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西北大学“猴脸识别技术” 让秦岭的金丝猴有了“身份证”

来源:华商网-华商报 时间:2021-02-23 19:54:35 编辑:报社方正 作者:赵瑞利 版权声明

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  “猴脸识别技术”,让秦岭的金丝猴有了“身份证”,实现准确身份识别和连续跟踪采样,系统还可自动录入“新来的猴子”,平均识别精度达94.1%。目前该系统已经在多处秦岭金丝猴分布地用于多个种群、上千只个体的识别和记录,后期还将运用于动物保护、饲养、繁育和研究的精细化管理。

  西北大学研究团队20年前已揭开金丝猴“神秘的面纱”

  秦岭,全球25个生物多样性热点地区,大量珍稀、孑遗物种生存其中,野生动物保护工作极为受到关注。川金丝猴,一种珍稀濒危且中国特有的灵长类物种,就生存在秦岭山系之中。为了对其进行保护和研究,西北大学金丝猴研究团队长期开展野外跟踪研究,20年前经过艰难探索实现了对野生金丝猴的近距离观察和个体识别,从而揭开了金丝猴“神秘的面纱”,推动了中国灵长类行为生态学的快速发展。

  但是,如何能够准确、快速的对野生金丝猴进行个体识别,并实现连续的“焦点动物取样”和个体全覆盖的“全事件取样”,从而通过个体识别,以科学地认识并据此开展保护,一直是全世界动物学家向往但又无法突破的难题。

  对于金丝猴的个体识别,传统上采用人工标记或人工记忆的方法。人工标记容易对金丝猴产生伤害,而人工记忆往往需要相关专业人员蹲点观察1到2个月才能把金丝猴分别开来,既浪费时间又很容易相互混淆。


  “猴脸识别技术”实现准确身份识别和连续跟踪采样

  西北大学郭松涛教授针对这一前沿问题,与计算机科学领域的专家深度交叉融合,建立动物人工智能研究团队。该团队基于金丝猴研究团队长期对该物种特征的研究结果,利用神经网络原理,提出具有关注机制的深度神经网络模型,首次开发出基于Tri-AI技术的金丝猴个体识别系统。

  研究团队负责人、西北大学教授、陕西省秦岭珍稀濒危动物保育重点实验室副主任郭松涛介绍:“以前有人依据老虎的斑纹、斑马的条纹、企鹅的边界来进行识别,但是我们想如果想实现不依赖于物种的特点进行个体识别的话该怎么办?我们就找到了动物的面部作为一个切入点。经过算法的开发、模型的研发,实现了在野生条件下对个体的检测、追踪以及对面部的识别这三步。这三步实现之后,现在这样一套动物面部AI识别系统就实现了。”

  Tri-AI系统颠覆了依靠动物个体特征(斑纹、颜色、伤疤)或者人为标记特征(如烙印、刺青、染色、环志、无线电项圈及遗传标记)的传统方法,实现了对野生个体的准确身份识别和连续跟踪采样的功能。更重要的是,该系统为在“理想条件下”实现“无观察者干扰效应”的动物学研究提供了可能。

  研究团队成员、西北大学生命科学学院副教授何刚介绍:“我们通过跟这群习惯化的猴子近距离的接触,用手机、便携摄像机,在大概10米到5米甚至到3米的距离内,对猴子进行采样。也不需要去干扰猴子,该吃该做该玩该打斗,它忙它的。这样一种采样方式显而易见属于一种无损伤的采样。”


  系统有自我更新、自我学习的功能 可自动录入“新来的猴子”

  猴脸识别需要解决的第一个难题就是建立猴脸数据库。相对于人脸数据库,猴脸图像的获取存在更大难度。郭松涛说,金丝猴不可能按照科研人员的意愿接受拍摄,这个是技术的主要难点。在野外数据采集的时候非常麻烦。因为采集野生动物数据的时候,可控性比较差,对于采集过程要求非常高。“我们到现在采集了数十万张照片,用来进行模型训练的有13万张照片。”

  郭松涛介绍,理论上,“猴脸识别系统”一般只需要输入20只金丝猴的数据就可以了,每只金丝猴需要拍摄80到200张不同角度的照片就可以将系统模型完成,新的金丝猴个体再出现时会自动录入系统。“咱们这个系统最大特点就是能够自动化地识别个体,而且是不依赖物种的全天候的识别,它有自我更新、自我学习的功能。如果说你现在已经识别了100只猴子,你第二天还要看的时候,我们能很精准认出来谁是谁。如果有第101只猴子出现了,我们能知道这101只是新的,并且能让它自动进入到我们数据库里头。”


  平均识别精度达94.1% 还将运用于动物保护、饲养、繁育和研究的精细化管理

  Tri-AI系统不仅可以应用于多个类群的不同物种,还可实现夜间连续无碍观测。目前该系统已经在灵长类的41个代表性物种和4种食肉动物群体进行了适用性验证,平均识别精度达94.1% 。该技术极大的提高了个体数据分析效率,为动物学研究提供新的技术方案,也为实现野生动物保护和智能管理提供可靠的技术支撑。

  该研究成果以“Automatic identification of individual primates with deep learning techniques”为题,发表于CELL旗下综合性子刊《iScience》上。西北大学郭松涛教授为论文通讯作者和第一作者,西北大学许鹏飞教授和西安电子科技大学苗启广教授为该论文的共同第一作者。该技术已获得3项国家发明专利。该工作受到国家自然科学基金委、中国科学院、陕西省科技厅、陕西省林业草地局等机构的大力支持。

  目前,该项工作已经进入到应用推广的阶段。一方面,已初步完成“动物个体识别”系统(V1.0)的开发,并在多处秦岭金丝猴分布地用于多个种群、上千只个体的识别和记录,开始启动建立秦岭金丝猴个体信息库的工作;另一方面,该项工作进一步扩展应用行业和范围,结合野外和圈养条件下识别动物的不同应用场景与需求,进行个性化识别功能的研发,并将在基于动物精准识别的基础上实现动物保护、饲养、繁育和研究的精细化管理。华商报记者 赵瑞利




来源:华商网-华商报

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