20多年前，郭松濤攻讀碩士學(xué)位期間，跟隨導(dǎo)師李保國教授在陜西周至國家級自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測金絲猴。白天他們在山林間追蹤猴群，夜晚借宿在山下的村民家中。因?yàn)槔鲜筇啵稳涨宄拷?jīng)常因找不到鞋子而苦惱。

彼時(shí)的郭松濤剛接觸野生動物研究不久，常年風(fēng)餐露宿，皮膚曬得黝黑。他坦言，曾一度羨慕實(shí)驗(yàn)室中穿白大褂的同窗。

然而，當(dāng)?shù)谝蝗捍ń鸾z猴從他頭頂?shù)闹块g騰躍而過，當(dāng)羚牛群悠然從身側(cè)踱步穿行，他被這些生靈深深震撼。“尤其是跟它們對視的瞬間，你會意識到人類的渺小——它們才是自然界真正的主宰?！睆拇?，郭松濤與野生動物結(jié)下了不解之緣。

“國際空白領(lǐng)域，我們就自主研發(fā)”

動物行為是人類常見但又機(jī)理復(fù)雜的自然現(xiàn)象。自古以來，人類執(zhí)著于觀察動物行為、了解動物習(xí)性。千百年來，人們一直通過肉眼觀察來記錄和研究動物習(xí)性。

“傳統(tǒng)監(jiān)測需要花費(fèi)大量的時(shí)間，需要研究人員長期駐扎在野外，而動物的行為復(fù)雜多變，有時(shí)候單個(gè)個(gè)體就需要觀察很久?！痹陂L期的研究中，西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授郭松濤一直想尋求技術(shù)來突破這一瓶頸。

起初，他們從歐洲購買了一個(gè)軟件，寄希望于提高監(jiān)測效率。然而在對該軟件實(shí)際應(yīng)用后，他們發(fā)現(xiàn)，這款軟件僅僅具備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入功能，研究人員仍需將動物的錄像拍攝回來，再挨個(gè)輸入到電腦里分析。

“看起來是進(jìn)步的，但相較于野外觀察，沒有了環(huán)境參照，個(gè)體識別變得更復(fù)雜了，研究人員坐在電腦跟前的時(shí)間更長了。嚴(yán)重的是，一個(gè)學(xué)生因此視網(wǎng)膜脫落，還住院了?！惫蓾寡?，在使用了一段時(shí)間后，他們還是放棄了。

這段經(jīng)歷卻催生出郭松濤一個(gè)關(guān)鍵疑問：“所謂先進(jìn)軟件僅應(yīng)用了統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，卻未觸及動物身份識別與行為分析兩大核心難題。我們能否自主攻克？”

此時(shí)，人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展，這些技術(shù)大量應(yīng)用于汽車制造、人體健康監(jiān)測等方面?！凹热欢紱]人用在動物上，我們就做開拓者！把人工智能跟動物學(xué)研究結(jié)合起來，來解決困擾動物學(xué)研究人員面臨的問題。”

2018年，郭松濤跟母校西北大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院跨學(xué)科攻關(guān)，開始研發(fā)專注于動物行為研究的人工智能技術(shù)；2020年，團(tuán)隊(duì)基于長期積累的金絲猴特征數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性提出具有關(guān)注機(jī)制的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，成功研發(fā)出全球首個(gè)金絲猴個(gè)體識別系統(tǒng)（Tri-AI）。

這一系統(tǒng)如同打開了動物研究的新世界大門。“系統(tǒng)顛覆了依靠動物個(gè)體特征（斑紋、顏色、傷疤）或者人為標(biāo)記特征（如烙印、刺青、染色、環(huán)志、無線電項(xiàng)圈及遺傳標(biāo)記）的傳統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)了對野生個(gè)體的準(zhǔn)確身份識別和連續(xù)跟蹤采樣的功能。更重要的是，該系統(tǒng)為在理想條件下實(shí)現(xiàn)‘無觀察者干擾效應(yīng)’的動物學(xué)研究提供了可能。”郭松濤說。

相比人臉識別，猴臉識別技術(shù)的不同在于，金絲猴的臉部皮膚區(qū)域帶毛區(qū)域多，且毛發(fā)區(qū)域相對更明顯，紋理特征更復(fù)雜，對識別系統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)能力提出了更高的要求。

在當(dāng)時(shí)，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。Tri-AI系統(tǒng)對個(gè)體數(shù)大于19的17個(gè)靈長類物種的平均識別精度達(dá)94.1%，且每秒識別31張圖片。這一成果，讓動物研究效率實(shí)現(xiàn)幾何級提升。

從1.0“猴臉識別”到2.0“翻譯行為”

想象這樣一個(gè)場景：面前有幾十只猴子，每一只都在動，每一種動作都有著特定的行為定義。如何分辨？

要捕捉到這些信息，此前需要靠人工觀測，用記錄本記錄下來，計(jì)算機(jī)把每一個(gè)猴子每一種動作自動標(biāo)記起來，并且算出來這些動作花了多長時(shí)間，這個(gè)動作執(zhí)行了多少次。

盡管視頻數(shù)據(jù)可通過專業(yè)軟件輔助分析，但要觀察僅僅幾天的動物行為視頻，則仍需要花費(fèi)多達(dá)上百小時(shí)人工核驗(yàn)。對于環(huán)境復(fù)雜、種群龐大的野生動物而言，這種低效模式嚴(yán)重制約了行為規(guī)律研究。

“因?yàn)槊恳环N動物在一天之內(nèi)的所有行為是一個(gè)較為穩(wěn)定的過程，這種定量化的行為分析對動物的行為規(guī)律掌握非常重要?！惫蓾f。

為解決行為智能分析中面臨的共性難題，郭松濤團(tuán)隊(duì)以行為學(xué)原理為根基，融合人工智能技術(shù)，歷時(shí)四年研發(fā)出"猴臉識別2.0"——自動識別與測量AI框架。該系統(tǒng)不僅能精準(zhǔn)識別、追蹤野生動物個(gè)體，還可自動分析行為節(jié)律，生成時(shí)間分配報(bào)告，實(shí)現(xiàn)全自動行為監(jiān)測。

該框架在3種靈長目物種（川金絲猴、狐猴、狒狒），3種食肉目物種(老虎、棕熊、黑熊)，3種偶蹄目物種(羚牛、列氏水羚、角馬)，1種奇蹄目物種(斑馬)，共計(jì)四大類群、十種代表性物種上得到了驗(yàn)證。

這個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫算法也讓這項(xiàng)技術(shù)有了“獨(dú)家秘訣”，不依賴于觀察者的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，突破了觀察者的視角局限。

在實(shí)際應(yīng)用上也非常有效，舉個(gè)例子：兩只老虎打架，如果其中一只受傷了，靜臥半個(gè)小時(shí)，肉眼很難去分辨它為什么躺在那，或者說為什么停留那么長時(shí)間。

“AI可以精準(zhǔn)識別?！惫蓾忉?，這個(gè)內(nèi)在的邏輯就在于每一種動物在某種行為上花的時(shí)間是相對穩(wěn)定的過程，即便是休息，也應(yīng)該是以某種相對穩(wěn)定的姿態(tài)休息。一旦出現(xiàn)異常模式，系統(tǒng)立即預(yù)警。預(yù)警信息直達(dá)監(jiān)管人員與獸醫(yī)團(tuán)隊(duì)，為及時(shí)干預(yù)爭取黃金時(shí)間。

這對瀕危物種保護(hù)意義重大。以大熊貓為例：其采食時(shí)間較長，多1個(gè)小時(shí)和少1個(gè)小時(shí)的采食，日常很難準(zhǔn)確記錄。目前人工監(jiān)管下，只能粗略估計(jì)熊貓的進(jìn)食。但如果難以消化的食物長時(shí)間滯留在熊貓?bào)w內(nèi)，會對其消化系統(tǒng)產(chǎn)生影響?！巴ㄟ^AI量化分析進(jìn)食時(shí)長、咀嚼頻率等細(xì)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)消化系統(tǒng)異常預(yù)判，有利于我們快速掌握熊貓的健康狀態(tài)?！惫蓾嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。

鐵籠里觀測猛獸 科研之路“累并快樂著”

盡管技術(shù)已大幅降低人力依賴，郭松濤團(tuán)隊(duì)仍堅(jiān)守一個(gè)原則：野外研究必須近距離觀察。“只有在動物跟前感受它了、觀察它了，才能深刻理解它的每一個(gè)動作，每一個(gè)行為，每一個(gè)眼神的深意?！惫蓾f。

“如果你不理解動物行為，那就是因?yàn)槟阌^察得不夠仔細(xì)，或者靠得不夠近?！惫蓾忉屨f，因?yàn)樵谡麄€(gè)人類對自然界觀察里頭，野生動物界是最令人向往的一個(gè)領(lǐng)域。

郭松濤團(tuán)隊(duì)博士生劉佳是在“猴臉識別”技術(shù)研發(fā)時(shí)就加入團(tuán)隊(duì)的學(xué)生，如今他已經(jīng)成長為橫跨動保與AI的復(fù)合型人才?；貞浧鹂蚣苁占陂g的難忘經(jīng)歷，團(tuán)隊(duì)在猛獸區(qū)的采集是在鐵籠里進(jìn)行的，同學(xué)們在籠內(nèi)，老虎、黑熊這些肉食動物在籠外自由活動?！翱粗叵就拿瞳F，整個(gè)監(jiān)測過程神經(jīng)緊繃。但能24小時(shí)在園區(qū)零距離觀測動物，這種經(jīng)歷也讓團(tuán)隊(duì)成員非常興奮。當(dāng)大家拿到大量行為數(shù)據(jù)，最終應(yīng)用到框架，自豪感不言而喻?！眲⒓颜f。

得益于監(jiān)測基地生活條件的改善，也得益于新技術(shù)的革新。郭松濤笑著說，“我們再也不用為找不到鞋而苦惱了?！?/p>

如今，郭松濤團(tuán)隊(duì)也正在著手研發(fā)3.0系統(tǒng)，將拓展至更多動物。“未來，我們也希望能夠應(yīng)用到家禽家畜的養(yǎng)殖上，如果有足夠多的前期訓(xùn)練數(shù)據(jù)，就可以通過視頻監(jiān)控對個(gè)體進(jìn)行健康預(yù)警。”郭松濤表示，預(yù)警信息直達(dá)養(yǎng)殖戶和獸醫(yī)團(tuán)隊(duì)，為動物健康監(jiān)測提供更廣泛的解決方案。

郭松濤也希望更多的人參與進(jìn)來，促使技術(shù)迭代、精度提高、互相幫助?！拔覀兲岢龈拍詈涂蚣埽@只是一個(gè)基礎(chǔ)的平臺，希望大家在平臺上可以發(fā)揮自己的優(yōu)勢，共同完善技術(shù)精度、拓展應(yīng)用邊界?！惫蓾凉M懷期待地說。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1111/1749-4877.12985

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