摘要：我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但是每年我們的農(nóng)作物都會(huì)因?yàn)楹οx(chóng)的入侵而產(chǎn)量下降，目前發(fā)現(xiàn)砂糖橘中的害蟲(chóng)多采用的是人工觀察，這種方法不僅消耗人力物力財(cái)力，還無(wú)法及時(shí)地進(jìn)行蟲(chóng)害發(fā)生的早期預(yù)警。雖然圖像識(shí)別是較為先進(jìn)的技術(shù)，但是在害蟲(chóng)圖像識(shí)別上還是有一定局限性的，如一些藏得較隱蔽的害蟲(chóng)，是很難用圖像識(shí)別來(lái)識(shí)別出來(lái)的?；诖?，本文針對(duì)砂糖橘主要害蟲(chóng)將探索研究一種聲音識(shí)別技術(shù)。首先，了解砂糖橘主要害蟲(chóng)的發(fā)聲原理，然后通過(guò)設(shè)備獲取砂糖橘主要害蟲(chóng)的聲音，進(jìn)而通過(guò)害蟲(chóng)聲音預(yù)處理、害蟲(chóng)聲音特征參數(shù)提取、害蟲(chóng)聲音模式建立、害蟲(chóng)聲音模型訓(xùn)練、害蟲(chóng)聲音模式匹配等步驟來(lái)完成對(duì)砂糖橘主要害蟲(chóng)的聲音識(shí)別，從而減少砂糖橘作物受蟲(chóng)害的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：聲音識(shí)別；聲音特征參數(shù)提??；聲音模型訓(xùn)練；模式匹配

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

砂糖橘皮薄味甜，十分受廣大人民的喜愛(ài)，但在其種植過(guò)程中由于蟲(chóng)害造成了產(chǎn)量下降，人工除蟲(chóng)又十分損耗人力財(cái)力，由此，研究利用聲音識(shí)別來(lái)進(jìn)行害蟲(chóng)識(shí)別、預(yù)防蟲(chóng)害發(fā)生對(duì)砂糖橘產(chǎn)量的提升有十分重要的意義。本文就砂糖橘蟲(chóng)害類(lèi)別分析及昆蟲(chóng)發(fā)聲原理、主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別原理展開(kāi)害蟲(chóng)聲音識(shí)別的研究。

2砂糖橘的主要蟲(chóng)害的發(fā)聲原理

2.1砂糖橘主要蟲(chóng)害

在砂糖橘生長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)對(duì)其造成危害的害蟲(chóng)主要有以下幾種：桔小實(shí)蠅、蚜蟲(chóng)、柑橘紅蜘蛛、潛葉蛾、矢尖蚧、吹棉蚧等。

2.1.1桔小實(shí)蠅

桔小實(shí)蠅雌性成蟲(chóng)將在果皮內(nèi)產(chǎn)卵，長(zhǎng)出的幼蟲(chóng)會(huì)危害果肉，造成果實(shí)變黃脫落，留在樹(shù)上的砂糖橘因幼蟲(chóng)的存在在貯藏期也會(huì)腐爛。砂糖橘因桔小實(shí)蠅的生長(zhǎng)容易得潰瘍病，會(huì)引起落葉、落果現(xiàn)象，枝干枝梢在嚴(yán)重時(shí)會(huì)枯死，果實(shí)大量腐爛，也容易得炭疽病。

2.1.2蚜蟲(chóng)

蚜蟲(chóng)主要危害砂糖橘的嫩枝梢，在枝梢上吸食枝梢的營(yíng)養(yǎng)液，嫩枝梢受到蚜蟲(chóng)的吸食后，形成凹凸不平的皺縮；蚜蟲(chóng)排泄的蜜露經(jīng)常導(dǎo)致煤煙病發(fā)生，影響果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量。因蚜蟲(chóng)所帶來(lái)的疾病，嚴(yán)重影響了樹(shù)木光合作用的正常進(jìn)行，導(dǎo)致樹(shù)梢生長(zhǎng)減緩，產(chǎn)量大減，砂糖橘品質(zhì)下降。

2.1.3柑橘紅蜘蛛

柑橘紅蜘蛛的成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)經(jīng)常聚集在葉片兩面的葉脈附近，對(duì)其造成損害。柑橘紅蜘蛛用口針扎入砂糖橘的葉子、樹(shù)枝和果皮來(lái)吸取汁液。葉片被刺破的區(qū)域最初是淺綠色的，后來(lái)變成了灰白色的斑點(diǎn)。在嚴(yán)重的情況下，葉子會(huì)變成灰白色并失去光澤，導(dǎo)致落葉和枯枝。如果果實(shí)受損，則表明柑橘紅蜘蛛聚集在了果柄至果萼下面，受影響的幼果表面形成淺綠色斑點(diǎn)。成熟果實(shí)受損時(shí)，表面會(huì)出現(xiàn)淡黃色斑點(diǎn)，因?yàn)樯疤情俟偈軗p造成果實(shí)掉落。

2.1.4潛葉蛾

潛葉蛾主要危害砂糖橘的嫩芽、葉和果實(shí)。幼蟲(chóng)以幼葉后部的葉肉和新芽表皮為食，形成許多彎曲的銀白色條狀痕跡。被取食的葉子通常會(huì)收縮、變硬、容易脫落。嚴(yán)重時(shí)，所有嫩芽幾乎都會(huì)卷縮，嚴(yán)重影響砂糖橘的生長(zhǎng)和產(chǎn)量，導(dǎo)致潰瘍病和炭疽病。

2.1.5矢尖蚧

矢尖蚧主要危害砂糖橘的葉、嫩枝和果實(shí)。一般來(lái)說(shuō)，成蟲(chóng)和幼蟲(chóng)聚集在葉子的背面和果實(shí)的表面來(lái)吸食汁液。黃色斑點(diǎn)出現(xiàn)在葉子上被吸食的地方。在嚴(yán)重情況下，過(guò)量的汁液被吸食后會(huì)導(dǎo)致葉片彎曲變形，卷曲枯萎，影響砂糖橘樹(shù)枝的生長(zhǎng)，導(dǎo)致葉片和果實(shí)掉落，影響產(chǎn)量和果實(shí)質(zhì)量，引起煤煙病。

2.1.6吹棉蚧

吹棉蚧主要以吸食果樹(shù)汁液，損傷枝條、樹(shù)葉和危害果實(shí)。它吸食周?chē)鷧^(qū)域呈黃綠色，排出的蜜露可導(dǎo)致砂糖橘引發(fā)煤煙病，引起枝條、樹(shù)葉、果實(shí)等表面呈煤煙狀。較嚴(yán)重的話，會(huì)形成覆蓋樹(shù)枝、葉子、水果等表面的一層黑皮。嚴(yán)重時(shí)，葉片會(huì)焦枯掉落、枝干枯死，果實(shí)不易著色，果小變酸，影響果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量，影響砂糖橘生長(zhǎng)，甚至可導(dǎo)致砂糖橘樹(shù)枝局部或整體死亡。

2.2昆蟲(chóng)的發(fā)聲原理

自然界中的昆蟲(chóng)發(fā)聲主要通過(guò)以下五種方式進(jìn)行發(fā)聲：（1）摩擦發(fā)聲；（2）氣流震動(dòng)發(fā)聲；（3）振翅發(fā)聲；（4）碰擊發(fā)聲；（5）非專(zhuān)門(mén)發(fā)聲器產(chǎn)生的鳴聲。不同種類(lèi)的昆蟲(chóng)發(fā)聲的強(qiáng)度、聲頻等有不同的差異，不同年齡、體型等昆蟲(chóng)也有不同的差異。不僅是成年昆蟲(chóng)可以通過(guò)以上發(fā)聲方式進(jìn)行發(fā)聲，某些幼蟲(chóng)、蛹也可以發(fā)出聲音［1］。

3砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別原理

3.1砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別技術(shù)概述

聲音識(shí)別技術(shù)是指將獲取得來(lái)的聲音信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，最終能識(shí)別出該聲音信號(hào)的特征的一種技術(shù)。砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別技術(shù)的基本原理即是將獲取到的害蟲(chóng)聲音通過(guò)預(yù)處理、聲音特征提取、模型訓(xùn)練、模式匹配等步驟來(lái)完成聲音識(shí)別的。

砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別技術(shù)的原理概述如圖1所示。

圖1害蟲(chóng)聲音識(shí)別技術(shù)方框圖

3.2砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音預(yù)處理

聲音預(yù)處理是完成聲音識(shí)別的前提，是必不可少的步驟。砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音預(yù)處理的目的是消除由害蟲(chóng)本身發(fā)聲帶來(lái)的干擾以及外界采集設(shè)備帶來(lái)的干擾信號(hào)，只有把干擾信號(hào)過(guò)濾或切除掉才能降低對(duì)后續(xù)步驟造成的干擾，為后續(xù)的信號(hào)參數(shù)提取提供高質(zhì)量的參數(shù)。沙糖橘主要害蟲(chóng)聲音預(yù)處理的步驟一般分為預(yù)加重、分幀、加窗等。

預(yù)加重意為保持害蟲(chóng)聲音低頻信號(hào)不變而要提高害蟲(chóng)聲音信號(hào)的高頻部分。由于沒(méi)有處理過(guò)的聲音信號(hào)的高頻段頻譜是很難求取的，故要通過(guò)預(yù)加重來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的目的就在于消除低頻干擾尤其是50Hz的工作頻率干擾，將對(duì)語(yǔ)音識(shí)別更為有用的高頻部分的頻譜進(jìn)行提升［2］。經(jīng)過(guò)預(yù)加重后使得害蟲(chóng)聲音信號(hào)頻譜變得更加平穩(wěn)，然后在整個(gè)頻帶內(nèi)以相同的信噪比得到頻譜，便于頻譜分析。

預(yù)加重將會(huì)用到如下式（1）所示的傳遞函數(shù)。

H（z）=1-μz-1（1）

其中μ的取值一般接近于1。

分幀旨在使害蟲(chóng)聲音信號(hào)變得平穩(wěn)，一般來(lái)說(shuō)聲音信號(hào)都是不平穩(wěn)的，只有經(jīng)過(guò)分幀處理后才能使得信號(hào)在幀內(nèi)處于平穩(wěn)狀態(tài)便于后續(xù)處理。同時(shí)，為了有利于幀與幀之間能平滑地過(guò)渡，前一幀與后一幀之間會(huì)有堆疊的部分，稱(chēng)為幀移。幀移與幀長(zhǎng)之比一般取50%。

幀長(zhǎng)與幀移關(guān)系如圖2所示：

圖2幀長(zhǎng)與幀移關(guān)系圖

分幀后，提取的害蟲(chóng)聲音會(huì)變成很多小段，之后對(duì)波形進(jìn)行變換。經(jīng)過(guò)變換的每一幀波形成為一個(gè)多維向量，而這個(gè)向量包含著害蟲(chóng)聲音內(nèi)容信息。

加窗的目的是進(jìn)行傅里葉展開(kāi)，使原本不具有周期性的害蟲(chóng)聲音信號(hào)表現(xiàn)出一些周期函數(shù)的特征，從而使整個(gè)聲音信號(hào)更加連續(xù)，避免出現(xiàn)吉布斯效應(yīng)。加窗的具體做法是把上一步預(yù)加重得出的害蟲(chóng)聲音信號(hào)與一個(gè)窗函數(shù)做乘積，而一般來(lái)說(shuō)聲音信號(hào)處理中常用的窗為矩形窗和漢明窗。

其中矩形窗的表達(dá)式為：

w（n）=1，0≤n≤N-10，else（2）

漢明窗的表達(dá)式為：

w（n）=0.54-0.46cos［2πn/（N-1）］，0≤n≤N-10，else（3）

其中式（2）和式（3）的N為聲音信號(hào)幀長(zhǎng)。

3.3砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音特征參數(shù)提取

對(duì)沙糖橘主要害蟲(chóng)聲音特征參數(shù)進(jìn)行提取的方法可有兩種，分別是線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)和梅爾倒譜系數(shù)。線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)LPCC（LinearPredictionCepstrumCoefficients）是基于發(fā)生系統(tǒng)模型提取的，梅爾倒譜系數(shù)MFCC（MelFrequencyCepstrumCoefficients）是基于聽(tīng)覺(jué)模型提取的［3］。線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)提取法有優(yōu)點(diǎn)，但也有一定的局限性。線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)LPCC的優(yōu)點(diǎn)是其計(jì)算量較小，但不太符合害蟲(chóng)聽(tīng)覺(jué)的敏感性；而梅爾倒譜系數(shù)MFCC就不會(huì)有此局限性。故經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，本文將采取梅爾倒譜系數(shù)這種提取方法。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的害蟲(chóng)聲音信號(hào)即可用梅爾倒譜系數(shù)MFCC進(jìn)行害蟲(chóng)聲音特征參數(shù)提取，提取時(shí)必須滿足三個(gè)條件：要能充分地表征出害蟲(chóng)聲音信號(hào)特性；要有相互獨(dú)立的特征參數(shù)；要保證害蟲(chóng)聲音信號(hào)具有實(shí)時(shí)性。

使用梅爾倒譜系數(shù)MFCC對(duì)害蟲(chóng)聲音特征提取的步驟為：在進(jìn)行害蟲(chóng)聲音預(yù)處理后，首先，分析每一窗的聲音信號(hào)，并通過(guò)傅里葉變換（FFT）得到相應(yīng)的頻譜；其次，通過(guò)Mel濾波器組獲得Mel譜；再次，取Mel譜上的對(duì)數(shù)，通過(guò)反演得到Mel頻率倒譜系數(shù)；最后，通過(guò)倒譜分析得到害蟲(chóng)聲音特征參數(shù)。其中梅爾倒譜系數(shù)MFCC提取的關(guān)鍵是梅爾頻率分析和倒譜分析。害蟲(chóng)聲音信號(hào)的倒譜分析即是求信號(hào)倒譜特征參數(shù)的過(guò)程，可以通過(guò)同態(tài)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)，即可以將頻譜看成頻譜包絡(luò)與頻譜細(xì)節(jié)的乘積，對(duì)其求log，將其轉(zhuǎn)化為加性關(guān)系。其中頻譜包絡(luò)可以視為“低頻信號(hào)”、頻譜細(xì)節(jié)可以視為“高頻信號(hào)”，然后通過(guò)離散余弦變換（DCT）將“低頻信號(hào)”和“高頻信號(hào)”分離，我們稱(chēng)為“倒譜”。離散余弦變換（DCT）的表達(dá)式如式（4）所示：

X（K）=∑N-1n=0x（n）（cos2kπnN）-j∑N-1n=0x（n）（sin2kπnN）（4）

其中N為信號(hào)長(zhǎng)度，而K=0，1，2…N-1。

3.4砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別模式

3.4.1識(shí)別模式系統(tǒng)建立

一個(gè)完善的識(shí)別模式系統(tǒng)通常由預(yù)處理、信息特征樣本提取、分類(lèi)器的選擇設(shè)計(jì)、模式分類(lèi)這四部分組成。

預(yù)處理：預(yù)處理對(duì)于模式識(shí)別系統(tǒng)尤為重要，一個(gè)完善的識(shí)別模式系統(tǒng)能否建立成功首先取決于預(yù)處理是否處理得好。對(duì)害蟲(chóng)聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理能獲得更多有效的害蟲(chóng)聲音片段，排除一些無(wú)用的干擾聲音片段，如外界因素的影響的聲音片段等。

信息特征樣本提?。河捎诓杉降脑己οx(chóng)聲音信息量較大，其中包含著有用信息的同時(shí)，還會(huì)存在著大量的無(wú)用信息，所以就需要從害蟲(chóng)聲音信號(hào)中提取出能表征該害蟲(chóng)聲音信號(hào)特征的樣本，便于后面的識(shí)別效率的提高。

分類(lèi)器的選擇設(shè)計(jì)：根據(jù)分類(lèi)判別的規(guī)則設(shè)計(jì)構(gòu)造出判別函數(shù)，讓樣本進(jìn)行訓(xùn)練，學(xué)習(xí)出分類(lèi)判別函數(shù)，使之能夠最終識(shí)別出最佳的效果。

模式分類(lèi)：依據(jù)分類(lèi)器輸出識(shí)別的結(jié)果，不同的結(jié)果即為不同的模式分類(lèi)。

3.4.2模式識(shí)別的方法

砂糖橘主要害蟲(chóng)的模式識(shí)別方法按順序依次進(jìn)行模型訓(xùn)練、模式匹配和模式統(tǒng)計(jì)識(shí)別，以達(dá)到較準(zhǔn)確的害蟲(chóng)判別。

模型訓(xùn)練即首先為采集到的不同的害蟲(chóng)的聲音建立好發(fā)音模板，建立害蟲(chóng)聲學(xué)模型，在識(shí)別時(shí)將害蟲(chóng)發(fā)出的未知聲音特征與害蟲(chóng)聲學(xué)模型不斷地進(jìn)行匹配和比較訓(xùn)練。若害蟲(chóng)聲音信號(hào)與建立好的害蟲(chóng)聲學(xué)模型匹配度達(dá)到99%即算模型訓(xùn)練成功。

模式匹配即是將提取出來(lái)的害蟲(chóng)聲音特征參數(shù)序列放入模型庫(kù)中，建立出參考模板，形成特定的匹配模式。在砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別中，從害蟲(chóng)聲音中提取的特征參數(shù)向量按照特定的匹配方式與所有參考模板進(jìn)行匹配，匹配結(jié)果為每個(gè)特征向量之間的最小距離之和，距離越小說(shuō)明匹配度越高。該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、速度快；缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)模型的存儲(chǔ)量要求大，如果系統(tǒng)的干擾量大，規(guī)模大，則會(huì)增加計(jì)算量，不利于識(shí)別率的計(jì)算。

模式統(tǒng)計(jì)識(shí)別即是以模式樣本視為多維特征空間中的點(diǎn)，然后將不同類(lèi)型的標(biāo)本基于特征空間的不同概率分布來(lái)創(chuàng)建決策標(biāo)準(zhǔn)和類(lèi)型接口來(lái)確定分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)該方法就是能夠反映砂糖橘主要害蟲(chóng)個(gè)性特征的特征向量，然后計(jì)算其分布特征。識(shí)別過(guò)程通常使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如平均值和方差以及概率密度函數(shù)來(lái)進(jìn)行決策。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別性能穩(wěn)定，抗噪聲性能好，易于實(shí)現(xiàn)，可以更好地了解不同砂糖橘主要害蟲(chóng)的聲音信號(hào)中不同的特性信息分布。

結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)，每年砂糖橘的產(chǎn)量是很大的，市場(chǎng)需求廣泛，但砂糖橘的產(chǎn)量會(huì)在很大程度上受到害蟲(chóng)的影響，因此只有找到砂糖橘主要害蟲(chóng)識(shí)別，才能進(jìn)行更好的預(yù)防和干預(yù)。本文探討的基于砂糖橘主要害蟲(chóng)聲音識(shí)別技術(shù)的研究，不僅能大大地減少人力物力的投入，還能提高害蟲(chóng)監(jiān)測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的砂糖橘種植生產(chǎn)。

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［3］杜丹.藍(lán)莓典型蟲(chóng)害聲信息特征與種類(lèi)自動(dòng)識(shí)別研究［D］.貴州大學(xué)，2019.

基金項(xiàng)目：2022年廣西科技師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練立項(xiàng)項(xiàng)目——害蟲(chóng)識(shí)別器（國(guó)家級(jí)）（項(xiàng)目編號(hào)：202211546018）

作者簡(jiǎn)介：潘玉娟（2003—），女，漢族，廣西昭平人，本科，廣西科技師范學(xué)院職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院學(xué)生，主要對(duì)機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)與研究。

*通訊作者：吳紅生（1980—），男，漢族，安徽樅陽(yáng)人，工程師，講師，廣西科技師范學(xué)院職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院教師，主要從事機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)與研究。