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四川科研团队研发大熊猫“熊脸识别”网络 准确率高达95%

时间:2020-11-29 03:08 来源: 作者: 点击:

刷脸消费、刷脸进门……人脸识别这道技术题,人们已经学得很好了。但是,给熊猫做的“熊脸识别”,你听过吗?

今年3月,西华师范大学大熊猫研究团队陆续在国际权威期刊发布系列关于大熊猫保护的研究成果,回答了关于“投入大量资金建设大熊猫保护区是否能够阻止人类活动对栖息地恢复的干扰”等热点问题。

张晋东团队在野外考察

张晋东教授参与的大熊猫研究团队与郑伯川所在团队进行合作,用25只圈养大熊猫的6.5万张面部照片为基础,利用深度学习技术,成功建立大熊猫面部识别网络,平均识别率达到95%,解决了大熊猫长期野外跟踪和监测数据没有合适方法来识别和监测大熊猫的目标个体的技术难题,可用于大熊猫等野生动物的个体识别、生活史和社会机制等研究中。

3月29日,红星新闻记者通过邮件,联系上正在美国的张晋东教授,为我们解答了“熊脸识别”的研究问题。

6.5万张大熊猫照片

建立“熊脸识别”网络系统

红星新闻:此前,大熊猫科研团队对大熊猫目标个体的识别和监测,主要采取什么样的方法?有什么弊端?会出现什么样的误差?

张晋东:此前,科研团队对于大熊猫的个体识别和监测一直没有一种较成熟方法,传统的方法主要有以下几种:

1.距离-咬节法(咬节,即大熊猫粪便中的竹茎),这种方法比较成熟,广泛应用于大熊猫的调查,操作性强,可反映大熊猫种群的时间变化特征,存在的问题是:大熊猫的移动距离受多种因素影响(如繁殖、季节、个体差异、食物获取等),很难获取区别不同个体的阈值;

2.分子生物学方法,这种方法目前应用最广泛,也最可靠,但这种方法消耗较多的人力物力,同时在野外很难找到新鲜的可供进行DNA提取的大熊猫粪便;

3.利用观察者的经验,从大熊猫的体型、外貌特征差异、走路姿势等综合判断,这种方法对于数量小的大熊猫种群的效果较好,但对于长期研究(例如涉及到多个研究者、多个研究时间段的交接、数据整合)或者个体数量多的大熊猫种群(个体数量增多意味着需要比较、记忆的特征增多,过多则容易引起个体误认);

4. 其他方法,如利用足迹识别,模型很好,但是在野外很难采集到新鲜大熊猫的足迹。通过照片进行个体识别,目前也有其他团队在做,也取得了进展,我们希望和其他团队的工作进行比较或者合作,以更好更准确地进行大熊猫个体识别。

此外,关于大熊猫个人监测可以用GPS项圈追踪,对需要追踪监测的个体进行麻醉并佩戴GPS项圈,优点是能够准确追踪,并且可以实时获取需要的行为数据,缺点是这种方法同样对于个体数量多的大熊猫种群不适用(不可能去捕捉每一只大熊猫),同时因为需要捕捉大熊猫,在这个过程中,可能存在误伤大熊猫的风险,同时GPS项圈的使用寿命较短,在长期研究中同样不适用。

红星新闻:此次大熊猫面部识别网络是基于什么样的数据基础?对于选择的大熊猫样本,有什么标准?

张晋东:我们的基础数据来自25只圈养大熊猫,分别来自中华大熊猫保护研究中心(卧龙基地10只和都江堰基地9只)和成都大熊猫繁育基地(6只),主要是利用数码相机和手机拍摄,选择这两种拍摄方式的原因是使我们的训练数据集更加具有包容性,使我们最终训练模型更加具有鲁棒性(注:指控制系统在一定(结构,大小)的参数摄动下,维持其它某些性能的特性。可简单理解为,更加稳定),同时也考虑到这两种方式对所有研究人员来说更方便获取。

张晋东教授

唯一的要求就是照片需要较清晰的获取大熊猫面部特征,并且大熊猫面部照片可呈现特征多样性越高越好,即在其不同生活状态下获取,如进食、休息、嬉戏等,同样也是为了使我们的模型更加稳健,在后续遇到各种类型个体照片时也能够较好识别个体。

红星新闻:6.5万张面部照片样本是如何获取的?用了多长时间?

张晋东:6.5张照片是来自西华师范大学生命科学学院和数学与信息学院的同学一起拍摄的,这些同学包括何育欣、侯金、吴沛桦、罗欢、郭桢杉、李安锐。我们前后共计拍摄时间约一周。

红星新闻:“熊脸识别”是如何做到精准识别、识别率达到95%?

张晋东:“熊脸精确识别”主要因为两个方面的努力,一个是数据方面,我们采集了65000张照片,这是进行深度学习的基础,同时对我们的数据进行了筛选,保留可供实验的数据,这些数据具有特征较清楚(不一定高清)、特征多样性高的特点;另一方面,是数学与信息学院郑伯川教授和何育欣同学对我们的识别网络的不断调试,这涉及了较多的专业知识,也受设备的限制,我们前后对于技术的攻关花费了较多的时间,约半年。最终才有了识别模型的成功和如此高的识别率。

红星新闻:“熊脸识别”的应用,可以具体到哪些方面,可否举例?

张晋东:“熊脸识别”可以应用到两方面,一方面是圈养大熊猫,可以为各个大熊猫建立它们的ID,这既方便管理人员的统一管理,也方便游客们对每只个体的识别、了解。另一方面,也是我们所更加重视的方面,即野生大熊猫的保护工作,我们下一步工作将考虑结合目前在野外监测中应用广泛的红外相机,收集更多的野生大熊猫个体照片,对这些数据进行识别,从而建立野生大熊猫种群身份库,并实现及时监测和大数据分析,为野生大熊猫保护研究工作做更深入的工作。

建立大熊猫栖息地保护区有什么作用?

投入大量资金建设的众多大熊猫自然保护区究竟有多大效能?保护区是否能阻止人类活动的干扰,促进栖息地的恢复?此类问题一直是大熊猫科研的热点问题。

张泽钧教授在野外考察

西华师范大学张泽钧教授带领的大熊猫科研团队,与来自美国圣迭戈动物园、中国科学院动物研究所和成都生物研究所的科学家一起,基于全国第三次和第四次大熊猫调查的近五万个样方进行了大数据分析,对保护区内外大熊猫栖息地的人类干扰活动和生境质量进行了综合比较。

韦伟博士在野外考察(前)

“有证据表明,在过去,成都平原,甚至广西、湖南等地也是有熊猫生活的。”张泽钧教授科研团队的韦伟博士介绍说。研究表明,大熊猫栖息地在保护区内得到的保护要比保护区外更好,中国的自然保护区在过去几十年中对大熊猫的保护发挥着巨大作用。

此次研究数据基于全国第三次、第四次大熊猫调查,等同于熊猫界的“人口普查”,但普查的内容却更为详尽。“熊猫在哪出现过,喜欢在什么样的环境停留?”韦伟介绍说,大熊猫调查每10年进行一次,第四次大熊猫调查结束于2012年,在数据的基础上,团队还要对每个保护区进行实地勘察验证,例如四川的卧龙、唐家河、王朗等自然保护区。“样本量太大,大熊猫的食物资源、生活环境信息、个体信息、繁殖信息……都是需要大量走访调查的”。

红星新闻记者 于遵素 图据受访者

原标题:四川科研团队研发大熊猫“熊脸识别”网络 准确率高达95%

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