蛋雞發(fā)聲特征識(shí)別技術(shù)研究與應(yīng)用

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)

滕光輝

報(bào)告內(nèi)容研究背景和研究?jī)?nèi)容蛋雞發(fā)聲信息的獲取蛋雞發(fā)聲特征的分析蛋雞發(fā)聲特征提取算法蛋雞發(fā)聲的分類(lèi)模型一、研究背景健康養(yǎng)殖已成為畜牧業(yè)發(fā)展的趨勢(shì) 在畜禽養(yǎng)殖新型工業(yè)化模式中，核心在于關(guān)注動(dòng)物福利、關(guān)注其生長(zhǎng)的健康，最終達(dá)到高效、低耗及品質(zhì)佳的目的。

福利評(píng)價(jià)指標(biāo)是動(dòng)物福利研究的重要內(nèi)容（1）生化檢測(cè)

（2）行為分析（3）動(dòng)物的發(fā)聲信息國(guó)內(nèi)外研究

1）野生動(dòng)物發(fā)聲與物種識(shí)別研究---已有成熟應(yīng)用

2）豬應(yīng)激發(fā)聲分析與識(shí)別研究---已有部分成果應(yīng)用

3）奶牛的發(fā)情期發(fā)聲變化規(guī)律研究---已有部分成果

4）雞的發(fā)聲對(duì)外界條件變化的相應(yīng)---起步階段（1）畜禽發(fā)聲研究和應(yīng)用-1牛G.Jahns等利用聲音在行為學(xué)家和畜牧生產(chǎn)人員判斷管理中的應(yīng)用，提出了采用聲音來(lái)識(shí)別奶牛個(gè)體和其所處的特殊狀態(tài)，并建立了相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。（1997）TempleGrandin

等的研究指出在飼養(yǎng)過(guò)程中，不合理的措施如打烙印、電激以及屠宰時(shí)空間結(jié)構(gòu)和環(huán)境設(shè)計(jì)不合理等都會(huì)引起牛的應(yīng)激發(fā)聲劇烈，同時(shí)也把這種信息傳遞給同類(lèi)，引起牛群的恐慌（1998，2001）JonM.W等在研究利用牛的發(fā)聲評(píng)價(jià)其飼養(yǎng)福利條件時(shí)，調(diào)查了那些因素會(huì)影響牛的發(fā)聲變化，主要對(duì)遺傳因素、年齡、性別、體重及運(yùn)動(dòng)量等的不同進(jìn)行了分析（2001）豬：DanielM.Weary等通過(guò)試驗(yàn)記錄了小豬仔哺乳階段被與母豬隔離后叫聲的變化，然后回放給母豬，觀察母豬的行為反映，發(fā)現(xiàn)小豬的叫聲中反映了它的需求（1995）；另外，他們繼續(xù)研究了不同斷奶日齡仔豬發(fā)聲的特征的不同，利用該信息來(lái)判斷仔豬對(duì)斷奶的適應(yīng)性（1997）；

（1）畜禽發(fā)聲研究和應(yīng)用-2AllisonA.Talor，Marx,G

等通過(guò)一系列的研究，對(duì)小豬仔閹割的過(guò)程中的叫聲特征進(jìn)行了區(qū)分，可以用于評(píng)價(jià)不同操作對(duì)豬的影響程度，為改善操作提供了評(píng)價(jià)方法（2000，2003）JeremyN.Marchant

研究了豬在人接近的過(guò)程中叫聲進(jìn)行了研究和分類(lèi)，通過(guò)監(jiān)測(cè)行為學(xué)以及心臟跳動(dòng)等生理指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)豬的某些叫聲的特殊含義（2001）D.Berkman等在2001年以來(lái)研究了豬的咳嗽發(fā)聲特征。他們認(rèn)為咳嗽是一些環(huán)境條件變化，比如粉塵濃度，及個(gè)別疾病的重要特征表現(xiàn)，通過(guò)對(duì)豬咳嗽的檢測(cè)可以提早發(fā)現(xiàn)環(huán)境和健康存在的問(wèn)題德國(guó)的Dummerstorf

家畜生物學(xué)研究所已經(jīng)將他們?cè)谪i的聲音檢測(cè)的研究申報(bào)了軟件專(zhuān)利，正在進(jìn)行商業(yè)的推廣應(yīng)用。雞Peter.M研究了雞的發(fā)聲信息中含有的對(duì)飼料變化的反映，在試驗(yàn)條件下，改變食物種類(lèi)公雞叫聲的變化對(duì)母雞的影響，發(fā)現(xiàn)公雞叫聲中含有對(duì)不同飼料的變化J.Mair等在2000年針對(duì)集約化飼養(yǎng)的特點(diǎn)，研究了改變光照環(huán)境條件，雞的發(fā)聲的變化，利用多參數(shù)方法提取聲音的特征G.Marx在2001年針對(duì)雞群居的社會(huì)屬性，對(duì)小雞飼養(yǎng)密度上的變化，引起的雞的叫聲變化進(jìn)行了相關(guān)研究。他將雞的發(fā)聲分為四種類(lèi)別，分別對(duì)應(yīng)于不同的情緒表達(dá)，通過(guò)改變飼養(yǎng)密度，記錄小雞的發(fā)聲反映；

（1）畜禽發(fā)聲研究和應(yīng)用-3發(fā)聲行為是對(duì)畜禽機(jī)體狀況及環(huán)境協(xié)調(diào)情況的一種反饋，利用發(fā)聲信息監(jiān)測(cè)動(dòng)物的機(jī)體狀況及對(duì)環(huán)境變化的反映，評(píng)價(jià)動(dòng)物的福利已有了一定的研究和應(yīng)用，在畜禽研究中主要集中于大型的家畜。（2）聲音分析在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用-1人心音信號(hào)是由于心臟瓣膜的開(kāi)關(guān)，肌腱和肌肉的舒縮，血流的沖擊以及心血管壁震動(dòng)而產(chǎn)生的聲音信號(hào)，其中隱含著大量有關(guān)心臟運(yùn)動(dòng)的豐富信息，已經(jīng)成為診斷心臟疾病的重要指標(biāo)（孫麗莎等，1995）通過(guò)對(duì)健康人群與患病人群的元音語(yǔ)圖聲波特征的分析,提出了應(yīng)用該方法可以對(duì)聲帶良性增生疾病進(jìn)行診斷及治療效果評(píng)價(jià)（徐潔潔，1999）J.Korpas等指出咳嗽是肺部排出空氣的一個(gè)過(guò)程，咳嗽聲是大概100多種疾病都有的重要癥狀，是一個(gè)研究疾病導(dǎo)致的聲門(mén)變化的等重要的工具（1996）。帕金森癥作用于神經(jīng)而影響人發(fā)聲能力的變化，利用患者發(fā)音中的特征，采用語(yǔ)音分析技術(shù)可以識(shí)別它的發(fā)病癥狀，及判斷治療效果（BrainT，2004；ChristinaA，2001；FelixJavier，1997）Grazyna.N在研究了兒童多種呼吸道疾病引起的發(fā)聲變化的區(qū)別，對(duì)比了不同的聲譜特征，發(fā)現(xiàn)HNR值存在明顯的區(qū)別（2001）。AgostinoP.A研究對(duì)比了3種不同的語(yǔ)音特征提取的方法，認(rèn)為采用短時(shí)不規(guī)則的匹配模型更容易識(shí)別健康人與疾病患者話(huà)音的不同Petar.M提出通過(guò)獲取患有喉部疾病患者的發(fā)聲基礎(chǔ)頻率的方法，建立一種無(wú)接觸的喉部疾病支持診斷系統(tǒng)。并對(duì)比自相關(guān)法、聲譜法、Cepstral三種方法在提取基音頻率中的效果畜禽雞的多種疾病有明顯的叫聲特征，叫聲和行為特征是雞的疾病臨床診斷的重要特征?；加行鲁且呒毙詴r(shí)，病雞咳嗽、呼吸時(shí)發(fā)出“咕嚕”聲。雛雞患有痢病時(shí)，排便時(shí)會(huì)發(fā)出尖叫聲?；加袀魅拘院須夤苎椎牟‰u吸氣發(fā)出一種特殊的喘鳴聲。

（2）聲音分析在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用-2D.Moshou等認(rèn)為豬的咳嗽是許多疾病的癥狀，監(jiān)測(cè)和識(shí)別豬的咳嗽聲是提早發(fā)現(xiàn)潛在疾病的一種有效方法，并重點(diǎn)研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法在實(shí)際生產(chǎn)條件下識(shí)別豬咳嗽的應(yīng)用效果。J.M.Aerts等在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，采用軟件標(biāo)記的方法，區(qū)分現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)豬的發(fā)聲的特征，利用聲音分析的技術(shù)建立豬的疾病在線(xiàn)監(jiān)測(cè)體系。以數(shù)字信號(hào)處理、音頻技術(shù)為基礎(chǔ)的聲音分析在疾病診斷中應(yīng)用已經(jīng)從單一聲譜頻率分布、能量分布發(fā)展到采用各種智能算法，用于音頻特征提取和識(shí)別，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用聲音信息提供了應(yīng)用基礎(chǔ)目前，通過(guò)聲音直接用于畜禽疾病診斷，還需要研究大量的生理指標(biāo)，還沒(méi)有成熟應(yīng)用，但是它可以作為疾病臨床診斷和預(yù)判的重要參考指標(biāo)。二、蛋雞發(fā)聲信息獲取試驗(yàn)?zāi)康?/p>

獲取不同日齡蛋雞在正常飼養(yǎng)條件下的發(fā)聲信息、典型應(yīng)激時(shí)（光照和人為干擾應(yīng)激）的發(fā)聲信息；試驗(yàn)對(duì)象

分別選取蛋雞品種為海蘭褐，生長(zhǎng)階段為35日齡、95日齡、125日齡。試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造1500*1000*1000mm的飼養(yǎng)箱，環(huán)境溫度在20～22℃；采用自由采食、飲水的飼養(yǎng)制度。

錄音設(shè)備：

NIPXI測(cè)試系統(tǒng)；配置NI聲振信號(hào)采集卡；電容錄音話(huà)筒、錄音軟件COOLEDIT2.0。數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)四、蛋雞發(fā)聲識(shí)別的特征提取算法1、蛋雞發(fā)聲自動(dòng)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2、聲學(xué)特征提取算法梅爾頻標(biāo)倒譜系數(shù)（MFCC）線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)法及倒譜分析（LPCC）線(xiàn)譜對(duì)參數(shù)法（LSP）感覺(jué)加權(quán)的線(xiàn)性預(yù)測(cè)特征（PLP）識(shí)別測(cè)試結(jié)果特征參數(shù)LPCC-26MFCC-39AMFCC-26不同處理降噪后識(shí)別率帶噪識(shí)別率降噪后識(shí)別率帶噪識(shí)別率降噪后識(shí)別率帶噪識(shí)別率0.5s100.040.792.154.299.893.92.5S100.025.2100.073.9100.097.55S100.030.0100.073.0100.095.0正常發(fā)聲光照應(yīng)激發(fā)聲人為應(yīng)激發(fā)聲基于支持向量機(jī)（SVM）的蛋雞發(fā)聲識(shí)別支持向量機(jī)（SVM）+高斯混合模型（GMM）的應(yīng)激程度預(yù)測(cè)模型

五、蛋雞發(fā)聲的分類(lèi)識(shí)別模型研究1、評(píng)分方法依據(jù)（1）以三類(lèi)狀態(tài)下發(fā)聲信息為基礎(chǔ)，對(duì)正常飼養(yǎng)、光照應(yīng)激、人為應(yīng)激三種不同狀態(tài)分別賦值；（2）采用支持向量機(jī)（SVM）為每個(gè)子帶特征建立分類(lèi)模型，以SVM打分結(jié)果作為高斯混合模型的輸入?yún)?shù)，通過(guò)多個(gè)子帶高斯概率密度函數(shù)計(jì)算得出一個(gè)總體的得分。SVM+GMM的應(yīng)激程度預(yù)測(cè)模型SVM+GMM的應(yīng)激程度預(yù)測(cè)模型2、SVM+GMM的應(yīng)激預(yù)測(cè)模型原理4、應(yīng)激預(yù)測(cè)的評(píng)分測(cè)試正常發(fā)聲光照應(yīng)激發(fā)聲人為應(yīng)激發(fā)聲SVM+GMM的應(yīng)激程度預(yù)測(cè)模型結(jié)論1、采用支持向量機(jī)的分類(lèi)模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)蛋雞發(fā)聲識(shí)別及不同應(yīng)激狀態(tài)發(fā)聲的識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)