Полет обнаружения насекомых и классификации с недорогих датчиков

Краткое содержание

Мы предложили систему, которая использует недорогие, неинвазивные псевдо-акустическая оптические датчики для автоматического и точного обнаружения, соперника, классифицировать летающих насекомых, основанные на их летающей звука.

Аннотация

Недорого, неинвазивный система, которая может точно классифицировать летающих насекомых будет иметь важные последствия для энтомологических исследований, и создать условия для развития многих полезных приложений в векторе и борьбы с вредителями, как для медицинского и сельскохозяйственной энтомологии. Учитывая это, в последние шестьдесят лет видел много исследовательских усилий, посвященные этой задачи. На сегодняшний день, однако, ни один из этих исследований не была долгосрочные последствия. В этой работе мы показываем, что псевдо-акустическая оптические датчики могут производить превосходную данных; что дополнительные функции, как внутренняя и внешняя к поведению полета насекомого, может быть использовано для улучшения классификации насекомых; что байесовский подход классификация позволяет эффективно изучать модели классификации, которые очень устойчивы к более облегающие, и общие рамки классификация позволяет легко включать произвольное количество функций. Мы демонстрируем результаты с крупномасштабных экспериментов, что карлик все предыдущие работы грузопассажирскийNED, как измеряется количеством насекомых и по числу видов, рассмотренных.

Введение

Идея автоматически классификации насекомых с помощью побочной звук их полета восходит к самым ранним дням компьютеров и продаже аудио записывающего оборудования ^1. Тем не менее, мало что было сделано по этой проблеме в прошедшие десятилетия. Отсутствие прогресса в этой погоне можно отнести к нескольким связанным факторов.

Во-первых, отсутствие эффективных датчиков сделала сбора данных трудно. Большинство усилий по сбору данных использовали акустические микрофоны ^2-5. Такие устройства крайне чувствительны к шум ветра и окружающего шума в окружающей среде, в результате чего очень редкими и некачественных данных.

Во-вторых, усугубляет эти проблемы качества данных является тот факт, что многие исследователи пытались узнать очень сложные модели классификации, особенно нейронных сетей ^6-8. Попытка узнать сложные модели классификации, с всего лишь десятками примеров,это рецепт для более-фитинга.

В-третьих, трудно получения данных означает, что многие исследователи пытались построить модели классификации с очень ограниченных данных, как мало, как 300 экземпляров ⁹ или менее. Тем не менее, известно, что для построения точные модели классификации, больше данных лучше ^10-13.

Эта работа охватывает все три вопроса. Оптические (а не акустический) датчики могут быть использованы для записи "звук" полета насекомых от метров, с полной инвариантности ветра шум и звуки окружающей среды. Эти датчики позволили запись миллионов меченых случаях учебных, гораздо больше данных, чем все предыдущие усилия вместе взятые, и тем самым помочь избежать более облегающие, которая преследует предыдущие исследовательские усилия. Принципиальный метод Ниже показано, что позволяет включение дополнительной информации в модели классификации. Эта дополнительная информация может быть как ежедневной газете и какпростой в получить как время-день, еще до сих пор производят значительный выигрыш в точности модели. Наконец, показано, что огромные объемы данных мы собрали позволяют нам воспользоваться "The необоснованного эффективности данных" ^10, чтобы произвести простые, точные и надежные классификаторы.

Таким образом, полет классификация насекомых вышла за пределы сомнительных претензий, созданных в научно-исследовательской лаборатории и теперь готов к реального развертывания. Датчики и программное обеспечение, представленные в этой работе будет предоставить исследователям по всему миру надежные инструменты для ускорения их исследования.

Протокол

1 Insect Colony и Разведение

1. Москитная Colony и Разведение
   1. Задние Culex tarsalis, Culex quinquefasciatus, Culex stigmatosoma, и Aedes aegypti взрослых от лабораторных колоний, которые возникли от дикой поймали лиц.
   2. Задняя личинки комаров в эмалированную посуду в стандартных лабораторных условиях (27 ° С, 16: 8 ч света: темно [LD] цикл с 1 ч периоды Сумерки / рассвет), и кормить их вволю на смеси земли грызунов и пивные дрожжи (3: 1, по объему).
   3. Соберите комаров куколки в 200 мл чашки, и поместить их в экспериментальных камерах. Кроме того, аспирации взрослых комаров в экспериментальных камерах в течение 1 недели появления. Убедитесь, что каждый экспериментальная камера содержит от 20 до 40 особей того же вида / пола.
   4. Кормовые взрослых комаров вволю на 10% сахарозы и водной смеси. Заменить пищи еженедельно.
   5. Смочить ватные полотенца два раза в неделю и пласе их сверху экспериментальных камер, чтобы поддерживать влажность в клетке. Кроме того, поместить в 200 мл чашку водопроводной воды в камере в любой момент времени, чтобы помочь сохранить общий уровень влажности.
   6. Поддержание экспериментальные камеры на 16: 8 ч света и темноты [LD] цикл, 20.5-22 ° C и 30-50% относительной влажности в течение всего срока эксперимента.
2. Дом Fly и муха Colony и Разведение
   1. Задняя Муха доместика из лаборатории колонии, происходит от дикой поймали лиц. Поймать диких Drosophila simulans лиц и тыл их в экспериментальных камерах.
   2. Задний Musca Domestica личинки в пластиковые ваннами в стандартных лабораторных условиях (12:12 ч света и темноты [LD] цикл, 26 ° С, 40% относительной влажности) в смеси воды, муки из отрубей, люцерна, дрожжей и сухого молока. Задние Drosophila simulans личинки в воспитании камеры и кормить их вволю на смеси гниенияфрукты.
   3. Аспирируйте взрослых Муха доместика в экспериментальных камерах в течение 1 недели появления. Взрослые Drosophila simulans можно непосредственно выращены в экспериментальных камерах. До сбора данных, убедитесь, что каждая экспериментальная камера не содержит не более 10-15 индивидуальный Musca Domestica или 20-30 индивидуальных Drosophila simulans.
   4. Поток взрослых Musca Domestica вволю на смеси сахара и низким содержанием жира сухого молока, со свободным доступом к воде. Поток взрослых Drosophila simulans вволю на смеси гниющих фруктов. Заменить пищи еженедельно.
   5. Поддержание экспериментальные камеры на 16: 8 ч света и темноты [LD] цикл, 20.5-22 ° C и 30-50% относительной влажности в течение всего срока эксперимента.

2. Запишите Летающие Звуки в экспериментальные камеры

1. Экспериментальная палата Setup
   Примечание: "экспериментальный CHamber "обозначает клетку, предназначенный в нашей лаборатории, в которой был записан данных. Датчик достаточно недорогой. Когда построили оптом, набор до можно изготовить менее чем за $ 10.
   1. Построить экспериментальную камеру, либо большего размера: 67 см Д х 22 см Ш х 24,75 см Н, или меньшего размера: 30 см Д х 20 см Ш х 20 см H. Экспериментальная камера состоит из массива фототранзистора и лазерная линия указывает на массив фототранзистора.
      Примечание: Кроме того, камера состоит из Kritter Хранителей, которые были изменены, чтобы включить устройство датчика, а также втулку, прикрепленную к части труб из ПВХ, чтобы разрешить доступ к насекомым.
   2. Подключите массив фототранзистор к электронной плате. Выход электронной плате каналы в цифровой диктофон и записывается как аудио данных в формате MP3. Смотреть логическую конструкцию датчика в рисунке 1.II и физического версии камеры на рисунке 1.I.
   Изменить крышки из экспериментальных камер с куском сетки ткани, прикрепленной к внутренней, чтобы предотвратить побег из насекомых.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Когда насекомое летит через лазерный луч, крылья частично закрывают свет, в результате чего небольшие колебания света. Световые колебания захватываются массива фототранзистора как изменения в текущих, а сигнал фильтруется и усиливается специально созданных электронная плата.
2. Настроить систему для записи звука Подготовлено летающих насекомых
   1. Подключите экспериментальную камеру к источнику питания. Включите питание.
   2. На экспериментальной камере, найти лазерные лучи и фотоматрица. Совместите лазерные лучи к фотоматрица. Для достижения правильного выравнивания, регулировать фотоматрица с помощью магнитов на внешней экспериментальной камере, которые соответствуют магнитов, прикрепленных к фотоматрица на внутренней камере, пока лазерный луч не сосредоточена на всех индивидуальных photodiodэс.
   3. Выполните два вменяемости проверок, чтобы убедиться, что система правильно настроить.
      Примечание: Первый шаг, чтобы убедиться, что система работает, все провода правильно подключены и лазер указывая на фото массива. Второй шаг заключается в проведении дальнейших проверок на лазерной центровки для обеспечения он может захватить звук wingbeats насекомых.
      1. Подключите наушники (вместо диктофона) в гнездо для наушников. Выточка руку в и из экспериментальной камере, вблизи фотоматрица, чтобы разбить плоскость лазерного света. Убедитесь, что лазерный луч на (это будет красный луч света) и, что вы нарушаете плоскости света несколько раз рукой. Прислушайтесь к изменениям в уровне шума, как ваша рука входит и выходит из светового пучка. При обнаружении звуковой разницу, датчик способен захватить звуки, производимые движением больших объектов. В случае успеха, перейти к следующей проверки отсутствия ошибок, иначе, проверить, если наушники подключены правильно или лазер указывая на фотоматрица. Отрегулируйте фотоматрица соответственно так, чтобы звук от руки не движется в и из экспериментальной камере можно услышать.
      2. Прикрепите тонкий кусок электропроводки к автоматическому зубной щеткой. Включение зубной щетки и погрузить проводку в и из экспериментальной камере, близкой к phototarray. Убедитесь, что лазерный свет бьет кусок проводки, как она движется. При обнаружении звуковой изменение в частоте, когда кусок проводки разрывает плоскость лазерного луча, система готова для захвата звуков, издаваемых при движении мелких объектов, т.е. звуков насекомых. Если вы не обнаружить заметное снижение, вернитесь к шагу 2.2.2 повторно совместите лазерные лучи и фотоматрица.
   4. После того как система правильно настроен, закройте крышку и добавьте насекомых.
3. Сбор данных: Запись звуков, производимых летающих насекомых
   1. Включите видеомагнитофон и сделать Voicэ аннотации, что включает в себя следующую информацию: название вида в экспериментальной камере, возраст насекомых, дата и время, текущей окружающей РТ, и относительной влажности. Приостановит запись.
   2. Подключите диктофон к системе, с помощью аудио кабеля, и возобновить запись. Оставьте рекордер для записи в течение 3 дней, затем остановить запись.
   3. Скачать данные с регистратора в новую папку на ПК. Слейте диктофон, удалив данные.
   4. Повторите описанную выше процедуру записи, пока остальные насекомые не вымерли и есть не более 5 насекомых осталось в живых в клетке.

Обработка 3 Датчик данных и Обнаружение звуков, производимых летающих насекомых

1. Используйте программное обеспечение для обнаружения звуков, производимых летающих насекомых.
   Примечание: Программное обеспечение (алгоритм обнаружения) гораздо быстрее, чем в реальном времени. Она занимает меньше 3 часов обрабатывать сессии записи, то есть три дня DAT, на стандартном компьютере с Intel (R) Core ™ CPU на 2,00 ГГц и 8 Гб оперативной памяти.
   1. Для каждой папки, содержащей данные из сеанса записи, запустить программу обнаружения для обнаружения звуков насекомых. Для запуска программы, открытое MATLAB, и наберите "circandian_wbf (DATADIR)" в окне командной, где DATADIR это каталог из записи данных. Затем нажмите "Enter", чтобы начать.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Скачать программное обеспечение для обнаружения circadian_wbf из источника № 16.
   2. Подождите, пока алгоритм не прекращает, а затем проверить результаты обнаружения. Выходы алгоритм всех обнаруженных насекомых звуков в новую папку под названием "DATADIR _extf", где DATADIR является такой же, как в предыдущем шаге. Каждый звуковой файл представляет собой 1 сек пор, аудиоклип первоначально извлечены из сырого записи, с цифровой фильтр применяется для удаления шума. Время появление каждого зарегистрированного звука сохраняется в файле с именем "DATADIR _time.mat &# 8221 ;. Соблюдайте пример обнаруженного звука насекомых на рисунке 2.
2. Обнаружение Алгоритм
   1. Используйте длинные раздвижные окна 0,1 сек скользить через записи. Скользящее окно начинается с начала записи. Для каждого окна, выполните следующие действия.
      1. Вычислить основную частоту текущего окна.
      2. Если основная частота находится в диапазоне от 100 Гц до 1200 Гц, а затем сделать следующее:
         1. Извлеките 1-сек длинный звуковой клип центрирование на текущем окне от записи; применить цифровой фильтр для удаления шума в клипе и сохранить отфильтрованный аудио в папку "DATADIR _extf".
         2. Сэкономьте время возникновения текущего окна в файл "DATADIR _time".
         3. Перемещение окна до того, что непосредственно следует извлеченный аудио этот клип.
      3. Если основной фрequency НЕ в диапазоне от 100 Гц до 1200 Гц, просто переместите скользящий окно 0,01 сек вперед.
   2. Повторите процесс, пока скользящее окно не достигнет конца записи.

4 Insect Классификация

1. Байеса Классификация Использование Просто Летающий Sound
   Примечание: байесовский классификатор является вероятностной классификатор, что классифицирует объект в его наиболее вероятного класса.
   1. Звук Функция Вычисление
      1. Для каждого звука насекомых, вычислить частотный спектр звука с использованием дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Обрезать частотный спектр, чтобы включать только те точки данных, соответствующие диапазоне частот: от 100 Гц до 2000 Гц. Укороченный частотный спектр затем используется в классификации как "представитель" из насекомых звука.
         Примечание: ДПФ представляет собой алгоритм, который преобразует сигналы во временной области в частотную область. Это Буйл-в функции в большинстве библиотек программирования, и можно назвать в программе с помощью одной строки кода.
   2. Поезд байесовский классификатор
      1. Используйте плотности Knn оценки подхода ^14, чтобы узнать распределение задней вероятности, используя звуковой функцию. С приближением Knn, фаза тренировки построить тренировочный набор данных.
         1. Случайно отведать ряд звуков насекомых от данных, собранных для каждого вида насекомых.
         2. Следуйте инструкциям в разделе 4.1.1 и вычислить усеченный спектр частот для каждого сэмпла. Укороченные спектры вместе с класса этикеток образцов были (название видов насекомых) состоит учебный набор данных.
   3. Используйте Байеса классификатор классифицировать неизвестный насекомое
      1. Вычислить усеченный частотный спектр неизвестного насекомого звука.
      2. Вычислить евклидово расстояние между усеченной спектра неизвестнаян возразить и все усеченные спектры в учебном наборе данных.
      3. Найти верхнюю К (К = 8 в этой статье) ближайших соседей неизвестного объекта в учебном наборе данных. Вычислить заднюю вероятность неизвестного насекомого звука, принадлежащего к классу как доля лучших K ближайших соседей, которые помечены как класса.
      4. Оцените неизвестный объект к классу, который имеет самый высокий задний вероятность.
2. Добавить функцию с Классификатором: Insect циркадный ритм
   1. Узнать распределения класса с кондиционером того времени возникновения звука насекомых, то есть циркадный ритм для каждого вида насекомых.
      1. Получить время появления каждого звука от результатов обнаружения (CF раздел 3.2).
      2. Для каждого вида, построить гистограмму насекомых времени звук возникновения.
      3. Нормализация гистограмму, так что площадь гистограммы один. Нормальныйзуется гистограмма является циркадный ритм данного вида. Это говорит вероятность наблюдения насекомое, из этого вида, в полете в течение определенного периода времени.
   2. Оцените неизвестный "насекомых звук" путем объединения "насекомых звук" и циркадный ритм
      1. Учитывая особый момент времени, в котором неизвестно насекомое звук произошло, получить вероятность наблюдения насекомое класса на основе циркадного ритма класса.
         ПРИМЕЧАНИЕ: циркадный ритм является распределение вероятностей. Это массив, определяющий вероятность обнаружения звука, производимого определенным видом насекомых, в определенное время суток. Поэтому, как только дается время, можно просто проверить массив, чтобы получить вероятность.
      2. Следуйте инструкциям в разделе 4.1.2 для вычисления заднюю вероятность того, что неизвестно звук относится к классу с помощью звуковых возможностей. Умножьте заднюю вероятность результатам сюдам предыдущий шаг, чтобы получить новый задний вероятность.
      3. Оцените «неизвестное звук" к классу, который имеет самый высокий новый задний вероятность.
3. Добавить еще один объект, чтобы Классификатора: Insect географического распределения
   1. Узнать географическое распределение видов представляют интерес, или от данных, опубликованных в исторических записей, соответствующей литературы, или просто собрать из первых рук знания из полевых техников / биологов. Для демонстрационных целей, использовать имитацию графического распределения, как показано на рисунке 7.
   2. Оцените «неизвестное насекомое звук", используя "летающий звук" и две дополнительные функции.
      1. Учитывая географическое расположение, где был перехвачен насекомое звук, вычислить вероятность наблюдения насекомое от класса в то определенном месте с помощью графического распределение видов.
         1. Выполните шаги в разделе 4.2.2й вычислить заднюю вероятность того, что "неизвестный звук" принадлежит к классу с помощью звуковых возможностей и циркадные ритмы. Умножьте результат этого шага к результатам от предыдущего шага, чтобы получить новый задний вероятность.
      2. Оцените «неизвестное звук" к классу, который имеет самый высокий новый задний вероятность.
4. Общие рамки Добавление функций
   1. Рассмотрим Байеса классификатор, который использует только звуковые особенности в качестве основного классификатора. Чтобы добавить новые функции в классификатор выполните следующие действия.
      1. В фазе подготовки, узнать класса с кондиционером плотности функции новой функции.
      2. В стадии классификации, учитывая новые особенностью «неизвестного звука", вычислить вероятность обнаружения функцию в классе с использованием функции плотности полученные в предыдущем шаге. Умножьте новый вероятность к прevious апостериорная вероятность, соответствующая «неизвестного звука", принадлежащего к классу которых были рассчитаны на основе всего нечетных функций, для получения новой задней вероятность. Оцените неизвестный объект к классу, который имеет самый высокий новый задний вероятность.

Результаты

Два эксперимента представлены здесь. Для обоих экспериментах, данные, используемые были в произвольном порядке из набора данных, который содержит более 100 тысяч объектов.

Первый эксперимент показывает способность предлагаемого классификатора, чтобы точно классифицировать различные виды / пола насекомых. Как точность классификации зависит от насекомых, чтобы быть классифицированы, один абсолютное значение для точности классификации не дать читателю хорошей интуицией о производительности сист...

Обсуждение

Рамки датчик / классификация описано здесь позволяет недорогой и масштабируемой классификацию летающих насекомых. Точности достижимые системой достаточно, чтобы позволить разработку коммерческих продуктов хорошо и может быть полезным инструментом в энтомологического исследований.

Возможность использовать недорогие, неинвазивные датчики для точного и автоматически классифицировать летающих насекомых будет иметь значительные последствия для энтомологических исследований. Например, путем развер...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Аудиомагнитофон: ICD-PX312	Sony	4-267-065-11(2)	С 8 ГБ дополнительной памяти microSD
Insectary	Lee's Aquarium & Товары для домашних животных.	20088 HerpHaven®, Большой прямоугольник	14 1/2" в длину x 8 3/4" в ширину x 9 3/4" в высоту. Модифицирован для содержания насекомых.
Генератор лазерных линий, 650 нм (красный)	Apinex (www.apinex.com)	LN60-650	5 мВт. Это маломощный лазер, похожий на учительскую лазерную указку
Фотодиодная матрица	VISHAY SEMICONDUCTOR  TEFD4300  КОНТАКТНЫЙ ФОТОДИОД, 650 НМ, 20DEG, T1	TEFD4300	Мы изготовили на заказ массив из 15 таких фотодиодов, подключенных параллельно.
Интегральная схема аналого-цифрового преобразователя	Изготовлена на заказ в нашей лаборатории		Мы изготовили этот продукт сами, но легкодоступный коммерческий продукт, Gino PCF8591 AD/DA Converter, обеспечивает ту же функциональность.