曲 蕊,劉 晃,莊保陸,劉俊文
(1 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306;2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所,上海 200092)
聲響對(duì)水生生物行為具有很大影響,人類很早就利用魚類對(duì)自身聲音的趨同性進(jìn)行聲誘捕撈[1],通過制造出與魚類具有相同發(fā)聲頻率的發(fā)聲器,模仿魚類的聲音進(jìn)行誘捕[2-3],如非洲漁民模擬隆頭魚科捕食草魚時(shí)發(fā)出的聲音進(jìn)行捕撈[4]。中國關(guān)于魚類發(fā)聲的研究在20世紀(jì)80年代已有開展[5-7],但其后一直發(fā)展緩慢,鮮有相關(guān)研究報(bào)道。國外多研究鯨豚類發(fā)聲,對(duì)魚類發(fā)聲特性的研究也較少報(bào)道[8-13]。近年來,研究重點(diǎn)聚焦于魚蝦聲信號(hào),如Mallekh等[14]通過提出一種檢測大菱鲆攝食聲信號(hào)的算法,確定了攝食量和聲能量之間的關(guān)系;Hawkins等[15]采用聲像同步技術(shù)研究雀鯛求偶、交配行為與聲信號(hào)之間的關(guān)系。攝食發(fā)聲是水下生物行為的一部分,不同的行為對(duì)應(yīng)不同的聲音,水生生物的求偶、繁殖、攝食、游泳等都會(huì)產(chǎn)生不同的聲音,不同行為聲音的強(qiáng)度和頻率等特征均不相同,且與季節(jié)和不同生長階段相關(guān)。
隨著自然漁業(yè)資源衰退、水產(chǎn)養(yǎng)殖的蓬勃發(fā)展,集約化養(yǎng)殖中飼料投喂方式不當(dāng),造成大量的水資源嚴(yán)重污染,從而限制了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。改變傳統(tǒng)的過度投飼方式,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投飼,成為水產(chǎn)養(yǎng)殖中亟須解決的問題。由于魚蝦飽食程度依靠現(xiàn)有技術(shù)無法直接進(jìn)行觀察估量,目前常用的檢測方法主要是機(jī)器視覺和聲學(xué)方法[16],但機(jī)器視覺方法受養(yǎng)殖水體以及魚蝦的攝食方式等影響,適用范圍受限[17]。使用被動(dòng)聲學(xué)的方法進(jìn)行探測,對(duì)魚蝦攝食環(huán)境以及攝食行為不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響,還能有效反饋魚蝦攝食情況,因此,基于聲學(xué)的攝食研究是探測水生生物行為的重要手段。通過聲學(xué)探測,估計(jì)魚蝦攝食情況,確定不同魚類的攝食特征和攝食量,相關(guān)研究人員對(duì)此做了大量研究。湯濤林等[18]用羅非魚的攝食聲進(jìn)行投飼研究,根據(jù)魚類的攝食特征來研究飼料最佳投喂量以及投喂時(shí)間;Parmentier等[19]發(fā)現(xiàn)對(duì)蝦的強(qiáng)食期在1 min以上,依此來調(diào)整投飼量;Lagardère等[20]對(duì)大菱鲆的攝食聲脈沖信號(hào)進(jìn)行比較,對(duì)大菱鲆攝食特點(diǎn)做出分析。以上研究表明,通過攝食聲對(duì)不同種類的魚蝦量以及攝食特征做出定量分析,這為促進(jìn)飼料效率,強(qiáng)化魚群集群密度,提高養(yǎng)殖效率等提供了重要參考價(jià)值。
魚蝦可以利用攝食過程產(chǎn)生的攝食聲信號(hào)進(jìn)行通訊交流[21]。魚蝦攝食聲是生物噪聲的一種,其包括捕食時(shí)產(chǎn)生的游泳水動(dòng)力噪聲、咀嚼和吞咽食物的噪聲[22]以及部分魚蝦類搶食發(fā)出的叫聲等??偨Y(jié)發(fā)現(xiàn),魚蝦攝食發(fā)聲主要有以下來源。
(1)摩擦發(fā)聲。魚蝦在攝食時(shí)骨骼和身體堅(jiān)硬部位,如魚的齒、鰭、鰓蓋和蝦觸角根部等相互摩擦?xí)a(chǎn)生較為明顯的聲音[23];此外,魚類攝食、游動(dòng)時(shí)因頰骨和水波紋之間的摩擦運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生聲音[8]。摩擦發(fā)聲頻率范圍通常在200~5 500 Hz。如鱸魚鰓蓋摩擦產(chǎn)生的“咚咚”聲頻率范圍為50 ~1 200 Hz[24];鯡鯉門齒摩擦產(chǎn)生的敲擊聲頻率范圍為63~300 Hz[25];黑、白石首魚均靠咽齒摩擦發(fā)出“咯吱”聲,其頻率分別為63~6 300 Hz和500~4 000 Hz。條鱸鰓蓋摩擦產(chǎn)生的“咚咚”聲頻率為75~150 Hz[1]。
(2)魚類攝食時(shí)口腔內(nèi)壓力的突然變化產(chǎn)生的聲音??谇粌?nèi)壓力的突然變化是伴隨著進(jìn)食或咀嚼食物產(chǎn)生的。當(dāng)吸食性魚類嘴巴張開開始捕捉食物時(shí),口腔會(huì)擴(kuò)張,這時(shí)頰腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力[26],魚類口腔內(nèi)壓力的突然變化會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的水流,這種水流會(huì)將食物吸入口腔內(nèi),同時(shí)也會(huì)引起鰓弓和鰓蓋的振動(dòng),從而產(chǎn)生一定的聲信號(hào)。Sprague等[27]結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)、聲學(xué)和形態(tài)分布方法研究了海馬的攝食聲信號(hào),證明了口腔內(nèi)壓力的變化會(huì)產(chǎn)生聲音。某些魚類可通過魚鰾及其附屬肌肉振動(dòng)發(fā)聲,此類發(fā)聲原理為與鰾相連的若干特殊肌肉迅速伸縮,使鰾壁共鳴,從而發(fā)聲[22]。鰾振動(dòng)發(fā)出的聲音通常為低頻,其頻率范圍因魚的種類不同而有很大的差別,大黃魚鰾發(fā)聲的頻率為125~4 000 Hz,鰻魚為50 ~1 200 Hz[24]。
(3)蝦在攝食時(shí)下頜的閉合產(chǎn)生的聲音。Silva等[28]用聲像同步裝置檢測斑節(jié)對(duì)蝦的攝食聲信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)飼料被固定在對(duì)蝦的口器中時(shí),下頜相互碰撞和摩擦?xí)a(chǎn)生一系列的攝食脈沖聲信號(hào)。
(4)其他。除了以上3種來源之外,魚蝦在進(jìn)行某些生命活動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生聲音,如游泳、躲避天敵過程中發(fā)出的驚恐聲。某些魚類在攝食時(shí),因往前游動(dòng),骨骼和魚鰭運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)出聲音,搶食會(huì)發(fā)出聲音,尾巴拍打水花也發(fā)出聲音[20]。研究者檢測到的攝食聲信號(hào)是一個(gè)混合聲音,此聲音信號(hào)有可能單純是由魚類在咀嚼的過程中鰓弓鰓蓋或頜骨的震動(dòng)產(chǎn)生,也有可能還包含了其他尚未明確因素。
相較于對(duì)發(fā)聲機(jī)理開展研究較早的國外,國內(nèi)對(duì)于魚蝦發(fā)聲機(jī)理尚未進(jìn)行系統(tǒng)地研究。需要研究的內(nèi)容包括振動(dòng)產(chǎn)生聲音的特定組織、產(chǎn)生聲音的能量來源、聲音的調(diào)制、聲音能量在水體中的耦合等[29]。
魚蝦攝食聲音獲取有兩種途徑:自然條件下錄音和圈養(yǎng)錄音[30]。由于自然環(huán)境下魚發(fā)出的聲音微弱,且天氣等外界因素對(duì)聲音獲取干擾較大,因而國內(nèi)外研究者通常通過圈養(yǎng)水生生物并搭建水下聲音檢測平臺(tái)來檢測攝食聲信號(hào)。魚類被圈養(yǎng)在不同規(guī)格的網(wǎng)箱、水槽或水池,采用物理方法使水箱內(nèi)的水溫和鹽度等維持在適宜魚類生長的最佳值。如Smith等[31]搭建了直徑1.93 m、深0.77 m的2 000 L循環(huán)水箱,系統(tǒng)水溫控制在25~32 ℃,采用聲像同步方法探測蝦的攝食聲。整個(gè)環(huán)境無光源,通過蝦眼睛反射紅外光確定蝦的位置;湯濤林等[18]在淡水養(yǎng)殖試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行羅非魚攝食聲試驗(yàn),搭建了容積2.5 m3、水深1.0 m、水溫控制在18~24 ℃的水槽;Amorim等[32]在監(jiān)測灰色魴魚水下攝食聲時(shí),搭建了規(guī)格為70 m×35 m×15 m的玻璃鋼水箱,水溫控制在7~12 ℃,并通過計(jì)算機(jī)來模擬適宜的自然光周期。采用人工圈養(yǎng)的方法對(duì)魚蝦水下攝食聲進(jìn)行監(jiān)測,環(huán)境噪聲的可控性增加,可人為減少環(huán)境噪聲對(duì)攝食聲信號(hào)的干擾。
水聲信號(hào)采集裝置通常具備音頻采集和存儲(chǔ)等功能[30]。音頻采集通常由水聽器、放大器和動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀等設(shè)備實(shí)現(xiàn)。早期的音頻采集存儲(chǔ)裝置主要為錄音機(jī)。例如Smith等[31]用Edirol R-09HR錄音機(jī)結(jié)合FASTCAM SA5攝像機(jī)(775k-c3)開展斑節(jié)對(duì)蝦的攝食聲學(xué)研究。隨著電子科技的發(fā)展,采集存儲(chǔ)方式向數(shù)字化方向發(fā)展,水聲檢測系統(tǒng)由水聽器、遠(yuǎn)程控制濾波放大器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等構(gòu)成[33]。目前水聲信號(hào)采集裝置已經(jīng)形成了系列化集成度較高的產(chǎn)品,比如丹麥BK公司8101、8103以及TC4034等系列產(chǎn)品。
傳統(tǒng)的信號(hào)檢測和估計(jì)方法是建立在背景噪聲為白噪聲的基礎(chǔ)上,但背景噪聲多為周期性噪聲[34]。若背景噪聲與魚聲信號(hào)重疊較大,此信號(hào)則為無效聲信號(hào)。因而在對(duì)魚聲信號(hào)進(jìn)行處理時(shí),需提取攝食聲信號(hào)的有效音段。采用譜減法、數(shù)字濾波算法以及聲信號(hào)方差計(jì)算等算法可對(duì)環(huán)境中的背景噪聲進(jìn)行處理,如Silva等[28]得到斑節(jié)對(duì)蝦攝食聲信號(hào)的功率譜后,采用譜減法減去噪聲模型譜來估計(jì)純凈攝食聲信號(hào);Phillips等[35]對(duì)虹鱒的攝食聲信號(hào)處理采用了基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的模擬器ADSP(2181)和MAO(2062-9106),使用數(shù)字濾波算法和攝食聲信號(hào)方差計(jì)算算法來計(jì)算(6~9)kHz頻段內(nèi)的有用攝食信號(hào)。魚聲信號(hào)是一個(gè)非平穩(wěn)信號(hào),可從時(shí)域、頻域以及同態(tài)分析3個(gè)角度來提取特征參數(shù),從而得到不同魚類的聲特征。對(duì)此類信號(hào)的處理目前主要采用短時(shí)傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT)的方法[36],其本質(zhì)是在一幀內(nèi)把魚聲信號(hào)看作是一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程,每幀取10~30 ms,把聲信號(hào)分解為不同幅值和頻率的正弦波,從而將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)平臺(tái)軟件就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集到的攝食聲信號(hào)的時(shí)域和頻域的幅度、頻率等信息的處理[37]。很多公司在選擇分析軟件時(shí)更傾向于使用與自己的檢測系統(tǒng)一體的軟件,如丹麥的B&K公司Pulse系統(tǒng)以及美國MathWorks公司的Matlab 系統(tǒng)。經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件處理得到的純凈攝食聲信號(hào)從時(shí)間信號(hào)、窄帶頻譜以及功率3個(gè)角度進(jìn)行分析,可得到當(dāng)前攝食功率Pt與頻率之間的關(guān)系為[38]:
(1)
式中:ms 為起始頻率,Hz;me為截止頻率,Hz;Pm為當(dāng)前時(shí)刻攝食功率,W;Pn為背景噪聲攝食功率,W;Pt為攝食功率,W。
水下攝食聲學(xué)研究結(jié)果分為兩種,一種在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,另一種僅作行為理論研究。攝食聲學(xué)特征的表達(dá)是行為理論研究中的重要部分,可將不同條件下魚蝦的攝食行為與聲學(xué)特征建立聯(lián)系。魚蝦攝食聲音特征的提取大多是沿用傳統(tǒng)語音信號(hào)處理的方法,例如:對(duì)聲音信號(hào)分幀、加窗,提取每幀信號(hào)的特征值(持續(xù)時(shí)間、共振峰、功率譜估計(jì)、能量譜包絡(luò)、線性預(yù)測倒譜系數(shù)等特征參數(shù))。魚蝦攝食聲學(xué)特征可反映出魚蝦養(yǎng)殖的種類、食欲以及養(yǎng)殖模式等。如湯濤林等[18]提取羅非魚攝食聲特征發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間的推進(jìn),羅非魚的攝食聲功率和攝食量都下降,聲功率和攝食量呈正相關(guān)。根據(jù)攝食聲學(xué)特征得知某時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段內(nèi)攝食聲信號(hào)頻率或聲強(qiáng)變化范圍,由此對(duì)魚類攝食強(qiáng)食期做出判斷。對(duì)大中小3種不同體型大菱鲆的攝食信號(hào)聲學(xué)特征進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)體型較大的大菱鲆攝食脈沖信號(hào)較為穩(wěn)定,而體型較小的大菱鲆在1 min后仍會(huì)出現(xiàn)波形較大的攝食脈沖信號(hào),據(jù)此可對(duì)不同體型大菱鲆攝食量做出估計(jì)[14]。
多種魚類均具有方向性聽力和辨別聲源的行為能力,將檢測到的魚蝦攝食聲的有效音段提取完整的特征參數(shù),制造出具有魚類誘導(dǎo)馴化功能的裝置,對(duì)放養(yǎng)的魚蝦進(jìn)行引誘以及自動(dòng)馴化,可減少放養(yǎng)種苗的流失,還可吸引野生魚類[39]。影響魚類誘導(dǎo)效果的主要參數(shù)是頻率和時(shí)間,只有通過檢測到的攝食聲對(duì)魚蝦攝食的主要特征做出定量分析后,找到攝食聲的主導(dǎo)頻率和時(shí)間參數(shù),在原有攝食聲基礎(chǔ)上進(jìn)行加工,才能達(dá)到引誘效果,實(shí)現(xiàn)魚類聚群的馴化。如日本竹村暘等[40]通過對(duì)鯉魚攝食聲的檢測,發(fā)現(xiàn)間隔1 s的斷續(xù)攝食聲可達(dá)到驅(qū)散鯉魚效果,此外,引誘鯉魚的有效頻率為1.25 kHz。陳德慧等[41]根據(jù)魚類攝食聲,采用一定頻譜的聲波結(jié)合投飼對(duì)黑鯛進(jìn)行音響馴化誘集,以達(dá)到對(duì)魚群進(jìn)行有效控制的目的。張磊等[42]通過制造出與黑鯛魚苗攝食聲頻率相同的魚類誘導(dǎo)信號(hào)系統(tǒng),對(duì)海洋牧場放養(yǎng)的種苗進(jìn)行誘導(dǎo),實(shí)現(xiàn)對(duì)黑鯛的馴化,從而減少魚苗在放流過程中從海洋牧場中的流失,同時(shí)也可以吸引野生魚類流入海洋牧場。通過攝食聲對(duì)魚類攝食行為做出定量分析,提取誘導(dǎo)的有效音段,實(shí)現(xiàn)魚類聚群的馴化,不僅保證了海洋牧場的正常發(fā)展,也在一定程度上增加了海洋牧場的漁業(yè)資源,有利于海洋牧場的高效運(yùn)行。
攝食信號(hào)的頻譜特征可用于檢測養(yǎng)殖池塘內(nèi)復(fù)雜的飼養(yǎng)活動(dòng)。對(duì)大黃魚的攝食頻譜分析發(fā)現(xiàn),幼魚吞食產(chǎn)生的水體表面攪動(dòng)與水面氣泡破裂的聲音在1 000~2 000 Hz 的共振峰,2 000~4 500 Hz的共振峰為魚咀嚼顆粒飼料的聲音[22]。對(duì)大菱鲆攝食聲信號(hào)窄帶頻譜分析發(fā)現(xiàn),攝食聲信號(hào)通常是(0~20)kHz,然而在(7~10)kHz的頻率范圍內(nèi),攝食時(shí)聲壓級(jí)的變化幅度為15 ~20 dB[19],且在此頻率范圍內(nèi),養(yǎng)殖環(huán)境中的背景噪聲對(duì)攝食聲音的產(chǎn)生影響不大;對(duì)斑節(jié)對(duì)蝦的攝食頻譜分析發(fā)現(xiàn),在(4~8.5)kHz的頻段投喂飼料,能夠提高對(duì)蝦的飼養(yǎng)效率[35]。這些研究結(jié)果的重要應(yīng)用價(jià)值是根據(jù)水生生物攝食聲和攝食量之間的關(guān)系來確定最佳投飼量,針對(duì)各種魚蝦攝食特點(diǎn),開發(fā)用聲學(xué)系統(tǒng)控制的投飼裝備,來代替目前市面上只能進(jìn)行定點(diǎn)定量投喂的自動(dòng)投飼機(jī)。澳大利亞的AQ1公司據(jù)此研發(fā)了用于魚蝦的聲學(xué)投飼反饋系統(tǒng)[43],Ullman等[44-46]對(duì)此系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明,根據(jù)聲學(xué)投飼反饋系統(tǒng)飼養(yǎng)的魚蝦具有更高的養(yǎng)殖效率。
魚蝦發(fā)聲微弱且采集困難,人工養(yǎng)殖的魚類在進(jìn)化過程中可能會(huì)喪失某些聲音,在實(shí)驗(yàn)室得到的算法不一定適用于實(shí)際的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境。近年來隨著科技的發(fā)展,出現(xiàn)了靈敏度更高更準(zhǔn)確的水聽器以及水下攝像設(shè)備,鑒于聲信號(hào)和光信號(hào)在水聲信號(hào)檢測方面具有互補(bǔ)性,未來的水下探測系統(tǒng)也將組合這兩種信號(hào)源進(jìn)行探測。具有高精度、高分辨率、三維立體成像的可集水聽器和攝像機(jī)一體人工智能水下機(jī)器人將是未來的攝食檢測的發(fā)展方向。國內(nèi)關(guān)于魚聲信號(hào)的研究還比較薄弱,特別是對(duì)魚的發(fā)聲方式,以及魚聲信號(hào)的特征提取上還沒有做深入的研究。未來可著重從以下幾個(gè)角度對(duì)攝食聲信號(hào)進(jìn)行研究。
(1)攝食聲信號(hào)提取。目前用水聽器檢測到的攝食聲信號(hào)是一個(gè)復(fù)雜的混合信號(hào),在處理過程中把一個(gè)多分量信號(hào)分解成多個(gè)單分量信號(hào),但分解后此單分量信號(hào)并不能反映魚蝦真實(shí)攝食行為聲學(xué)特征,因此對(duì)攝食聲的分析和處理還建立在將攝食聲與環(huán)境中背景噪聲看為一體的基礎(chǔ)上。環(huán)境中的背景噪聲若和攝食聲的重疊較大,檢測到的攝食聲信號(hào)與魚類食欲的關(guān)系也會(huì)存在誤差,因而應(yīng)用聲學(xué)方法對(duì)水生生物的攝食量進(jìn)行監(jiān)測,數(shù)據(jù)受采聲信號(hào)信噪比等各種因素的干擾。未來可從攝食的發(fā)生機(jī)制、攝食聲信號(hào)的主導(dǎo)頻率范圍等方面出發(fā),將攝食聲和其他聲音用一定的算法進(jìn)行區(qū)分,提高魚蝦攝食聲信號(hào)特征參數(shù)的準(zhǔn)確性,對(duì)攝食量做出準(zhǔn)確計(jì)算。
(2)人工智能技術(shù)的應(yīng)用。運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立魚類攝食聲信號(hào)梅爾頻率倒譜系數(shù)(MFCC)特征參數(shù)模型。按不同的運(yùn)算方式由各個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)組成攝食聲信號(hào)的特征網(wǎng)絡(luò)?;贐P算法建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可對(duì)魚類的攝食聲信號(hào)進(jìn)行特征分類,此方法更加有利于魚類聲信號(hào)的識(shí)別。檢測到的魚類攝食聲因受養(yǎng)殖模式影響可能存在一定誤差,利用人工智能進(jìn)行圖像識(shí)別,對(duì)此誤差做出調(diào)整,得出準(zhǔn)確攝食聲與攝食量之間的關(guān)系。
(3)應(yīng)用場景的拓展。未來基于攝食行為聲學(xué)特征表達(dá)的研究可擴(kuò)大應(yīng)用范圍,研究對(duì)象不再限于魚和蝦,應(yīng)用水下機(jī)器人檢測到的聲像同步攝食聲信號(hào),將水產(chǎn)養(yǎng)殖中不同種類的魚、蝦、貝和蟹等攝食行為和攝食聲音一一對(duì)應(yīng),將檢測到攝食聲信號(hào)提取特征參數(shù)后,建立不同養(yǎng)殖種類攝食聲的標(biāo)準(zhǔn)模式數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫達(dá)到一定規(guī)模時(shí),對(duì)魚類聲信號(hào)進(jìn)行同態(tài)分析,得到魚類攝食信號(hào)的復(fù)倒譜參數(shù)和倒譜參數(shù),并將這些參數(shù)用于魚蝦的種類識(shí)別;可直接利用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的攝食聲和聲能量之間的關(guān)系來估計(jì)養(yǎng)殖對(duì)象的最佳養(yǎng)殖密度;將某種魚蝦攝食聲特征與同數(shù)據(jù)庫中的已知種群的標(biāo)準(zhǔn)模式之間的距離測度進(jìn)行計(jì)算,并將這個(gè)距離與預(yù)先設(shè)定的判決門限進(jìn)行比較,根據(jù)其關(guān)系判斷魚蝦發(fā)聲圖譜。
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