本文關(guān)鍵詞：基于振動(dòng)理論與神經(jīng)元濾波機(jī)理的聽覺信息處理方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：聽覺信息處理是生物感知外環(huán)境信息的重要過程,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,聽覺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(jì)算過程復(fù)雜,常常在聽覺仿生應(yīng)用中受到限制,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(jī)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(shí)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(shí)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(jī)制中尋求新的研究途徑。本文深入分析聽覺機(jī)理,并著眼于生物神經(jīng)元濾波機(jī)制,將生物對外環(huán)境信息進(jìn)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(jī)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(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)形式的聽覺信息處理方法。本文具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:通過對聽覺信息處理機(jī)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(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)理論和聽覺機(jī)理的耳蝸感知模型。在仿真平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并與聽覺生理學(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(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。通過仿真實(shí)驗(yàn)、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、客觀去噪性能以及實(shí)時(shí)性進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)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(jì)算方程和參數(shù)確定流程。通過仿真實(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)行聽覺響應(yīng)一致性研究和驗(yàn)證。通過與當(dāng)前具有代表性的基底膜模型建立方法比較,進(jìn)行該方法的性能評估。對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,通過聽覺掩蔽實(shí)驗(yàn),研究并分析多音同時(shí)感知時(shí)該模型的聽覺響應(yīng)特性。對本文提出的聽覺信息處理方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分別采用該方法進(jìn)行聲音激勵(lì)、語音復(fù)現(xiàn)、聲音增強(qiáng)、語音特征提取和說話人識(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(shí)增強(qiáng)了低信噪比環(huán)境下聲音的客觀去噪性能評價(jià)指標(biāo)和主觀聽覺感受。提取出了對說話人識(shí)別更有效、對語音高頻信息更敏銳的語音特征參數(shù)。通過無噪聲和含噪聲的說話人識(shí)別實(shí)驗(yàn)和分析,獲得了更好的識(shí)別效果。
【關(guān)鍵詞】：振動(dòng)理論 耳蝸感知 神經(jīng)元濾波 聽覺信息處理
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R338;TB53
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-33
• 1.1 課題的研究背景及意義15-16
• 1.2 聽覺信息處理研究現(xiàn)狀及分析16-26
• 1.2.1 外周聽覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究16-18
• 1.2.2 耳蝸模型研究現(xiàn)狀及分析18-22
• 1.2.3 基底膜模型研究現(xiàn)狀及分析22-26
• 1.3 神經(jīng)元濾波研究現(xiàn)狀及分析26-30
• 1.3.1 人工神經(jīng)元模型研究現(xiàn)狀26-28
• 1.3.2 生物神經(jīng)元濾波研究現(xiàn)狀28-30
• 1.3.3 研究現(xiàn)狀分析30
• 1.4 目前存在的問題30-31
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容31-33
• 第2章 基于振動(dòng)理論和聽覺機(jī)理的耳蝸感知模型研究33-58
• 2.1 引言33
• 2.2 聽覺機(jī)理分析33-36
• 2.2.1 耳蝸感知機(jī)理分析33-35
• 2.2.2 聽神經(jīng)頻率保持機(jī)理分析35-36
• 2.3 耳蝸感知模型研究36-50
• 2.3.1 耳蝸感知模型建立36-38
• 2.3.2 基底膜等效振動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述38-40
• 2.3.3 流體耦合作用研究40-44
• 2.3.4 基于剖面法的耳蝸微觀力學(xué)特性研究44-48
• 2.3.5 耳蝸感知模型數(shù)學(xué)描述48-50
• 2.4 耳蝸感知模型特性研究50-56
• 2.4.1 頻率分布位置特性仿真實(shí)驗(yàn)研究50-52
• 2.4.2 放大能力仿真實(shí)驗(yàn)研究52-54
• 2.4.3 聽敏性仿真實(shí)驗(yàn)研究54-56
• 2.5 本章小結(jié)56-58
• 第3章 基于振動(dòng)理論的神經(jīng)元濾波模型研究58-80
• 3.1 引言58
• 3.2 振動(dòng)理論用于模擬神經(jīng)元信息傳遞的可行性分析58-60
• 3.3 神經(jīng)元濾波模型研究60-66
• 3.3.1 神經(jīng)元濾波機(jī)理分析60-61
• 3.3.2 基于膜電勢增量變化的神經(jīng)元模型建立61-63
• 3.3.3 神經(jīng)元濾波模型數(shù)學(xué)描述63-66
• 3.4 神經(jīng)元濾波模型參數(shù)研究66-70
• 3.4.1 參數(shù)特性研究66-68
• 3.4.2 模型穩(wěn)定參數(shù)條件分析68-69
• 3.4.3 參數(shù)選擇規(guī)則分析69-70
• 3.5 神經(jīng)元濾波模型實(shí)驗(yàn)研究70-79
• 3.5.1 有效性仿真實(shí)驗(yàn)70-73
• 3.5.2 適用性仿真實(shí)驗(yàn)73-75
• 3.5.3 客觀性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)75-77
• 3.5.4 實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)77-79
• 3.6 本章小結(jié)79-80
• 第4章 基于耳蝸感知和神經(jīng)元濾波的聽覺信息處理方法研究80-104
• 4.1 引言80
• 4.2 CP-NF聽覺信息處理方法研究80-85
• 4.2.1 耳蝸感知信息與神經(jīng)元濾波響應(yīng)的相關(guān)性條件82-84
• 4.2.2 CP-NF方法數(shù)學(xué)描述84-85
• 4.3 CP-NF聽覺信息處理方法參數(shù)研究85-95
• 4.3.1 穩(wěn)定參數(shù)條件分析85-86
• 4.3.2 基于基底膜頻響曲線非對稱性的參數(shù)選擇策略86-88
• 4.3.3 基于基底膜頻率分析特性的參數(shù)計(jì)算88-91
• 4.3.4 基于頻響誤差修正的參數(shù)預(yù)處理91-94
• 4.3.5 參數(shù)確定流程94-95
• 4.4 聽覺響應(yīng)一致性研究95-101
• 4.4.1 非線性放大特性分析95-98
• 4.4.2 頻域響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)98-99
• 4.4.3 時(shí)域響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)99-101
• 4.5 性能評估101-103
• 4.5.1 聽覺響應(yīng)一致性比較101
• 4.5.2 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比較101-103
• 4.6 本章小結(jié)103-104
• 第5章 基于CP-NF方法的聽覺信息處理實(shí)驗(yàn)研究104-123
• 5.1 引言104
• 5.2 面向多音同時(shí)感知的耳蝸感知模型仿真實(shí)驗(yàn)研究104-108
• 5.2.1 聲音強(qiáng)度對聽覺掩蔽的影響規(guī)律研究105-107
• 5.2.2 聲音頻率對聽覺掩蔽的影響規(guī)律研究107-108
• 5.3 CP-NF聽覺信息處理方法的實(shí)驗(yàn)研究108-122
• 5.3.1 聲音激勵(lì)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究108-111
• 5.3.2 語音復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)研究111-112
• 5.3.3 低信噪比環(huán)境下的聲音增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)研究112-117
• 5.3.4 語音特征提取研究117-120
• 5.3.5 說話人識(shí)別實(shí)驗(yàn)120-122
• 5.4 本章小結(jié)122-123
• 結(jié)論123-125
• 參考文獻(xiàn)125-135
• 附錄135-141
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果141-143
• 致謝143-144
• 個(gè)人簡歷144

  本文關(guān)鍵詞：基于振動(dòng)理論與神經(jīng)元濾波機(jī)理的聽覺信息處理方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：505044