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Vers un outil gratuit pour une identification acoustique automatisée et standardisée des chauves-souris en Amérique du Nord François Fabianek 1,2 & Jean Marchal 1 2 Centre d’étude de la forêt & Université Laval 1 Groupe Chiroptères du Québec

Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

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Page 1: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Vers un outil gratuit pour une identification acoustique automatisée et standardisée des

chauves-souris en Amérique du Nord

François Fabianek1,2 & Jean Marchal1

2 Centre d’étude de la forêt & Université Laval

1 Groupe Chiroptères du Québec

Page 2: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Background and Rationale

Page 3: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Bioacoustics: acoustic sampling of animals

Fast and non-invasive method Biodiversity monitoring Ecology and behaviour

Birds

Anourans

Bats

3

Page 4: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

GML Remote Download System

Titley sc.

Increasing data storage capabilities: sampling calls over long periods Autonomous recording units Increasing data transmission rate: 4G networks, 5G by 2020...

Technological advances

Real time monitoring, 24/7, from the office 4

Page 5: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

5

Increasing demand for acoustic inventories of bats

Large population declines induced by white nose syndrome and 2014: Bats entered in the Species At Risk Act (SARA)

Page 6: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Problem

Big (acoustic) Data Manual analyses of data are time consuming Subjective identifications Need to

6

Develop standard procedures for call extraction / classification Automate analyses

Only 600 ms!

Time

Page 7: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

How it works ?

Page 8: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Software architecture

User Server

request

Shiny

response

code

Free and open source bat call classifier Web application: ease of access, virtually no requirement Does 3 things: extraction, classification, provides a visual

User interface Extraction and classification

8

tasks programmed in

Page 9: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Classification procedure : Random Forest (Armitage & Ober, 2010)

Classification

9

Species EPFU EPNO LABO LACI LANO MYLU MYSE MYSP PESU Classification

error

EPFU 1313 145 0 6 12 2 1 0 0 0.11

EPNO 100 1048 3 27 54 0 0 0 0 0.15

LABO 6 0 433 1 1 18 2 22 31 0.16

LACI 7 21 0 2095 2 0 0 0 0 0.02

LANO 1 95 0 7 412 0 0 0 0 0.20

MYLU 7 0 25 0 0 593 31 69 4 0.19

MYSE 1 0 0 0 0 49 231 15 0 0.22

MYSP 1 0 16 0 0 64 11 267 16 0.29

PESU 0 0 24 0 0 8 0 13 368 0.11

Page 10: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

What it looks like ?

Page 11: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

User interface

11

Batch analysis available

Input settings: Stereo recordings: right or left Detection threshold (dB) Minimum duration (ms) (…)

Page 12: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

User interface

Data table (downloadable)

Classification probabilities

Species class

12

Page 13: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

User interface

13

10 acoustic parameters

Minimum and maximum frequency Frequency at maximum amplitude Slope, bandwidth and duration Curve position start / end

Page 14: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

User interface

14

Signal quality

Signal to noise ratio Harmonic distortion Smoothness

Page 15: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

User interface

15

Sequence displayed by WAV file

Spectrogram

Oscillogram

Page 16: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

The good and the bad

Page 17: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

The good and the bad

So why R ?

Main disadvantage of using

implementation

~ 5x slower than original C++ code

Free, maintained, portable Widely used by scientists Statistical packages

Adaptable to specific needs Encourage peer review

17

Page 18: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Performs well in noisy files and with moderately clipped calls (Scott, 2012)

18

The good and the bad

Page 19: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

19

Low SNR

The good and the bad

Clipping Echo / noise Harmonic jump Signal cuts

Page 20: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Further development

Page 21: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Minimum time interval between calls

Build filters (remove clipped signals and signal cuts)

Amplitude threshold

Further development

Clipping Signal cuts

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Page 22: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Add new extraction procedure based on ROI (Aide 2013, Scott 2014)

Sequence (state) of frequencies and amplitude parameters (Scott 2014)

Hidden Markov Models

(Agranat 2013, Aide 2013)

State

Time

Further development

22

Page 23: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Use it ! Share it ! Improve it ! Fund it !

Peer review Create a network

Reference calls $$

What can you do ?

23

Page 24: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

END

Page 25: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

1. Frequency / time spectrum using overlapping FFT windows

Extraction

25

Time

Page 26: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

2. Identify regions with calls using Signal to Noise Ratio (SNR)

Extraction

Time

SNR = 15 dB

SNR = 15 dB

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Page 27: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Extraction

3. Background noise: spectral mean subtraction (Skowronski & Fenton, 2009)

27

Time

Page 28: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

4. Spectral peak tracker to identify call centroids based on max. energy

Time

Extraction

Call 1 Call 2

Call 3

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Page 29: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

5. Identifies call contour (left & right) based on SNR

Extraction

29

Time

Page 30: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Extraction

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6. Applies a Kalman filter for smoothing (Scott, 2012)

Time

Page 31: Vers un outil gratuit pour une identification acoustique

Time

Extraction

7. Then extracts call parameters for classification

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