Akustický monitoring ptáků - zpracování dat a automatická detekce druhů sov z nahrávky Připraveno pro seminář Akustický monitoring ptáků v praxi 2, 2009-02-21, Jihlava, Jan Savický, doplňováno dle potřeby, naposled 2009-02-20 Seminář je součástí projektu Využití informačních technologií v ornitologickém výzkumu na Vysočině, který je finančně podpořen Fondem Vysočiny v rámci programu Popularizace a vzdělávání v oblasti informačních technologií - 2008, který je financován Krajem Vysočina.
Obr. 1. Označené selekce houkání výra v nahrávce, program Raven Pro 1.4 Beta.
Obsah Úvodem ....................................................................................................................................... 2 Evidence, ukládání a konverze dat nahrávacích nocí ...................................................................... 2 Zvuk ..................................................................................................................................................... 2 Pozice................................................................................................................................................... 3 Čas ....................................................................................................................................................... 4 Nález .................................................................................................................................................... 5 Okolnosti ............................................................................................................................................. 5 Prohlížení nahrávek v software Raven Lite .................................................................................... 5 Automatické vyhledávání hlasových projevů sov v software Raven 1.4 Pro Beta ............................ 5 Příklad postupu vyhodnocení nahrávky .............................................................................................. 8 Přehled software ........................................................................................................................ 12
1
Úvodem Akustický monitoring je metoda zjišťování poznatků o ptácích užitím dlouhodobých bezobslužných záznamů a vyhodnocení jejich hlasových projevů. Bez využití výpočetní techniky by taková metoda byla odsouzena k ustrnutí v rovině nevyužité možnosti. Pokud však algoritmizovatelné rutinní úlohy přenecháme počítačům, stává se akustický monitoring účinnou cestou k získání nových jinak obtížně dosažitelných znalostí. Automatická detekce hlasů umožní provádět systematické nahrávky lokalit ve velkém rozsahu a efektivně je vyhodnotit.
Evidence, ukládání a konverze dat nahrávacích nocí Akustický monitoring je technologická disciplína náročná na objemy a zpracování dat. Pracuje s několika skupinami informací: se zvukovými, ale i časovými a prostorovými daty a se záznamy o okolnostech a vyhodnocení.
Obr. 2. Soubory. Vlevo složky nahrávacích nocí, názvy jsou složeny z data (vždy den rána nikoli večera), počet záznamníků (např. 10x), názvu lokality, pořadového čísla opakování nahrávky na stejném místě. Vpravo jsou soubory jedné noci. WMA soubory pojmenovává záznamník s využitím User ID (název záznamníku, např. E___) a pořadového čísla souboru. Jedna noc se nahrává děleně do tří souborů, důvod viz minulý seminář. Složka nahrávací noci obsahuje dále scan obrazovky programu DSS Player s časy nahrávek (_dss_2009-0208.gif) a scan mapy (_mapa_2009-02-08.gif) z MapSource GPS aplikace. Vnitřní složky obsahují nálezy, selekce a podobně. Soubor _nalez_2009-02-08.xlsx je základním dokumentem o nálezech, viz dále v textu.
Zvuk Záznam zvuku je datově objemný. Při užití formátu WMA, 44,1 kHz, 64 kbps (viz předchozí seminář) vyprodukuje jedna nahrávací např. 14 hodinová noc přes 400 MB komprimovaných dat na jeden záznamník. Při použití linie s deseti záznamníky (10x) zaplníme 4 GB diskového prostoru původními daty k dlouhodobému uložení. Používáme k tomu např. externí USB vysokokapacitní disk o stovkách GB. Vhodný bude RAID1 disk pro vyšší bezpečnost dat. Před vlastním zpracováním je nezbytné WMA záznam rozvinout do formátu WAV. Při použití 22,050 kHz se 16 bitovým zápisem stereo expandují pracovní soubory na desetinásobek. Při linii 10x tedy na 40 GB / noc. Tato data není potřeba dlouhodobě ukládat, ale je praktické je mít po ruce alespoň 2
během sezóny pro další případné vyhodnocení. Vhodný je externí USB disk 1 TB a více, zde zálohování není nutné, originální data máme jinde. Konverzi WMA do WAV provádíme např. programy 4Musics WMA to WAV Converter nebo MP3 Cutter Joiner (dokáže soubory i zároveň rozdělit na menší části). Dostupnost programů viz tabulka ke konci článku. Existuje řada konverzních programů, mnohé však nenačtou velká data.
Obr. 3. 4Musics WMA to WAV Converter umožňuje převod WMA > WAV v dávkovém režimu. Toho využijeme, protože převod 150 hodin záznamu trvá i desítky minut. Pro úsporu objemu dat snížíme samplerate na 22,050 kHz (z původních 44,1).
Program Raven umožňuje uložit detekované výřezy zvuku, tzv. selekce. Podle nastavení se jedná typicky o 1 – 2 sekundové výřezy, jsou jich však stovky až tisíce. V souhrnu nejsou velké, tisíc selekcí zabere např. 60 MB dat. Lze uvažovat o dlouhodobém ukládání právě jen selekcí, ale tím pozorovatel ztrácí možnost dodatečného průzkumu původních dat např. novou účinnější metodou, pro jiný druh apod.
Pozice Pozici každého záznamníku v terénu popisujeme jeho GPS souřadnicí. To je praktické pro vyhledání čidla v terénu následující den a nezbytné pro vyhodnocení dat. Evidujeme i směr mikrofonu, typicky ve směru linie nebo ve směru místa zájmu, např. do středu lomu, k řece. Směr zapisujeme přímo do názvu trasového bodu v GPS přístroji, např. podle vzoru: 20090208a120, kde zleva je datum 2009-0208, písmeno záznamníku „a“ a zprava jsou stupně azimutu směru čelní strany záznamníku 120°. Smluvené kódy 400 (nekoliduje s 360 stupni azimutu) značí ve směru linie, 500 ve směru zájmu. Scan mapy uložíme do složky s daty s názvem např. _mapa_2009-02-08.gif.
3
Obr. 4. Scan obrazovky programu MapSource s mapou lokality s vyznačenými pozicemi záznamníků (žlutě zvýrazněné).
Čas Noc nahráváme děleně do tří souborů, za noc nasbíráme tedy např. i 30 souborů. Čas počátků a konců jednotlivých nahrávek lze nejsnáze uchovat scanem obrazovky programu DSS Player (uložit např. jako např. _dss_2009-02-08.gif). Informace o časech je uložena v hlavičce samotných WMA souborů (zobrazit v textovém režimu). Časy nemusí být totožné s naprogramovaným v timeru záznamníku, protože občas dochází k předčasnému výpadku baterií apod.
Obr. 5. Scan obrazovky programu DSS Player s přehledem časů počátků a konců nahrávek jednotlivých souborů. Čísla nemusíme pracně opisovat, postačí možnost kontroly, zda došlo k neplánovaným změnám časů oproti timeru.
4
Nález Nález zapisujeme podle potřeb projektu. V tomto semináři si předvedeme rozpoznání jednotlivých zahoukání výra na dvou sousedních lokalitách v průběhu celé noci. Nález s grafickou prezentací uložíme v MS Excel souboru s názvem např. _nalez_2009-02-08_vyr.xlsx (pro výra).
Okolnosti Podle potřeby je vhodné zapisovat počasí, vítr, čas západu / východu slunce, pozdní příchod na lokalitu, selhání baterek apod. Zejména mimořádné údaje, které nelze získat zpětně z jiných zdrojů. Základní přehled nahrávek pořizujeme v tabulce MS Excel. Obsahuje výběr z právě popsaných dat.
Prohlížení nahrávek v software Raven Lite Raven Lite je bezplatnou verzí programu vyvinutého týmem Cornell Lab of Ornithology z Ithaky státu New York v USA. Vývojáři jsou ochotní a reagují na dotazy. Při malém počtu záznamů lze tuto omezenou verzi využít pro prohlížení spektrogramů, pro poslech a ukládání nalezených pasáží zvuku. Tato verze však má řadu omezení, načte např. jen jeden ze stereo kanálů, přechod na další obrazovku je pomalý, neumožňuje samozřejmě automatickou detekci.
Obr. 6. V programu Raven Lite lze prohlížet spektrogramy a ukládat výřezy.
Automatické vyhledávání hlasových projevů sov v software Raven 1.4 Pro Beta Plná placená verze programu nabízí tzv. detektory pro vyhledání zvuků – signálů – podle zadaných parametrů. Ze dvou připravených detektorů používám Power Band Limited Detector. Hledá signály podle parametrů: Spodní a horní frekvence signálu Minimální a maximální délka trvání signálu Minimální odstup mezi signály Volba úrovně šumu percentilem z naměřených hodnot v definovaném okně Minimální odstup signálu od šumu v db Minimální zastoupení signálu v % v definovaném okně Možnost nastavit frekvenční rozpětí, kde naopak signál být nesmí 5
Obr. 7. Zjednodušeně si lze hledání detektorem představit jako jízdu dálnicí v krajině spektrogramu, kdy z okénka hledáte na loukách šumu (zelená) dostatečně vysoké a správně dlouhé kopce signálů (fialová).
Pomocí sady parametrů lze detektor zacílit na určité hlasové projevy ptáků. Parametry lze ladit v interaktivním režimu a uložit jako soubor. Program je schopen v jedné dávce prohledat desítky hodin záznamu (vyzkoušeno 150 hodin) a pomocí již zmíněných selekcí vyznačit pasáže, které daným parametrům vyhovují. Detektorů (typicky s různým zacílením) může běžet více zároveň. To je skvělá vlastnost, protože umožní provádět mnohahodinové detekce přes noc bez obsluhy.
Obr. 8. Raven dokáže otevřít sadu zvukových souborů najednou a spustit nad nimi několik detektorů. Tak dokážeme využít noc pro zpracování rozsáhlých dat pro více druhů naráz. V ukázce běží detekce na výra, puštíka a kulíška. Selekce se zapisují do tabulky, kterou lze uložit a dále zpracovat. Jedná se o prostý TXT soubor strukturovaný tabulátory. Pole tabulky lze sestavit pomocí okna Choose Measurement (nad tabulkou 6
pravé tlačítko myši > Choose Measurement). Pro potřeby ukázky přidáme pole Begin File, které udá, ve kterém ze zvukových souborů se nalézá aktuální selekce.
Obr. 9. Nastavení polí tabulky selekcí. Detekce není dokonalá. Pokud je cílem projektu pouze doložit přítomnost druhu, postačí potvrdit první správný nález. Pokud však usilujeme o označení všech hlasových projevů, musíme postupovat v několika krocích. Rozlišme čtyři typy výsledků:
Sova (hledaný signál)
Šum
Označení detektorem
I. Správně: Označení sovy (TP)
II. Nesprávně: Označení šumu (FP)
Neoznačení detektorem
III. Nesprávně: Neoznačení sovy (FN)
IV. Správně: Neoznačení šumu (TN)
Obr. 8. Znázornění množin typů výsledků. Modrý je hledaný signál sov, červený je šum. Použité zkratky (TP - true positive, FP - false pozitive, FN - false negative, TN - true negative) odpovídají typům I. až IV. v předchozí tabulce. Po automatické detekci bude tedy třeba vyloučit nesprávné označení typu II. (místo sovy je nalezen zvýšený šum) a naopak doplnit dosud neoznačené sovy, tedy opravit typ III.
7
Příklad postupu vyhodnocení nahrávky 1. Příprava a. Načíst všechny soubory (WAV) do Raven. Použijeme stránkování např. po 60 sekundách a vše načteme do jedné „file sequence“.
b. Vložit pomocné selekce na počátcích (vlevo ke kraji) prvních souborů záznamníků. V tabulce selecí se zapíše počáteční čas Begin Time jednotlivých souborů. Ten později použijeme pro výpočet absolutního času signálů na jednotlivých záznamnících.
c. Uložit tabulku selekcí a importovat do XLS na list abc (karta Data > Z textu)
8
2. Detekce – automatický zápis do TXT a. Provést detekci v Raven (View > Interactive Detectors > Band limited detector > na okně detektoru Preset > vybrat detektor > OK > na okénku v levém sloupci Run full).
b. Upravit pole tabulky selekcí na: Selection, Wiev, Channel, Begin Time, End Time, Low Freq, High Freq, Begin File, Occupancy, Nalez
9
c. Uložit tabulku selekcí v TXT např. do složky _nalezy (File > Save selection table as) d. Uložit zvuky selekcí do složky např. _nalezy/selekce, formát: WAV, 16 bit, Pad Size 0,1 nebo 0,2 sekund oba kanály (File > Save all selections in current table as…)
3. Schválení detekcí – ruční zápis do XLS a. Načíst WAVy selekcí do Raven (přetáhnout na obrazovku Raven soubor s výčtem selecí). Zobrazí se selekce za selekcí s odstupem podle nastavení Pad Size. Zde kontrolujeme, co selekce skutečně obsahují.
Ve spodním řádku okna Raven je uváděny lokální vlastnosti zvuku pod kurzorem: číslo kanálu, čas, frekvence, síla signálu a také název souboru, který obsahuje pro nás významné číslo selekce.
10
b. Importovat tabulku selekcí do MS Excelu na list data (obdobně jako bod 1. c). Sestavit pracovní plochu tak, že excelovská tabulka bude k dispozici zároveň s Ravenem.
c. Popsat do pole Nalez v Excelu vyhledané pozitivní selekce (potvrdit tak typ selekcí I. a vyřadit typ II. – nesprávně označené). 4. Doplnění detekcí – ruční zápis do TXT a. Zobrazit v Raven úplný záznam b. Zkopírovat tabulku selekcí z XLS do TXT a otevřít v Raven (použít copy paste) c. Doplnit další neoznačené sovy podle nálezu, tedy opravit typ III. (Označit hlas selekcí, View > Active Selection > Commit)
11
5. Vyhodnocení – zápis do XLS a. Načíst tabulku selekcí zpět do MS Excel, nahradit „.“ za „,“, nastavit filtry, zpracovat, grafy
6. Zakončení a. Odstranit selekce, zálohovat soubory
Přehled software Název
Užití
Dostupnost
URL
Raven Pro 1.4 Beta
Mnohostranné zpracování bioakustických dat včetně detekce signálu
400 USD pro neziskové využití, poskytují slevy na 300 USD
http://www.birds.cornell.edu/br p/raven/RavenFeatures.html
Raven Lite 1.0
Prohlížení spektrogramů
bezplatně
http://www.birds.cornell.edu/br p/raven/RavenVersions.html#Rav enLite
DSS Player Lite
Nastavení User ID a správného času do záznamníku Přehled časů nahrávek Existuje Pro verze s možností uploadu mnoha nastavení do záznamníků, výhodné při děleném nahrávání na liniích s více záznamníky
V dodávce záznamníku Olympus DS-50
http://www.olympus.cz/consum er/2590_4694.htm
4Musics WMA to WAV Converter
Dávková konverze WMA do WAV
Shareware, 17 USD
http://www.4musics.com/wmawav-converter.htm
MP3 Cutter Joiner
Dávková konverze WMA do WAV s možností rozdělit soubory na menší
Shareware, 19 EUR
http://www.audiotoolsfactory.co m/mp3cutter/mp3cutter.htm
MapSource
Mapové zobrazení trasových bodů GPS
V dodávce Garmin GPS přístrojů
http://www8.garmin.com/suppo rt/download_details.jsp?id=209
Adobe Soundbooth
Výborný nástroj k prohlížení spektrogramů a úpravě zvuku. Nyní používám převážně Raven.
Cca 7000 Kč s DPH
http://www.adobe.com/cz/prod ucts/soundbooth/
12
