基于振動(dòng)理論與神經(jīng)元濾波機(jī)理的聽(tīng)覺(jué)信息處理方法研究.pdf

1、聽(tīng)覺(jué)信息處理是生物感知外環(huán)境信息的重要過(guò)程，同時(shí)也是生物與外環(huán)境進(jìn)行信息交互的重要途徑之一，具有高度多學(xué)科交叉屬性。隨著現(xiàn)今仿生科學(xué)、信息技術(shù)等迅猛發(fā)展，聽(tīng)覺(jué)信息處理研究成果在機(jī)器人的人機(jī)交互、信息感知和識(shí)別、以及導(dǎo)航定位等諸多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，研究人員主要通過(guò)建立聽(tīng)覺(jué)感受器模型研究聽(tīng)覺(jué)信息處理過(guò)程，并獲得了貼近聽(tīng)覺(jué)生理特性的聽(tīng)覺(jué)信息處理結(jié)果。但由于所建立的聽(tīng)覺(jué)感受器模型架構(gòu)較大、推導(dǎo)和計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，常常在聽(tīng)覺(jué)仿生應(yīng)用中受到限

2、制，這迫使研究人員直接著眼于聽(tīng)覺(jué)感受器處理信息過(guò)程中的核心機(jī)制，通過(guò)模擬耳蝸內(nèi)基底膜功能提出了基底膜模型。該模型具有相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)形式，但忽略了聽(tīng)覺(jué)感受器內(nèi)其它結(jié)構(gòu)的功能，使得它對(duì)聽(tīng)覺(jué)生理特性的模擬始終存在不足。因此，為獲得簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的聽(tīng)覺(jué)信息處理方法，也為獲得更貼近生物聽(tīng)覺(jué)生理特性的聽(tīng)覺(jué)信息處理結(jié)果，研究人員不斷在生物感知和處理信息的機(jī)制中尋求新的研究途徑。
　　本文深入分析聽(tīng)覺(jué)機(jī)理，并著眼于生物神經(jīng)元濾波機(jī)制，將生物對(duì)外環(huán)境信

3、息進(jìn)行處理的過(guò)程歸納為“感受器感知——神經(jīng)元濾波”過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，以“聽(tīng)覺(jué)感受器——神經(jīng)元”為研究對(duì)象，從宏觀信息流向和微觀處理機(jī)制完整模擬聽(tīng)覺(jué)信息處理過(guò)程，并利用聽(tīng)神經(jīng)信息保持機(jī)理，將聽(tīng)覺(jué)感受器對(duì)信息的處理轉(zhuǎn)換為神經(jīng)元對(duì)聽(tīng)覺(jué)信息的響應(yīng)。著眼于信息在聽(tīng)覺(jué)感受器與神經(jīng)元內(nèi)的信息傳遞形式，采用振動(dòng)學(xué)方法建立和提出聽(tīng)覺(jué)感受器模型、神經(jīng)元濾波模型，并提出一種具有良好聽(tīng)覺(jué)響應(yīng)一致性、且具有簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)形式的聽(tīng)覺(jué)信息處理方法。本文具體研究?jī)?nèi)容主要包括

4、以下幾個(gè)方面：
　　通過(guò)對(duì)聽(tīng)覺(jué)信息處理機(jī)制的分析，結(jié)合聽(tīng)覺(jué)感受器生理結(jié)構(gòu)，建立耳蝸感知模型的三維結(jié)構(gòu)。采用振動(dòng)學(xué)等效分析和保形映射方法，模擬并研究耳蝸內(nèi)部流體環(huán)境中基底膜振動(dòng)、以及流體對(duì)基底膜振動(dòng)的耦合作用。采用剖面法，模擬并研究耳蝸內(nèi)微觀力學(xué)特性，包括外毛細(xì)胞主動(dòng)作用力、以及基底膜與蓋膜的耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出基于振動(dòng)理論和聽(tīng)覺(jué)機(jī)理的耳蝸感知模型。在仿真平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與聽(tīng)覺(jué)生理學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該模型能夠?qū)崿F(xiàn)耳蝸具有

5、的頻率分布位置特性、非線性放大功能、以及高聽(tīng)敏度能力。
　　深入分析振動(dòng)理論用于模擬神經(jīng)信息傳遞的可行性。進(jìn)行神經(jīng)元濾波機(jī)制分析。通過(guò)改進(jìn)FHN神經(jīng)元模型，從振動(dòng)學(xué)角度建立基于膜電勢(shì)增量變化的神經(jīng)元模型。將神經(jīng)元濾波機(jī)制引入基于膜電勢(shì)增量變化的神經(jīng)元模型，提出一種基于振動(dòng)理論的神經(jīng)元濾波模型。分別研究該神經(jīng)元濾波模型的參數(shù)特性、穩(wěn)定參數(shù)條件和參數(shù)選擇策略。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)、硬件測(cè)試和比較分析，對(duì)此神經(jīng)元濾波模型的有效性、適用性、客觀去

6、噪性能以及實(shí)時(shí)性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　通過(guò)分析“聽(tīng)覺(jué)感受器——神經(jīng)元”宏觀信息流向，結(jié)合已提出的耳蝸感知模型和神經(jīng)元濾波模型，研究耳蝸感知信息與神經(jīng)元濾波響應(yīng)的相關(guān)性條件，實(shí)現(xiàn)耳蝸感知模型與神經(jīng)元濾波模型的對(duì)接。在此基礎(chǔ)上，提出基于耳蝸感知與神經(jīng)元濾波的聽(tīng)覺(jué)信息處理方法。分別研究該方法的穩(wěn)定參數(shù)條件、參數(shù)選擇策略、參數(shù)計(jì)算方程和參數(shù)確定流程。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，分別從非線性放大、頻域響應(yīng)、以及時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行聽(tīng)覺(jué)響應(yīng)一致性研究和驗(yàn)證。通過(guò)與當(dāng)前

7、具有代表性的基底膜模型建立方法比較，進(jìn)行該方法的性能評(píng)估。
　　對(duì)本文提出的耳蝸感知模型進(jìn)行面向多音同時(shí)感知的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)聽(tīng)覺(jué)掩蔽實(shí)驗(yàn)，研究并分析多音同時(shí)感知時(shí)該模型的聽(tīng)覺(jué)響應(yīng)特性。對(duì)本文提出的聽(tīng)覺(jué)信息處理方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分別采用該方法進(jìn)行聲音激勵(lì)、語(yǔ)音復(fù)現(xiàn)、聲音增強(qiáng)、語(yǔ)音特征提取和說(shuō)話人識(shí)別。獲得了符合耳蝸分頻特性的純音與復(fù)合音響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)語(yǔ)音的頻譜復(fù)現(xiàn)，并獲得了符合耳蝸非線性放大特性的語(yǔ)音頻譜。同時(shí)增強(qiáng)了低信噪比環(huán)境下聲