識(shí)別猴臉

文/世琪

“在動(dòng)物園或是野外，如果拿起手機(jī)對著活蹦亂跳的動(dòng)物一掃，屏幕上就會(huì)跳出它們的名字、性別、興趣愛好等，這樣游人會(huì)對這些動(dòng)物了解得更多?！惫蓾?jīng)設(shè)想過的場景，如今終于實(shí)現(xiàn)了。

一個(gè)構(gòu)想

郭松濤從小就喜歡動(dòng)物。2001 年，他如愿考上西北大學(xué)動(dòng)物學(xué)研究生，跟隨導(dǎo)師李保國跑野外，觀察野生金絲猴。

因?yàn)槌煽儍?yōu)異，郭松濤畢業(yè)后留校任教。西北大學(xué)是綜合性大學(xué)，生命科學(xué)學(xué)院和信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的教師住在一起。2016年，一些年輕教師在一起吃飯聊天，說起各自研究的領(lǐng)域，郭松濤說自己在研究猴子，一位信息科學(xué)的教師說他在研究圖像識(shí)別?！皥D像識(shí)別能不能用到猴臉上呢？”郭松濤突然有了這個(gè)想法?！斑@個(gè)想法不錯(cuò)，你可以試試?！蓖侣牶笠哺杏X可行。

郭松濤開始研究猴臉識(shí)別技術(shù)。其實(shí)，除了人臉識(shí)別，已經(jīng)有了豬臉識(shí)別，在一些養(yǎng)豬場得到應(yīng)用。豬是家畜，采樣相對容易，但野生動(dòng)物不好找，采樣是最大的問題。郭松濤在秦嶺做研究時(shí)，一天走六七個(gè)小時(shí)找金絲猴，只有一兩個(gè)小時(shí)能看到。有時(shí)甚至走一天，卻只能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地拿單筒望遠(yuǎn)鏡看一下。而且野生動(dòng)物不配合采樣，見到陌生人的第一反應(yīng)是逃跑，能跑多遠(yuǎn)跑多遠(yuǎn)。要想保證精準(zhǔn)拍到野生動(dòng)物，就要讓它習(xí)慣拍攝者的出現(xiàn)。

為此，郭松濤專門去非洲看了黑猩猩。當(dāng)?shù)厝丝梢院鸵吧鷦?dòng)物近距離接觸，動(dòng)物不太怕人，人們甚至可以離黑猩猩幾米距離觀察它。但中國的靈長類動(dòng)物，除了獼猴，其他都是瀕危的一級(jí)保護(hù)動(dòng)物，沒有這樣的條件。既要在野外盡可能近地接觸它們，又要盡可能少地影響它們的行為。郭松濤進(jìn)行招引性投食，不是為了讓它們吃飽，而是為了便于近距離觀察。所以，投喂是一個(gè)非常謹(jǐn)慎的操作過程，為避免影響動(dòng)物們覓食，郭松濤經(jīng)常變換投食地點(diǎn)。

野外探索

為了研發(fā)猴臉識(shí)別系統(tǒng)，郭松濤帶領(lǐng)西北大學(xué)金絲猴研究團(tuán)隊(duì)長期開展動(dòng)物跟蹤研究。他們近距離觀察，通過望遠(yuǎn)鏡可以清晰地看到金絲猴的面部特征，比如有的金絲猴嘴底下有痣，有的因打架耳朵被扯掉一塊，這些都是自然標(biāo)記。

為了對特定對象進(jìn)行觀察，他們還會(huì)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，就不會(huì)丟失所觀察的動(dòng)物個(gè)體，下次看到還能認(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。有時(shí)，他們會(huì)通過動(dòng)物的毛發(fā)和糞便進(jìn)行DNA識(shí)別，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(shí)別的要求。

猴臉識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)要求有通用的識(shí)別部位。定義面部為通用識(shí)別部位，是經(jīng)過動(dòng)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。該研究需要拍攝大量影像數(shù)據(jù)，對算法和模型進(jìn)行訓(xùn)練，但由于野生動(dòng)物不可控，不會(huì)配合拍照，因此郭松濤團(tuán)隊(duì)在野外進(jìn)行數(shù)據(jù)采集非常困難。

動(dòng)物在野外有隱藏本能，毛發(fā)顏色等可能會(huì)和環(huán)境融在一起，要在人工條件下從環(huán)境顏色中剝離出動(dòng)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(shí)別系統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)能力和算法提出了更高要求。

剛開始，大概需要二十只金絲猴個(gè)體的準(zhǔn)確信息，每只金絲猴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(huì)提取特征并對比已有信息，從而對新個(gè)體進(jìn)行識(shí)別。

為了保護(hù)

經(jīng)過郭松濤團(tuán)隊(duì)的深度探索研究，猴臉識(shí)別系統(tǒng)對秦嶺川金絲猴的識(shí)別成功率達(dá)95.6%。郭松濤說：“猴臉識(shí)別系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就是有自我學(xué)習(xí)功能。隨著數(shù)據(jù)量的增加，越訓(xùn)練，它的識(shí)別能力就越強(qiáng)，精度就越高。對人來說，動(dòng)物間的個(gè)體差異較難分辨，你會(huì)覺得它們長得很像。但我們的識(shí)別技術(shù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法深度學(xué)習(xí)，可以找出其中的區(qū)別?！?/p>

那么，猴臉識(shí)別技術(shù)怎樣應(yīng)用呢？在野生動(dòng)物園里，如果有游客想深入了解動(dòng)物個(gè)體的生活歷史，它的父親是誰，它的孩子是誰；有的像貓一樣高冷，有的像狗一樣黏人……這樣的科普體驗(yàn)，會(huì)比走馬燈式的觀看有趣得多?！俺俗罨A(chǔ)、最簡單的識(shí)別外，從科普的角度出發(fā)，未來可能在識(shí)別系統(tǒng)中錄入金絲猴的興趣愛好等。這是非常重要的環(huán)節(jié)。因?yàn)橹挥凶屓私佑|野生動(dòng)物，才有可能激起保護(hù)它們的意愿?！惫蓾f。

另外，物種個(gè)體識(shí)別還可以應(yīng)用于野生動(dòng)物種群監(jiān)測、動(dòng)物救治、飼養(yǎng)和繁育、畜牧業(yè)農(nóng)場動(dòng)物的日常管理，以及寵物動(dòng)物遺失尋找等，有廣泛的實(shí)用需求。

“我們的技術(shù)是2020 年8 月公開發(fā)表的，軟件是2021年2月做好的，現(xiàn)在正在局部試點(diǎn)?！苯酉聛?，郭松濤希望結(jié)合野外和圈養(yǎng)條件識(shí)別動(dòng)物的不同應(yīng)用場景與需求，進(jìn)行個(gè)性化識(shí)別功能的研發(fā)，通過動(dòng)物精準(zhǔn)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)動(dòng)物保護(hù)、飼養(yǎng)、繁育和研究的精細(xì)化管理。

郭松濤在觀察野生金絲猴