Automatic recognition of vocalizations in the lusitanian toadfish (Halobatrachus didactylus): acoustic rhythms and interactions

• Author(s): Vieira, Manuel Alexander Guerreiro
• Date: 2013
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/10381
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Bioinformática; Biologia computacional; Teses de mestrado - 2013
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Fonseca, Paulo Jorge Quintais Cancela da, 1958-; Teixeira, Carlos Jorge da Conceição
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado em Bioinformática e Biologia Computacional (Biologia Computacional), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013

Muitos peixes comunicam através de vocalizações, sendo crucial para o sucesso reprodutor dessas espécies. Para estudar comunicação acústica é necessário discriminar as vocalizações que ocorrem ao longo do tempo, e para além disso é essencial saber que individuo produz cada som. Este processo em experiencias controladas de curta duração é geralmente moroso e irrepetível, tornando a análise de gravações contínuas de vários meses no habitat natural impossível de realizar sem um programa que automatize o processo. Aqui apresenta-se a utilização dos modelos escondidos de Markov que permitem a detecção e reconhecimento de vocalizações de peixes. Usando as vocalizações do xarroco (Halobatrachus didactylus) os nossos resultados mostram um sistema capaz de reconhecer eficientemente as vocalizações de acasalamento (sirenes; > 95 %), mas também discriminar os indivíduos através das vocalizações produzidas (> 90 %). Este método para reconhecimento de vocalizações produzidas pelo xarroco foi utilizado para monitorizar a actividade acústica deste peixe no intertidal e no infralitoral. Investigou-se a relação da actividade acústica com a presença de luz, e as flutuações da temperatura e da altura de maré. Observou-se que a actividade na zona intertidal foi muito sujeita ao efeito das marés, não existindo influencia aparente de ciclos circadianos. No infralitoral não se observa influência das marés, e observa-se um ciclo circadiano negativamente correlacionado com a variação da temperatura com ainda um pico de actividade ao amanhecer. Nos períodos de maior actividade estudou-se as interacções acústicas entre machos e observou-se que geralmente eles evitam sobrepor vocalizações, excepto em alguns períodos mais curtos onde um individuo parece tentar sobrepor entre 3 a 6 vocalizações doutro indivíduo.

The study of acoustic communication often requires not only the recognition of species specific acoustic signals but also the identification of individual subjects, all this in a complex acoustic background. Moreover, when very long recordings are to be used, automatic methods can be invaluable tools to extract the relevant biological information. Here we present an automatic pattern recognition methodology based on the Hidden Markov Model that allows accurate detection and recognition of fish vocalizations. Our results show a relevant performance of the system that is capable not only to detect the mating vocalizations (boatwhistles) but also allows individual identification of male Lusitanian toadfish (Halobatrachus didactylus). The system was applied to a stream of round-the-clock recordings to monitor toadfish acoustic activity in two locations in a natural habitat in the Tagus estuary: intertidal nests only exposed in spring tides and infralitoral areas (minimum 2.5 m water level). We investigated the relation of the vocalizations’ pattern with habitat parameters such as light, water level and temperature fluctuations. The vocalization patterns differed in the intertidal relative to infralitoral ones. In the periods with higher concentration of vocal activity we observed signal interactions where males in a chorus either alternated or synchronized their vocalizations (boatwhistles).