獲悉，西北大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)依托人工智能等新技術(shù)，研發(fā)“猴臉識別技術(shù)”，用于秦嶺等地近千只川金絲猴的識別，支持對動物進(jìn)行研究和保護(hù)工作。目前，系統(tǒng)已經(jīng)在靈長類的41個(gè)代表性物種和4種食肉動物群體進(jìn)行了適用性驗(yàn)證，平均識別精度達(dá)94.1%。
川金絲猴是一種珍稀瀕危且中國特有的靈長類物種，生存在陜西秦嶺、四川西部、甘肅南部和湖北神農(nóng)架等山系之中。為了對其進(jìn)行保護(hù)和研究，西北大學(xué)金絲猴研究團(tuán)隊(duì)長期開展野外跟蹤研究，20年前經(jīng)過艱難探索實(shí)現(xiàn)了對野生金絲猴的近距離觀察和個(gè)體識別。但是，如何能夠準(zhǔn)確、快速地對野生金絲猴進(jìn)行個(gè)體識別，并據(jù)此開展保護(hù)，一直是全世界動物學(xué)家向往但又無法突破的難題。
針對這一前沿問題，西北大學(xué)教授郭松濤與計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜医游顰I研究團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，首次開發(fā)出基于Tri-AI技術(shù)的金絲猴個(gè)體識別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對野生個(gè)體的準(zhǔn)確身份識別和連續(xù)跟蹤采樣功能。
Tri-AI系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于多個(gè)類群的不同物種，還可實(shí)現(xiàn)夜間連續(xù)無礙觀測。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在靈長類的41個(gè)代表性物種和4種食肉動物群體中進(jìn)行了適用性驗(yàn)證，平均識別精度達(dá)94.1% 。
■對話
精準(zhǔn)識別，可助力動物保護(hù)、繁育和研究
相較于人臉識別，猴臉識別有何難度？未來系統(tǒng)如何進(jìn)行更廣泛應(yīng)用？對此，新京報(bào)記者對西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授、陜西省秦嶺珍稀瀕危動物保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任郭松濤，以及團(tuán)隊(duì)成員西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授許鵬飛、西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授何剛進(jìn)行采訪。
新京報(bào)：動物個(gè)體識別有怎樣的應(yīng)用場景？
郭松濤：物種個(gè)體識別可以應(yīng)用于野生動物種群監(jiān)測，動物園等遷地保護(hù)的動物救治、飼養(yǎng)和繁育、畜牧業(yè)農(nóng)場動物的日常管理，以及寵物動物遺失尋找等，有廣泛的實(shí)用需求。
比如農(nóng)場里的動物很多，如果一頭羊生病了，治療后回到羊群里，再把它找出來重復(fù)檢查就比較難了。傳統(tǒng)的方法是打耳標(biāo)，在羊耳朵上戴個(gè)數(shù)字或字母標(biāo)識，但這屬于損傷性標(biāo)記。耳標(biāo)經(jīng)過風(fēng)吹日曬，有時(shí)候也看不清楚，可能有誤差。通過系統(tǒng)識別，就可以馬上將這頭羊找出來，還能了解它的各項(xiàng)信息。有了識別系統(tǒng)，特種用途的動物也不用紋身或者植入芯片了。
目前，鳥類、兩爬類動物、昆蟲的個(gè)體識別存在困難，我們優(yōu)先選擇大型的哺乳動物進(jìn)行識別和研究，比如金絲猴、大熊貓、老虎等珍稀哺乳動物，有望以后拓展到其它動物類群上。
新京報(bào)：科研人員是如何想到要研發(fā)這套系統(tǒng)的？
郭松濤：西北大學(xué)金絲猴研究團(tuán)隊(duì)長期開展動物跟蹤研究，傳統(tǒng)辦法是通過人的經(jīng)驗(yàn)積累識別動物個(gè)體。我們近距離觀察，通過望遠(yuǎn)鏡可以看到金絲猴清晰的面部特征，比如有的金絲猴嘴底下有一個(gè)痣，有的因打架耳朵被扯掉一塊，這都是自然標(biāo)記。有時(shí)為了對特定對象進(jìn)行觀察，我們還會做一些人工標(biāo)記，比如有色染料。在一段時(shí)間內(nèi)，只要把標(biāo)記位置記清楚，我們就不會丟失所觀察的動物個(gè)體，下次看到它還能認(rèn)出來。
但這種方法在大范圍的野外調(diào)查和監(jiān)測中就不適用了。在做野生動物保護(hù)時(shí)，我們不可能給成千上萬只金絲猴做標(biāo)記。有時(shí)我們通過DNA識別，比如得到動物的毛發(fā)和糞便，下次再遇到它可以檢測出來，但這需要到實(shí)驗(yàn)室里鑒別，也非常麻煩，達(dá)不到實(shí)時(shí)識別的要求。所以，我們根據(jù)研究和保護(hù)工作的需要，探索新的識別技術(shù)，四五年前就開始攻關(guān)這項(xiàng)技術(shù)。
新京報(bào)：猴臉識別系統(tǒng)研發(fā)有何難度？
郭松濤：首先，不依賴于物種的識別技術(shù)，要求有通用的識別部位。定義面部為通用識別部位，也是經(jīng)過動物生態(tài)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的專家深入討論后決定的，這個(gè)策略的制定尤為關(guān)鍵，是研發(fā)開始就面臨的難點(diǎn)。
AI技術(shù)需要大量地分類好的數(shù)據(jù)，但是，由于野生動物不可控，是動態(tài)的，不會配合拍照，因此我們在野外進(jìn)行數(shù)據(jù)采集非常困難。該研究需要拍攝非常多的影像數(shù)據(jù)，對算法和模型進(jìn)行訓(xùn)練。
動物在野外有隱藏本能，毛發(fā)顏色等可能會和環(huán)境融在一起。比如，冬季秦嶺山里都是灰黃色，金絲猴的毛發(fā)也是這個(gè)顏色，要在人工條件下，從環(huán)境顏色中剝離出動物個(gè)體并不容易。
另外，金絲猴的臉部皮膚帶毛區(qū)域多，毛發(fā)可能有蓬松變化，紋理特征更復(fù)雜，對識別系統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)能力和算法提出了更高的要求。
新京報(bào)：系統(tǒng)如何對看起來相似的猴臉進(jìn)行區(qū)分？猴子長大面部發(fā)生變化，系統(tǒng)還能識別出來嗎？
許鵬飛：剛開始訓(xùn)練模型時(shí)，大概需要20個(gè)金絲猴個(gè)體，這些信息要非常準(zhǔn)確，每只金絲猴需要拍攝不同角度的照片，將系統(tǒng)模型完成。新的金絲猴個(gè)體再出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)會提取特征并對比已有信息，從而對新個(gè)體進(jìn)行識別。與人臉識別邏輯相似，系統(tǒng)會計(jì)算出猴臉的識別特征，進(jìn)行信息標(biāo)記和體系統(tǒng)建。與人們慢慢積累經(jīng)驗(yàn)并識別不同，算法可以高效完成特征抓取、比對和識別。
猴子成年后，面部不會有明顯變化。但是幼年到成年之間會出現(xiàn)變化，如果機(jī)器在猴子2歲和5歲各拍到一次，系統(tǒng)可能會將5歲時(shí)的個(gè)體認(rèn)錯(cuò)成一只新的個(gè)體。但是對于我們長期研究的約200只金絲猴，通過不間斷地拍攝記錄，人工智能也可以自己學(xué)習(xí)，為發(fā)生微小變化的金絲猴個(gè)體補(bǔ)充新的特征。
值得一提的是，系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)夜間連續(xù)無礙觀測。我們用紅外攝像頭夜間拍攝的照片和視頻，失去了色彩信息，呈現(xiàn)灰度，但是在這種情況下，系統(tǒng)仍然可以進(jìn)行個(gè)體分辨，說明系統(tǒng)計(jì)算和學(xué)習(xí)識別特征信息是廣泛的，包含但不依賴于色彩信息。深層次的原理我們還在探索中。
新京報(bào)：目前系統(tǒng)還可以識別哪些動物？準(zhǔn)確率怎么樣？
何剛：系統(tǒng)已經(jīng)在靈長類的41個(gè)代表性物種和4種食肉動物群體進(jìn)行了適用性驗(yàn)證，平均識別精度達(dá)94.1%。4種食肉動物群體為虎、獅、狐獴和小熊貓。靈長類的41個(gè)代表性物種包括川金絲猴、狒狒、黑猩猩、長臂猿、獼猴、山魈等。
系統(tǒng)識別基于圖形圖像和面部特征，需要學(xué)習(xí)大量的數(shù)據(jù)。由于金絲猴數(shù)據(jù)較多，系統(tǒng)算法訓(xùn)練已經(jīng)非常完善，識別率是趨近100%的，可以作為示范。但有些物種受可拍攝的種群數(shù)量、采樣條件限制等原因，照片等數(shù)據(jù)不算多，所以平均的識別精度達(dá)94.1%。未來隨著數(shù)據(jù)不斷豐富，識別精度還將提升。
同時(shí)，嚙齒類、有袋類等哺乳動物也都是系統(tǒng)的潛在識別動物。未來，這項(xiàng)工作可以擴(kuò)展應(yīng)用的行業(yè)和范圍很廣。我們希望結(jié)合野外和圈養(yǎng)條件識別動物的不同應(yīng)用場景與需求，進(jìn)行個(gè)性化識別功能的研發(fā)，通過動物精準(zhǔn)識別，實(shí)現(xiàn)動物保護(hù)、飼養(yǎng)、繁育和研究的精細(xì)化管理。
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