基于振動理論與神經(jīng)元濾波機理的聽覺信息處理方法研究.pdf

1、聽覺信息處理是生物感知外環(huán)境信息的重要過程，同時也是生物與外環(huán)境進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，聽覺信息處理研究成果在機器人的人機交互、信息感知和識別、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，研究人員主要通過建立聽覺感受器模型研究聽覺信息處理過程，并獲得了貼近聽覺生理特性的聽覺信息處理結(jié)果。但由于所建立的聽覺感受器模型架構(gòu)較大、推導(dǎo)和計算過程復(fù)雜，常常在聽覺仿生應(yīng)用中受到限

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

3、息進行處理的過程歸納為“感受器感知——神經(jīng)元濾波”過程。在此基礎(chǔ)上，以“聽覺感受器——神經(jīng)元”為研究對象，從宏觀信息流向和微觀處理機制完整模擬聽覺信息處理過程，并利用聽神經(jīng)信息保持機理，將聽覺感受器對信息的處理轉(zhuǎn)換為神經(jīng)元對聽覺信息的響應(yīng)。著眼于信息在聽覺感受器與神經(jīng)元內(nèi)的信息傳遞形式，采用振動學(xué)方法建立和提出聽覺感受器模型、神經(jīng)元濾波模型，并提出一種具有良好聽覺響應(yīng)一致性、且具有簡單實現(xiàn)形式的聽覺信息處理方法。本文具體研究內(nèi)容主要包括

4、以下幾個方面：
　　通過對聽覺信息處理機制的分析，結(jié)合聽覺感受器生理結(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、以及流體對基底膜振動的耦合作用。采用剖面法，模擬并研究耳蝸內(nèi)微觀力學(xué)特性，包括外毛細胞主動作用力、以及基底膜與蓋膜的耦合關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出基于振動理論和聽覺機理的耳蝸感知模型。在仿真平臺上進行實驗，并與聽覺生理學(xué)數(shù)據(jù)進行比較，驗證了該模型能夠?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、以及高聽敏度能力。
　　深入分析振動理論用于模擬神經(jīng)信息傳遞的可行性。進行神經(jīng)元濾波機制分析。通過改進FHN神經(jīng)元模型，從振動學(xué)角度建立基于膜電勢增量變化的神經(jīng)元模型。將神經(jīng)元濾波機制引入基于膜電勢增量變化的神經(jīng)元模型，提出一種基于振動理論的神經(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。通過仿真實驗、硬件測試和比較分析，對此神經(jīng)元濾波模型的有效性、適用性、客觀去

6、噪性能以及實時性進行了驗證。
　　通過分析“聽覺感受器——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，實現(xiàn)耳蝸感知模型與神經(jīng)元濾波模型的對接。在此基礎(chǔ)上，提出基于耳蝸感知與神經(jīng)元濾波的聽覺信息處理方法。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)計算方程和參數(shù)確定流程。通過仿真實驗，分別從非線性放大、頻域響應(yīng)、以及時域響應(yīng)進行聽覺響應(yīng)一致性研究和驗證。通過與當(dāng)前

7、具有代表性的基底膜模型建立方法比較，進行該方法的性能評估。
　　對本文提出的耳蝸感知模型進行面向多音同時感知的實驗研究，通過聽覺掩蔽實驗，研究并分析多音同時感知時該模型的聽覺響應(yīng)特性。對本文提出的聽覺信息處理方法進行實驗研究，分別采用該方法進行聲音激勵、語音復(fù)現(xiàn)、聲音增強、語音特征提取和說話人識別。獲得了符合耳蝸分頻特性的純音與復(fù)合音響應(yīng)。實現(xiàn)了對語音的頻譜復(fù)現(xiàn)，并獲得了符合耳蝸非線性放大特性的語音頻譜。同時增強了低信噪比環(huán)境下聲