Ucuz Sensörler ile Böcek Tespit ve Sınıflandırma Uçan

Özet

Biz otomatik olarak ve doğru tespit saymak ve onların uçan sesi göre böcekler uçan sınıflandırmak ucuz, noninvazif sözde-akustik optik sensörler kullanan bir sistem önerdi.

Özet

Doğru uçan böcekler sınıflandırmak olabilir ucuz, noninvaziv sistem entomolojik araştırmalar için önemli etkileri vardır ve hem tıbbi ve zirai entomoloji için vektör ve haşere kontrolünde birçok yararlı uygulamalar geliştirilmesi için olanak sağlayacak. Bu göz önüne alındığında, son altmış yıl bu göreve adanmış birçok araştırma çabalarını gördük. Ancak bugüne kadar, bu araştırmanın hiçbiri kalıcı bir etkisi olmuştur. Bu çalışmada, sözde-akustik optik sensörler, üstün veri üretebilir göstermektedir ki; ek özellikler, hem içsel ve böceğin uçuş davranış dışsal olduğunu, böcek sınıflandırma geliştirmek için istismar edilebilir; Bayes sınıflandırma yaklaşımı verimli uydurma fazla çok sağlam sınıflandırma modelleri öğrenmek için olanak sağlar, ve bu genel bir sınıflandırma çerçevesi kolayca özelliklerin keyfi sayıda dahil sağlar. Hepimiz önceki çalışmaları kombi cüce büyük ölçekli deneyler ile bulgularını göstermekNed, böceklerin sayısı ve kabul türlerin sayısı ile ölçülmüştür.

Giriş

Otomatik olarak uçuş tesadüfi ses kullanılarak böceklerin sınıflandırılması fikri ilk bilgisayarların günlük ve ticari olarak kullanılabilir ses kayıt ^{cihazı, 1} kadar uzanır. Ancak, küçük ilerleme Aradan on yıl içinde bu sorun üzerinde yapılmıştır. Bu peşinde ilerleme eksikliği birçok ilgili faktörlere bağlanabilir.

İlk olarak, etkili sensör eksikliği veri toplama güçleştirmiştir. Veri toplamak için en çabaları akustik mikrofonları ^2-5 kullandık. Bu tür cihazlar çok seyrek ve düşük kaliteli veri sonuçlanan, çevre gürültü ve ortam gürültü rüzgar son derece duyarlıdır.

İkincisi, bu veri kalitesi sorunları bileşik birçok araştırmacı çok karmaşık sınıflandırma modelleri, özellikle nöral ağları ^6-8 öğrenmeye çalıştılar olmasıdır. Örnekler sadece onlarca, karmaşık sınıflandırma modelleri öğrenmek için çalışılıyor,aşırı uydurma için bir reçetedir.

Üçüncüsü, elde veri zorlukla birçok araştırmacı 300 durumda ⁹ veya daha az gibi az, çok sınırlı verilerle sınıflandırma modelleri oluşturmak teşebbüs anlamına gelmektedir. Ancak, doğru sınıflandırma modeller oluşturmak için, daha fazla veri ^10-13 daha iyi olduğu bilinmektedir.

Bu çalışma üç sorunları giderir. Optik (yerine akustik daha) sensörleri gürültü ve ortam sesleri rüzgar tam değişmezliği ile, uzak metre böcek uçuş "ses" kaydetmek için kullanılabilir. Bu sensörler etiketli eğitim durumlarda, kombine önceki tüm çabalardan çok daha fazla veri milyonlarca kayıt izin ve böylece bu bezdiren aşırı uydurma önceki araştırma çabalarını önlemek var. Aşağıda gösterilmiştir bir ilkeli yöntem sınıflandırma modeli içine ek bilgi yerleştirilmesini sağlar. Bu ek bilgiler gündelik olarak ve olabildiğincezaman-of-day olarak-elde-kolay, henüz hala modelin doğruluğu önemli kazanımlar üretmek. Son olarak, biz toplanan verilerin büyük miktarda bize, basit, doğru ve sağlam sınıflandırmıstır üretmek için "veri mantıksız etkinliği" ¹⁰ yararlanmak için izin olduğu gösterilmiştir.

Özetle, uçan böcek sınıflandırma araştırma laboratuvarında oluşturulan şüpheli iddiaları ötesine taşındı ve şimdi gerçek dünya dağıtım için hazır. Bu çalışmada sunulan sensörleri ve yazılımı dünya çapında araştırmalarını hızlandırmak için güçlü araçlar araştırmacılar sağlayacaktır.

Protokol

1. Böcek Kolonisi ve Yetiştirme

1. Sivrisinek Koloni ve Yetiştirme
   1. Vahşi kökenli Arka Culex tarsalis, Culex quinquefasciatus, Culex stigmatosoma ve laboratuar kolonilerden Aedes aegypti yetişkin bireyler yakaladı.
   2. Standart laboratuvar koşullarında emaye tava Arka sivrisinek larvaları (27 ° C, 16: 8 saat ışık: 1 saat alacakaranlık / şafak dönemleri karanlık [LD] döngüsü), ve zemin kemirgen çorbası karışımı onları istenildiği kadar beslemek ve Brewer mayası (3: 1, hacim: hacim).
   3. 200 ml bardak içine sivrisinek pupa toplayın ve deneysel odaların içine koyun. Alternatif olarak, ortaya çıkması 1 hafta içinde deneysel odalarına yetişkin sivrisinek aspire. Her deney odası aynı tür / cinsiyetten 20 ila 40 bireyleri içerdiğinden emin olun.
   4. % 10 sakroz ve su karışımı Besleme yetişkin sivrisinekler ad libitum verilmiştir. Gıda haftalık değiştirin.
   5. Pl haftada iki kez pamuk havlu ıslatın vekafes içinde nem muhafaza etmek için deney odası üstüne onları. Buna ek olarak, genel olarak bir nem seviyesini muhafaza yardımcı olmak için her zaman bölmesi içinde musluk suyu içinde bir 200 mi kap yerleştirin.
   6. 8 saat aydınlık: 16 ile ilgili deneysel bölmeyi muhafaza koyu [LD] döngüsü, 20,5-22 ° C ve% 30-50 göreli nem deney süresi.
2. Ev Fly ve Meyve Sineği Koloni ve Yetiştirme
   1. Vahşi türetilmiş bir laboratuvar kolonisinden Arka Musca domestica, bireyleri yakaladı. Deneysel odalarında vahşi Drosophila simulans bireyleri ve arka onları yakalamak.
   2. Standart laboratuar koşulları altında plastik tüpler içinde arka Musca domestica larvası (12:12 saat aydınlık: karanlık [LD] çevrimi, 26 ° C,% 40 bağıl nem), su, kepek tozu, yonca, maya ve süt tozunun bir karışımı içinde gerçekleştirilir. Bir yetiştirme odasında Arka Drosophila simulans larva ve çürüyen bir karışımı onları istenildiği doyurmayameyve.
   3. Ortaya çıkmasına 1 hafta içinde deneysel odalarına aspire yetişkin Musca domestica. Yetişkin Drosophila simulans doğrudan deneysel odalarında yetiştirilen olabilir. Veri toplama öncesinde, her deney odası, birden fazla 10-15 bireysel Muska domestia veya 20-30 bireysel Drosophila simulans hiçbir içerdiğinden emin olun.
   4. Suya serbest erişim, şeker ve düşük yağlı süt tozu karışımı yetişkin Musca domestica libitum besleyin. Çürüyen meyve bir karışımına, Drosophila ergin Besleme simulans ad libitum verilmiştir. Gıda haftalık değiştirin.
   5. 8 saat aydınlık: 16 ile ilgili deneysel bölmeyi muhafaza koyu [LD] döngüsü, 20,5-22 ° C ve% 30-50 göreli nem deneyin süresi için.

Deneysel Chambers 2. Kayıt Uçan Sesler

1. Deneysel Odası Kurulumu
   Not: Bir "Deneysel chamber "veri kaydedildiği bizim laboratuvarda tasarlanan kafes, gösterir. Sensör oldukça ucuzdur. Toplu olarak inşa edilmiş, bir dizi kadar az 10 $ için imal edilebilir.
   1. 67 cm x 22 cm L G x 24,75 cm H ya da daha küçük boyutta: 30 cm x 20 cm L G x 20 cm H Deney bölmesi, bir dizi ve fototransistör oluşan bir deney haznesi, ya da daha büyük boyutta Construct phototransistor dizi işaret lazer çizgisi.
      Not: Ek olarak, odacık sensör düzeneği hem de böcek erişim sağlamak için PVC boru parçasına bağlı bir manşon içerecek şekilde modifiye edilir Kritter Koruyucularının oluşur.
   2. Bir elektronik karta phototransistor dizi bağlayın. Elektronik kartın çıkış dijital ses kaydedici içine besleyen ve MP3 formatında ses veri olarak kaydedilir. Şekil 1.II algılayıcı ve Şekil 1.I boşluğun fiziksel bir versiyonunun mantık tasarımı bakınız.
   3. böceklerin kaçmasını önlemek için, iç tarafında örgü kumaş parçası ile deneysel bölmelerin kapaklarını değiştirin.
      NOT: bir böcek, lazer ışınının karşısında uçar, kanatları kısmen, ışık tıkamaktadır küçük bir ışık dalgalanmalara yol. Işık dalgalanmaları akımındaki değişiklikleri phototransistor dizisi tarafından yakalanır ve sinyal elektronik kart tasarlanmış özel ile filtre edilmiş ve amplifiye edilir.
2. Uçan Böcekler tarafından üretilen Record Sesler Sistemi Kurma
   1. Bir güç kaynağına deneysel odasına bağlayın. Gücü açın.
   2. Deneysel odasının üzerine, lazer ışıkları ve photoarray bulabilirsiniz. Photoarray için lazer ışıkları hizalayın. Lazer ışığı, tüm bireysel photodiod merkezli kadar haznenin iç kısmına photoarray bağlı mıknatısların uygun deneysel odasının dışında mıknatıslar kullanılarak photoarray ayarlamak düzgün bir uyum elde etmek içines.
   3. Sistem düzgün kurulduğundan emin olmak için iki sağlık kontrolleri gerçekleştirin.
      Not: İlk adım sistemi, tüm kabloların doğru şekilde bağlandığından desteklenmektedir ve lazer fotoğraf dizisinde işaret emin olmaktır. İkinci adım, böceklerin kanat darbelerinin ses yakalamak sağlamak için lazer hizalama üzerinde daha fazla kontrol yapmaktır.
      1. Ses girişine (yerine kaydedici daha) kulaklıkları takın. Lazer ışık düzlemini kırmak için, photoarray yakınına ve deney odasının üzerinden el dalma. Emin lazer ışığının yandığından emin olun (bir ışık kırmızı ışın olacaktır) ve elinizle ışık düzlemi birkaç kez kırmak olduğunu. Eliniz ve ışık demetinin dışarı gider gibi gürültü seviyesinde değişiklikler için dinleyin. Eğer sesli bir fark tespit ederseniz, sensör büyük nesnelerin hareketi tarafından üretilen sesleri yakalamak için yapabiliyor. Eğer başarılı olursa, kulaklık düzgün şekilde bağlanıp bağlanmadığını kontrol edin, aksi takdirde, bir sonraki aklı kontrolünden geçmek velazer photoarray işaret olup olmadığını. Elin ses ve deneysel odasının üzerinden hareket duyulabilir buna uygun kadar photoarray ayarlayın.
      2. Otomatik diş fırçası elektrik kablolama ince bir parça eklemek. Diş fırçası açın ve ve phototarray yakın deneysel odasının dışına kablo dalma. Hareket ettikçe lazer ışığı kablolama parçası isabet olduğundan emin olun. Eğer frekansta sesli bir değişiklik tespit ederseniz kablo parçası lazer ışık düzlemini kırdığında, sonra sistem, yani küçücük nesneler, böcek sesleri hareketi tarafından üretilen sesleri yakalamak için hazırdır. Eğer sesli bir fark tespit etmezseniz, lazer ışıkları ve photoarray yeniden hizalamak için 2.2.2 adıma geri dönün.
   4. Sistem düzgün kurulduktan sonra, kapağını kapatın ve böcekler ekleyin.
3. Veri Toplama: Uçan Böcekler Yapımcı Rekor Sesler
   1. Kaydedici açın ve bir Voic yapmakaşağıdaki bilgileri içeren bir e açıklama: deneysel odasında türlerin adı, böcekler, tarih ve zaman, şimdiki ortam RT, ve bağıl nem yaş. Kaydı duraklatmak.
   2. Ses kablosu aracılığıyla, sisteme kayıt cihazı bağlamak ve kayda devam. Daha sonra kaydı durdurmak, 3 gün boyunca kaydetmek için kaydediciyi bırakın.
   3. Bir PC'de yeni bir klasöre kaydedici gelen verileri indirmek. Verileri silerek kaydedici boşaltın.
   4. Kalan böcekler kapalı öldü ve kafeste hayatta kalan fazla 5 böcekler hiçbir kalmayıncaya kadar, yukarıdaki kayıt işlemini tekrarlayın.

3. Sensör Veri İşleme ve Uçan Böcekler tarafından üretilen Sounds Algılama

1. Uçan Böcekler tarafından üretilen Sesler Algılama Yazılımı kullanmak.
   Not: Yazılım (algılama algoritması) gerçek zamanlı çok daha hızlıdır. Bu dat, yani üç gün, bir kayıt oturumu işlemek için en az 3 saat sürerBir, 2.00 GHz ve 8 GB RAM, Intel (R) Core ™ işlemciye sahip standart bir makinede.
   1. Bir kayıt oturumu veri içeren her klasör için, böcek sesleri algılamak için algılama yazılımını çalıştırın. Yazılım, açık MATLAB çalıştırmak ve DATADIR veri kayıt dizini komut penceresinde "circandian_wbf (DATADIR)", yazın. Ardından başlatmak için "Enter" tuşuna basın.
      NOT: Referans # 16 den algılama yazılımı circadian_wbf indirin.
   2. Algoritma sona kadar, sonra algılama sonuçlarını kontrol bekleyin. Algoritma çıkışları tüm tespit böcek DATADIR önceki adımda aynıdır "DATADIR _extf" adlı yeni bir klasörde geliyor. Her ses dosyası dijital bir filtre gürültü çıkarmak için uygulanan aslen, ham kayıt çıkarılan 1 sn uzun ses klip. Tespit edilen her sesin oluşumu zamanı "DATADIR _time.mat & adında bir dosyaya kaydedilir# 8221 ;. Şekil 2 içinde, tespit edilen bir böcek ses örneği dikkate alınmalıdır.
2. Algılama Algoritması
   1. Kayıt kaydırmak için 0.1 sn uzun sürme penceresini kullanın. Sürgülü pencere kaydın başından itibaren başlar. Her pencere için, aşağıdaki adımları izleyin.
      1. Geçerli pencerenin temel frekans hesaplayınız.
      2. Temel frekans 100 Hz ile 1.200 aralığında ise, aşağıdakileri yapın:
         1. Kayıttan geçerli pencerede ortalayan 1-sn uzun ses klibi ayıklayın; klipte gürültü çıkarmak ve klasör "DATADIR _extf" içine süzüldü ses kaydetmek için dijital bir filtre uygulamak.
         2. Dosya "DATADIR _süre" içine geçerli pencerenin meydana geliş saati kaydedin.
         3. Hemen çıkarılan ses klibini izler noktasına kayan pencereyi taşıyın.
      3. Eğer temel frequency 100 Hz ile 1.200 aralığında, sadece ileriye kayan pencere 0,01 sn hareket değildir.
   2. Sürgülü pencere kaydın sonuna ulaşıncaya kadar işlemi tekrarlayın.

4. Böcek Sınıflandırma

1. Sadece Uçan Ses'i kullanma Bayes Sınıflandırma
   Not: Bayes onun en olası sınıfı için bir nesne sınıflandıran bir olasılık sınıflandırıcı olduğunu.
   1. Ses Özelliği Hesaplama
      1. Her böcek ses için, Ayrık Fourier Dönüşümü kullanarak ses (DFT) frekans spektrumunu hesaplamak. Frekans aralığına karşılık sadece bu veri noktalarını içerecek şekilde frekans spektrumunu kesecek: 100 Hz ile 2.000. Kesik frekans spektrumu sonra böcek ses "temsilcisi" olarak sınıflandırılmasında kullanılır.
         NOT: DFT frekans alanına zaman alanında sinyalleri dönüştüren bir algoritmadır. Bu bui olduğult-çoğu programlama kütüphanelerde fonksiyon ve kod sadece bir satır ile programda çağrılabilir.
   2. Bayes sınıflandırıcı Tren
      1. Ses özelliğini kullanarak posterior olasılık dağılımını öğrenmek için kNN yoğunluk tahmin yaklaşımını ¹⁴ kullanın. KNN yaklaşımla, eğitim safhası bir eğitim veri kümesi inşa etmektir.
         1. Rasgele böceklerin her bir tür için toplanan verilerden böcek sesleri çok sayıda örnek.
         2. Bölüm 4.1.1 adımları izleyin ve örneklenen her ses için kesik frekans spektrumunu hesaplamak. Birlikte numunelerin sınıf etiketlerine (böcek türleri adı) ile kesilmiş spektrumları eğitim veri kümesi oluşur.
   3. Bilinmeyen bir böcek sınıflandırmak için Bayes sınıflandırıcı kullanın
      1. Bilinmeyen böcek sesin kesik frekans spektrumunu hesaplamak.
      2. Bilinmeyen bir kesik spektrumu arasındaki Öklid uzaklığını hesaplayabilirizn nesne ve eğitim veri kümesi içinde tüm kesilmiş spektrumları.
      3. Üst k (bu yazıda k = 8) eğitim veri kümesi içinde bilinmeyen bir nesnenin en yakın komşuları bulabilirsiniz. Sınıf olarak etiketli üst k en yakın komşularının fraksiyonu olarak bir sınıfa ait bilinmeyen böcek ses posterior olasılığını hesaplayınız.
      4. Yüksek arka olasılığa sahiptir sınıfına bilinmeyen nesneyi sınıflandırır.
2. Böcek sirkadiyen ritim: sınıflandırıcısını bir Özellik Ekle
   1. , Böceklerin her tür için sirkadiyen ritmi böcek ses oluş zamanları, sınıf klimalı dağılımları öğrenin.
      1. Algılama sonuçları her ses (bakınız Bölüm 3.2) meydana geliş saati edinin.
      2. Her tür için böcek ses oluşumu zaman bir histogram oluşturmak.
      3. Histogram alan biri olduğunu böylece histogram normalleştirmek. Normalsürerlerken, histogram verilen türlerin sirkadiyen ritim olduğunu. Bu belli bir süre içinde uçuş, bu türün, bir böcek gözlemleme olasılığını söyler.
   2. "Böcek sesi" ve sirkadiyen ritim birleştirerek bilinmeyen bir "böcek sesi" sınıflandırmak
      1. Bilinmeyen böcek ses meydana geldiği zaman içinde belli bir noktaya göz önüne alındığında, sınıf tipi ritim üzerinde sınıfın bir böcek gözlemleme olasılığıdır elde edilir.
         NOT: sirkadiyen ritim bir olasılık dağılımıdır. Bu, günün belirli bir zamanda böceklerin belirli bir türleri tarafından üretilen bir ses, tespit olasılığını belirten bir dizidir. Bir süre verilir Yani, bir kez bir sadece olasılığını almak için dizi kontrol edebilirsiniz.
      2. Bilinmeyen ses ses özelliklerini kullanarak sınıfa ait posterior olasılığını hesaplamak için bölüm 4.1.2 adımları izleyin. Fro sonuçlarına posterior olasılık çarpınYeni posterior olasılık almak için önceki adımı m.
      3. Yüksek yeni arka olasılığına sahiptir sınıfına "bilinmeyen sesi" sınıflandırır.
3. Sınıflandırıcısını için One More Özelliği ekleyin: Böcek Coğrafi Dağılımı
   1. Ilgi, gerek tarihî kayıtlarda yayınlanan verilere, ilgili literatürden türlerin coğrafi dağılımını öğrenmek, ya da sadece alan teknisyen / biyologların gelen ilk elden bilgi toplamak. Şekil 7'de gösterildiği gibi gösteri amaçlı, grafik dağılımı bir simülasyon kullanabilirsiniz.
   2. "Uçan ses" ve iki ek özellikleri kullanarak bir "bilinmeyen böcek sesi" sınıflandırır.
      1. Böcek ses yakalandığı coğrafi konumu göz önüne alındığında, türlerin grafik dağılımı kullanılarak belirli konumda sınıftan bir böcek gözlemleme olasılığını hesaplamak.
         1. Bölüm 4.2.2 a'da adımları izleyinnd "bilinmeyen ses" ses özelliklerini ve sirkadiyen ritimleri kullanarak sınıfa ait arka olasılığını hesaplarlar. Yeni arka olasılığını elde etmek için, önceki aşamada elde edilen sonuçlar, bu adımın sonucu çarpın.
      2. Yüksek yeni arka olasılığına sahiptir sınıfına "bilinmeyen sesi" sınıflandırır.
4. Özellikleri Ekleme için Genel Çerçeve
   1. Birincil sınıflandırıcı olarak sadece ses özelliklerini kullanan Bayes sınıflandırıcı düşünün. Sınıflandırıcı yeni özellikler eklemek için aşağıdaki adımları izleyin.
      1. Eğitim aşamasında, yeni özelliği sınıf klimalı yoğunluk fonksiyonlarını öğrenmek.
      2. Sınıflandırma aşamasında, "bilinmeyen ses" yeni özellik verilen, önceki adımda öğrenilen yoğunluk fonksiyonlarını kullanarak sınıfta özelliğini gözlemleme olasılığını hesaplamak. Pr için yeni olasılığını çarpınSadece tuhaf özellikleri dayanarak hesaplanandan edildi sınıfa ait "bilinmeyen sesi" karşılık evious posterior olasılık, yeni arka olasılığını elde etmek. En yeni arka olasılığına sahiptir sınıfına bilinmeyen nesneyi sınıflandırır.

Sonuçlar

İki deney burada sunulmuştur. Deneyler için kullanılan veri rastgele 100.000 nesneleri içeren bir veri kümesi örnek seçildi.

Birinci deney, doğru bir böceklerle değişik türleri / cinsiyeti sınıflandırmak için önerilen sınıflandırıcının kabiliyetini göstermektedir. Sınıflandırma doğruluğu sınıflandırılır böcekler bağlıdır olarak sınıflandırma doğruluğu için tek bir mutlak değer okuyucuya sistemin performansı hakkında iyi bir sezgi vermeyecektir. Bunun yerine, daha çok böcek sabit bir kümesi S...

Tartışma

Burada anlatılan sensörü / sınıflandırma çerçeve uçan böcekler ucuz ve ölçeklenebilir sınıflandırma sağlar. Sistem tarafından ulaşılabilir doğrulukları ticari ürünlerin geliştirilmesini sağlayacak kadar iyi ve entomolojik araştırmaları için kullanışlı bir araç olabilir.

Doğru ve otomatik olarak uçan böcekler sınıflandırmak için ucuz, invaziv olmayan sensörleri kullanmak için yeteneği entomolojik araştırmaları için önemli etkileri olacaktır. Örneğin, böcek vektörleri saymak ve sınıflandırmak ...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Ses kaydedici: ICD-PX312	Sony	4-267-065-11(2)	8 GB microSD ekstra bellek ile
Böcek	Lee'nin Akvaryumu & Evcil Hayvan Ürünleri.	20088 HerpHaven®, Büyük Dikdörtgen	14 1/2" uzunluk x 8 3/4" genişlik x 9 3/4" yükseklik. Böcekleri barındırmak için modifiye edilmiştir.
Lazer çizgi üreteci, 650 nm (kırmızı)	Apinex (www.apinex.com)	LN60-650	5 mW. Bu, bir öğretmenin lazer işaretçisine benzer düşük güçlü bir lazerdir
Fotodiyot dizisi	VISHAY YARI İLETKEN  TEFD4300  PIN FOTODIYOT, 650NM, 20DEG, T1	TEFD4300	Paralel olarak bağlanmış bu fotodiyotlardan 15 tanesinden oluşan özel bir dizi yaptık.
Analogdan dijitale dönüştürücü entegre devre	Laboratuvarımızda		Bu ürünü kendimiz yaptık, ancak kolayca bulunabilen bir ticari ürün olan Gino PCF8591 AD/DA Converter aynı işlevselliği sağlar.