere sperimentali. In alternativa, aspirare le zanzare adulte nelle camere sperimentali entro 1 settimana di emergenza. Assicurarsi che ogni camera sperimentale contiene da 20 a 40 individui della stessa specie / sesso.
   4. Mangimi zanzare adulte ad libitum su una saccarosio del 10% e la miscela di acqua. Sostituire alimentare settimanale.
   5. Inumidire asciugamani in cotone due volte a settimana e plli ace sopra le camere sperimentali per mantenere l'umidità all'interno della gabbia. Inoltre, posizionare una tazza di 200 ml di acqua di rubinetto nella camera a tutte le ore per aiutare a mantenere il livello di umidità complessivo.
   6. Mantenere le camere sperimentali su un 16: 8 ore di luce: buio ciclo [LD], 20,5-22 ° C e 30-50% di umidità relativa per tutta la durata dell'esperimento.
2. Casa Fly and Fruit Fly Colony e allevamento
   1. Musca domestica posteriore da una colonia di laboratorio, derivato da selvatici catturati individui. Cattura selvatici Drosophila simulans individui e li posteriori nelle camere sperimentali.
   2. Posteriore larve di Musca domestica in vasche di plastica in condizioni standard di laboratorio (12:12 ora di luce: buio [LD] ciclo, 26 ° C, 40% RH) in una miscela di acqua, farina di crusca, erba medica, lievito e latte in polvere. Posteriori Drosophila simulans larve in una camera di allevamento e ad libitum nutrirsi di una miscela di decomposizionefrutta.
   3. Aspirare adulto Musca domestica in camere sperimentali entro 1 settimana di emergenza. Adulti di Drosophila simulans possono essere direttamente allevati nelle camere sperimentali. Prima della raccolta dei dati, assicurarsi che ogni camera sperimentale contiene non più di 10-15 domestica Musca individuale o 20-30 individuali Drosophila simulans.
   4. Alimentare adulto Musca domestica ad libitum su una miscela di zucchero e basso contenuto di grassi del latte essiccato, con libero accesso all'acqua. Alimentazione adulto Drosophila simulans ad libitum su una miscela di frutta marcia. Sostituire alimentare settimanale.
   5. Mantenere camere sperimentali su 16: 8 ore di luce: buio [LD] ciclo, 20,5-22 ° C e 30-50% di umidità relativa per tutta la durata dell'esperimento.

2. Record volanti Suoni in Chambers sperimentali

1. Impostazione camera sperimentale
   Nota: Un "c sperimentaleHamber "denota la gabbia progettata nel nostro laboratorio, in cui è stato registrato il dato. Il sensore è piuttosto economico. Quando costruita alla rinfusa, un set up potrebbe essere prodotto per meno di $ 10.
   1. Costruire una camera sperimentale, una delle maggiori dimensioni: 67 centimetri L x 22 cm L x 24,75 centimetri H, o la taglia più piccola: 30 cm L x 20 cm L x 20 cm H. La camera sperimentale è costituito da una matrice fototransistor e un linea laser indicando la matrice fototransistor.
      NOTA: Inoltre, la camera è costituita da Kritter custodi che sono modificati per includere l'apparato sensore e un manicotto attaccato ad un pezzo di tubazioni in PVC per consentire l'accesso agli insetti.
   2. Collegare l'array fototransistor ad una scheda elettronica. L'uscita della scheda elettronica si inserisce in un registratore audio digitale e viene registrato come dati audio in formato MP3. Vedere la progettazione logica del sensore di Figura 1, parte e una versione fisica della camera in Figura 1.I.
   3. modificare i coperchi delle sezioni sperimentali con un pezzo di panno di maglia apposto l'interno, al fine di evitare la fuga degli insetti.
      NOTA: Quando un insetto vola attraverso il fascio laser, le ali parzialmente occludono la luce, provocando piccole fluttuazioni di luce. Le fluttuazioni di luce vengono catturati dalla matrice fototransistor come variazioni di corrente, e il segnale viene filtrato e amplificato dal custom designed scheda elettronica.
2. Configurare il sistema per registrare suoni prodotti da insetti volanti
   1. Collegare la camera sperimentale di un alimentatore. Accendere l'alimentazione.
   2. Nella camera sperimentale, trovare le luci laser e photoarray. Allineare le luci laser al photoarray. Per ottenere l'allineamento corretto, regolare la photoarray utilizzando i magneti all'esterno della camera sperimentale che corrispondono ai magneti fissati alla photoarray sul interno della camera fino a quando la luce laser è centrata su tutto il fotodiodo individuoes.
   3. Eseguire due controlli di integrità per assicurarsi che il sistema sia impostato correttamente.
      Nota: Il primo passo è quello di assicurarsi che il sistema è alimentato, tutti i cavi siano collegati correttamente e che il laser è puntato verso la matrice fotografia. Il secondo passo è quello di condurre ulteriori verifiche sul grado di allineamento laser per garantire che possa catturare il suono del battito d'ali degli insetti.
      1. Collegare le cuffie (piuttosto che il registratore) nel jack audio. Tuffo mano dentro e fuori la camera sperimentale, vicino al photoarray, per rompere il piano della luce laser. Assicurarsi che la luce laser è acceso (sarà un fascio di luce rossa), e che si rompere il piano della luce un paio di volte con la mano. Ascoltare per i cambiamenti nel livello di rumore come la mano va dentro e fuori del fascio di luce. Se si rileva una differenza udibile, il sensore è in grado di catturare i suoni prodotti dal movimento di oggetti di grandi dimensioni. In caso di successo, passare al successivo controllo di integrità, in caso contrario, controllare se la cuffia è collegata correttamente ese il laser è puntato verso il photoarray. Regolare il photoarray di conseguenza fino al suono della mano in movimento dentro e fuori dalla camera sperimentale può essere ascoltato.
      2. Applicare un sottile pezzo di cablaggio elettrico per uno spazzolino da denti automatico. Accendere lo spazzolino da denti, e immergere il cablaggio dentro e fuori la camera sperimentale vicino al phototarray. Assicurarsi che la luce laser colpisce il pezzo di cablaggio come si muove. Se si rileva un cambiamento udibile in frequenza, quando il pezzo di cablaggio rompe il piano di luce laser, il sistema è pronto a catturare i suoni prodotti dal movimento di oggetti piccoli, cioè, suoni di insetti. Se non si rileva una differenza udibile, tornare al punto 2.2.2 per ri-allineare le luci laser e il photoarray.
   4. Dopo che il sistema sia configurato correttamente, chiudere il coperchio e aggiungere gli insetti.
3. Raccolta dati: Record suoni prodotti da insetti volanti
   1. Accendere il registratore e fare un voice l'annotazione che include le seguenti informazioni: nome della specie nella camera sperimentale, l'età degli insetti, la data e l'ora, corrente RT ambiente e l'umidità relativa. Mettere in pausa la registrazione.
   2. Collegare il registratore al sistema, tramite il cavo audio, e riprendere la registrazione. Lasciare il registratore per registrare per 3 giorni, poi interrompere la registrazione.
   3. Scaricare i dati dal registratore in una nuova cartella sul PC. Svuotare il registratore cancellando i dati.
   4. Ripetere il processo di registrazione di cui sopra, fino a quando gli altri insetti sono morti fuori e non ci sono più di 5 insetti rimasti in vita nella gabbia.

3. Sensor Data Processing e rilevamento di suoni prodotti da insetti volanti

1. Utilizzare software per rilevare suoni prodotti da insetti volanti.
   Nota: il software (algoritmo di rilevamento) è molto più veloce del tempo reale. Ci vuole meno di 3 ore per elaborare una sessione di registrazione, vale a dire, tre giorni di datuna, su una macchina standard con CPU Intel (R) Core ™ a 2,00 GHz e 8 GB di RAM.
   1. Per ogni cartella contenente i dati da una sessione di registrazione, eseguire il software di rilevamento per rilevare i suoni di insetti. Per eseguire il software, aperto MATLAB, e digitare "circandian_wbf (datadir)" nella finestra di comando, dove DATADIR è la directory dei dati di registrazione. Quindi premere "Invio" per iniziare.
      NOTA: Scaricare il circadian_wbf software di rilevamento di riferimento # 16.
   2. Attendere che l'algoritmo termina, quindi controllare i risultati del rilevamento. Le uscite algoritmo tutta l'insetto rilevato suoni in una nuova cartella denominata "DATADIR _extf", dove DATADIR è la stessa come nel passaggio precedente. Ogni file audio è una lunga clip audio 1 sec originariamente estratto dalla registrazione crudo, con un filtro digitale applicata per rimuovere il rumore. Il tempo di occorrenza di ogni suono rilevato viene salvato in un file denominato "datadir _time.mat &# 8221 ;. Osservare l'esempio di un suono insetto rilevato nella Figura 2.
2. Algoritmo di rilevamento
   1. Utilizzare una finestra scorrevole lungo 0,1 sec per scorrere attraverso la registrazione. La finestra scorrevole parte dall'inizio della registrazione. Per ogni finestra, attenersi alla seguente procedura.
      1. Calcola la frequenza fondamentale della finestra corrente.
      2. Se la frequenza fondamentale è compreso tra 100 Hz a 1.200 Hz, quindi effettuare le seguenti operazioni:
         1. Estrarre il lungo di 1 secondo clip audio di centraggio alla finestra corrente dalla registrazione; applicare un filtro digitale per rimuovere il rumore nella clip e salvare l'audio filtrato nella cartella "datadir _extf".
         2. Salvare il tempo di comparsa della finestra corrente nel file "datadir _Time".
         3. Spostare la finestra scorrevole al punto che segue immediatamente il clip audio estratto.
      3. Se il fr fondamentaleequency NON è compresa tra 100 Hz a 1.200 Hz, è sufficiente spostare la finestra scorrevole 0,01 sec in avanti.
   2. Ripetere il processo fino a quando la finestra scorrevole raggiunge la fine della registrazione.

4 Insect Classificazione

1. Classificazione bayesiana utilizzando solo il volo Suono
   Nota: classificatore bayesiano è un classificatore probabilistico che classifica un oggetto alla sua più probabile classe.
   1. Caratteristica del suono di calcolo
      1. Per ogni suono insetto, calcolare lo spettro di frequenza del suono utilizzando la trasformata discreta di Fourier (DFT). Troncare lo spettro di frequenza per includere solo i punti dati corrispondenti alla gamma di frequenza: 100 Hz a 2.000 Hz. Lo spettro di frequenza troncato viene poi utilizzato nella classificazione come "rappresentante" del suono dell'insetto.
         NOTA: L'DFT è un algoritmo che trasforma i segnali nel dominio del tempo al dominio della frequenza. Si tratta di un edificio dfunzione lt nella maggior parte delle biblioteche di programmazione, e può essere richiamato nel programma con una sola riga di codice.
   2. Addestrare un classificatore bayesiano
      1. Utilizzare il metodo di stima della densità kNN ¹⁴ per imparare la distribuzione di probabilità a posteriori utilizzando la funzione audio. Con l'approccio kNN, la fase di formazione è quello di costruire un dataset di formazione.
         1. Casualmente assaggiare una serie di suoni di insetti dai dati raccolti per ciascuna specie di insetti.
         2. Seguire i passaggi della sezione 4.1.1 e calcolare lo spettro di frequenza troncato per ogni suono campionato. Gli spettri tronche insieme con etichette di classe dei campioni "(nome della specie di insetto) composte di dati di addestramento.
   3. Utilizzare il classificatore bayesiano di classificare un insetto sconosciuto
      1. Calcolare lo spettro di frequenza troncata del suono insetto sconosciuto.
      2. Calcola la distanza euclidea tra lo spettro troncata del unknown oggetto e tutti gli spettri troncati nel dataset formazione.
      3. Trova il k superiore (k = 8 in questo documento) più vicini dell'oggetto sconosciuto nel dataset formazione. Calcola la probabilità a posteriori del suono insetto sconosciuto appartenente ad una classe come la frazione dei primi k vicini più vicini che sono etichettati come classe.
      4. Classificare l'oggetto sconosciuto alla classe che ha la più alta probabilità a posteriori.
2. Aggiungere una funzionalità al Classificatore: Insect ritmo circadiano
   1. Scopri le distribuzioni di classe condizionata dell'epoca verificarsi di suono insetto, che è, il ritmo circadiano per ogni specie di insetti.
      1. Ottenere il tempo di occorrenza di ogni suono dai risultati di rilevazione (cfr Sezione 3.2).
      2. Per ogni specie, costruire un istogramma del tempo di occorrenza suono insetto.
      3. Normalizzare l'istogramma in modo che l'area dell'istogramma è uno. Il normaleistogramma zata è il ritmo circadiano delle specie esaminate. Racconta la probabilità di osservare un insetto, di quella specie, in volo entro un certo periodo di tempo.
   2. Classificare un "suono insetto" sconosciuto combinando il "suono degli insetti" e il ritmo circadiano
      1. Dato il punto specifico nel tempo in cui si è verificato il suono insetto sconosciuto, ottenere la probabilità di osservare un insetto di classe sulla base del ritmo circadiano di classe.
         NOTA: Il ritmo circadiano è una distribuzione di probabilità. Si tratta di un array che specifica la probabilità di individuare un suono, prodotto da una precisa specie di insetti, in un momento specifico della giornata. Quindi una volta che viene dato un tempo, si può semplicemente verificare la matrice per ottenere la probabilità.
      2. Seguire i passaggi nella sezione 4.1.2 per calcolare la probabilità a posteriori che il suono sconosciuto appartiene alla classe utilizzando le caratteristiche del suono. Moltiplicare la probabilità a posteriori i risultati from il passaggio precedente per ottenere il nuovo probabilità a posteriori.
      3. Classificare il "suono sconosciuto" alla classe che ha la più alta nuova probabilità a posteriori.
3. Aggiungi una caratteristica più il classificatore: Distribuzione Insect Geographic
   1. Imparare la distribuzione geografica delle specie di interesse, sia da dati pubblicati in documenti storici, letteratura pertinente, o semplicemente raccogliere la conoscenza di prima mano da campi tecnici / biologi. A scopo dimostrativo, utilizzare una simulazione grafica della distribuzione, come mostrato in Figura 7.
   2. Classificare un "suono insetto sconosciuto" usando "volante sound" e le due caratteristiche aggiuntive.
      1. Data la posizione geografica in cui è stato ricevuto il suono insetto, calcolare la probabilità di osservare un insetto dalla classe in quella posizione specifica utilizzando la distribuzione grafica delle specie.
         1. Seguire i passaggi nella sezione 4.2.2 and calcolare la probabilità a posteriori che il "suono sconosciuto" appartiene alla classe utilizzando le caratteristiche sonore e ritmi circadiani. Moltiplicare il risultato di questo passaggio per i risultati della fase precedente, al fine di ottenere la nuova probabilità a posteriori.
      2. Classificare il "suono sconosciuto" alla classe che ha la più alta nuova probabilità a posteriori.
4. Un quadro generale per Aggiunta di funzionalità
   1. Si consideri il classificatore bayesiano che utilizza solo funzioni audio, come il classificatore primario. Seguire i passaggi riportati di seguito per aggiungere nuove funzionalità al classificatore.
      1. Nella fase di formazione, imparare le funzioni di densità di classe condizionata della nuova funzione.
      2. Nella fase di classificazione, data la nuova caratteristica del "suono sconosciuto", calcolare la probabilità di osservare la funzione in classe utilizzando le funzioni di densità apprese nel passaggio precedente. Moltiplicare la nuova probabilità per la previous probabilità a posteriori corrispondente al "suono sconosciuto" appartenenti alla classe che sono stati calcolati sulla base solo le caratteristiche dispari, per ottenere la nuova probabilità a posteriori. Classificare l'oggetto sconosciuto alla classe che ha la più alta nuova probabilità a posteriori.

Risultati

Due esperimenti sono qui presentati. Per entrambi gli esperimenti, i dati utilizzati sono stati prelevati a caso da un set di dati che contiene oltre 100.000 oggetti.

Il primo esperimento dimostra la capacità del classificatore proposto di classificare con precisione differenti specie / sessi di insetti. Poiché la precisione classificazione dipende insetti da classificare, un unico valore assoluto per la precisione di classificazione non darà al lettore una buona intuizione sulle prestazioni...

Discussione

Il quadro sensore / classificazione qui descritta permette la classificazione economica e scalabile di insetti volanti. Le precisioni ottenibili dal sistema sono sufficienti per permettere lo sviluppo di prodotti commerciali bene e potrebbe essere un utile strumento per la ricerca entomologica.

La possibilità di utilizzare poco costoso, i sensori non invasivi per classificare con precisione e automaticamente insetti volanti avrebbe implicazioni significative per la ricerca entomologica. Ad e...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Registratore audio: ICD-PX312	Sony	4-267-065-11(2)	Con una microSD da 8 GB di memoria aggiuntiva
Insectary	Lee's Aquarium & Prodotti per animali domestici.	20088 HerpHaven®, grande rettangolo	14 1/2" di lunghezza x 8 3/4" di larghezza x 9 3/4" di altezza. Modificato per ospitare insetti.
Generatore di linee laser, 650 nm (rosso)	Apinex (www.apinex.com)	LN60-650	5 mW. Questo è un laser a bassa potenza, simile al puntatore laser di un insegnante
Array di fotodiodi	VISHAY SEMICONDUCTOR TEFD4300  FOTODIODO PIN, 650NM, 20DEG, T1	TEFD4300	Abbiamo realizzato un array personalizzato di 15 di questi fotodiodi cablati in parallelo.
Circuito integrato convertitore analogico-digitale	Realizzato su misura nel nostro laboratorio		Abbiamo realizzato noi stessi questo articolo, ma un prodotto facilmente reperibile in commercio, Gino PCF8591 AD/DA Converter, offre le stesse funzionalità.