IISURI LAB

INVESTIGACIÓN · INAOE · 2004

Reconocimiento del llanto infantil con hardware inteligente.

Implementación electrónica de una red neuronal híbrida para clasificar señales acústicas de bebés en una arquitectura paralela sobre FPGA.

Israel Alejandro Suaste RivasMaestría en Ciencias, especialidad en Electrónica · Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
ProblemaClasificar patrones acústicos de llanto y posibles condiciones patológicas.
MétodoLPC + PCA + red neuronal híbrida relacional difusa.
ImplementaciónFPGA RC100 de Celoxica con diseño paralelo en Handel-C.

Resumen de la investigación

El llanto es uno de los principales medios de comunicación de un bebé. La tesis estudia cómo sus características acústicas pueden utilizarse para distinguir tres clases: llanto normal, llanto de bebés con sordera y llanto asociado con asfixia.

La propuesta combina extracción de coeficientes de predicción lineal, reducción de dimensionalidad mediante análisis de componentes principales y una red neuronal híbrida. El clasificador se diseña primero mediante simulación y después se implementa en hardware reconfigurable, buscando reducir el tiempo de procesamiento mediante paralelismo.

2,268segmentos de audio de un segundo analizados en el conjunto inicial.
94.6078%clasificación correcta reportada para el Grupo A con funciones de membresía triangulares.
3.2 mstiempo de cómputo estimado por vector en la implementación FPGA.
Portada original de la tesis de maestría
Documento original. Tesis defendida en INAOE, Tonantzintla, Puebla, diciembre de 2004.

Arquitectura del sistema

El flujo toma una muestra de audio, la digitaliza, extrae características, reduce el vector de entrada y entrega una decisión a una red entrenada. La arquitectura se divide en etapas que pueden ejecutarse de forma paralela dentro del FPGA.

EntradaDigitalización de señales de llanto en audio monoaural a 16 kHz, con filtrado de frecuencias menores a 8 kHz.
CaracterísticasCoeficientes LPC para representar el comportamiento acústico del tracto vocal y la señal de llanto.
ReducciónPCA para reducir el volumen de coeficientes y conservar la información útil para el clasificador.
ClasificaciónRed Fuzzy Neural Relational con funciones de membresía y tres salidas: normal, sordo y asfixia.
HardwareImplementación paralela en FPGA RC100, con memoria, teclado y despliegue de resultados en monitor.
Diagrama del flujo de reconocimiento del llanto
Flujo de reconocimiento. Procesamiento acústico, reducción de características y clasificación.
Diagrama esquemático de la red neuronal implementada en FPGA
Implementación electrónica. Diagrama esquemático de la red Fuzzy Neural Relational en el FPGA.

Resultados y conclusiones

El mejor resultado del Grupo A se obtuvo utilizando siete funciones de membresía triangulares, con 94.6078% de clasificación correcta. En el Grupo B, la misma configuración alcanzó 92.292%. La implementación hardware reprodujo el comportamiento de la simulación y aprovechó el paralelismo del FPGA para acortar el tiempo de procesamiento.

Gráficas de resultados de clasificación de la tesis
Evaluación. Comparación de precisión para los grupos de muestras y distintas configuraciones de funciones de membresía.
Lectura técnica actual

La tesis anticipa patrones que siguen siendo relevantes en ingeniería de IA: extracción de características, reducción de dimensionalidad, clasificación híbrida, aceleración paralela, evaluación reproducible y diseño reutilizable.

Documento completo

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