מה קורה כאשר זיהוי פנים משמש על ציפורים? המדע מסביר

כציפור, שמעתי שאם תשומת לב זהירה לנוצות הראש על נוצות הדוכנים שביקרו את מזיני הציפורים שלך, תוכל להתחיל לזהות ציפורים בודדות. זה סיקרן אותי. אפילו הרחיק לכת עד כדי כך שציירתי ציפורים במזינים שלי ומצאתי את זה נכון, עד לנקודה מסוימת.

בינתיים, בעבודתי היום כמדענית מחשב, ידעתי שחוקרים אחרים השתמשו בטכניקות למידה של מכונות כדי לזהות פרצופים בודדים בתמונות דיגיטליות עם רמה גבוהה של דיוק.

פרויקטים אלה גרמו לי לחשוב על דרכים לשלב את התחביב שלי עם יום העבודה שלי. האם ניתן יהיה ליישם את הטכניקות הללו כדי לזהות ציפורים בודדות?

אז, אני בנוי כלי לאסוף נתונים: סוג של מזין ציפור המועדפת על ידי woodpeckers ו מופעל מצלמה. הקמתי את תחנת הניטור שלי בחצר הפרברים של וירג'יניה וחיכיתי שהציפורים יופיעו.

תמונה סיווג

סיווג התמונות הוא נושא חם בעולם הטכנולוגיה. חברות גדולות כמו פייסבוק, אפל ו- Google בודקים באופן פעיל בעיה זו כדי לספק שירותים כמו חיפוש חזותי, תיוג אוטומטי של חברים בפוסטים של מדיה חברתית והיכולת להשתמש בפנים כדי לפתוח את הטלפון הסלולרי שלך. רשויות אכיפת החוק מתעניינים מאוד גם, בעיקר כדי לזהות פרצופים בתמונות דיגיטליות.

כאשר התחלתי לעבוד עם התלמידים שלי על הפרויקט הזה, מחקר סיווג התמונה התמקד בטכניקה כי הסתכל על תכונות תמונה כגון קצוות, פינות ואזורים בצבע דומה. אלה הם לעתים קרובות חתיכות כי ניתן להרכיב לתוך אובייקט מסוים. גישות אלו היו מדויקות בכ -70%, תוך שימוש במערכי נתונים עם מאות קטגוריות ועשרות אלפי דוגמאות לאימונים.

מחקרים שנעשו לאחרונה השתנו לקראת השימוש ברשתות עצביות מלאכותיות, המזהות את התכונות שלהם, שהוכיחו את הסיווג המדויק ביותר. רשתות עצביות מעוצבות באופן רופף מאוד על דפוסי התקשורת בין נוירונים במוח האנושי. רשתות עצביות משתנות, הסוג שאנו משתמשים בו כעת בעבודתנו עם ציפורים, משנות את דרכן בדרכים שעוצבו בקליפת המוח החזותית. זה עושה אותם במיוחד מתאים במיוחד לבעיות סיווג תמונה.

חוקרים אחרים כבר ניסו טכניקות דומות על בעלי חיים. הייתי השראה בחלקו על ידי מדען המחשב אנדריאה Danyluk של ויליאמס קולג ', אשר השתמשה מכונת למידה לזהות סלמנדרה אינדיבידואלית בודדים. זה עובד כי כל סלמנדרה יש דפוס ייחודי של כתמים.

התקדמות על זיהוי הציפורים

בעוד שלסטודנטים שלי ולי לא היו דימויים רבים לעבודה עם רוב החוקרים והחברות האחרים, היה לנו היתרון של אילוצים מסוימים שיכולים לשפר את הדיוק של מסווגנו.

כל התמונות שלנו נלקחו מנקודת מבט זהה, היה באותו קנה מידה ונפל למספר מצומצם של קטגוריות. בסך הכל, רק כ 15 מינים אי פעם ביקר מזין באזור שלי. מתוכם, רק 10 ביקר לעתים קרובות מספיק כדי לספק בסיס שימושי להכשרת מסווג.

מספר התמונות המוגבל היה מגבלה מוגדרת, אך מספר הקטגוריות הקטנות פעל לטובתנו. כשזה הגיע לזיהוי אם הציפור בתמונה היא צ'יקאדי, גרגר קרולינה, קרדינל או משהו אחר, פרויקט מוקדם המבוסס על אלגוריתם זיהוי פנים הושג על 85 אחוז דיוק - מספיק טוב כדי לשמור אותנו מתעניינים בבעיה.

זיהוי ציפורים בתמונות הוא דוגמה למשימה "סיווג עדין", כלומר, האלגוריתם מנסה להפלות בין אובייקטים שונים מעט זה מזה. ציפורים רבות המופיעות במזינים הן בערך אותו הצורה, למשל, כדי לומר את ההבדל בין מין אחד למשנהו יכול להיות מאתגר למדי, אפילו עבור משקיפים מנוסים.

האתגר עולה רק כאשר אתה מנסה לזהות אנשים. עבור רוב המינים, זה פשוט לא אפשרי. הנקרים שהתעניינתי בהם היו נוצצים בדפוס חזק, אך עדיין דומים במידה רבה מאדם לאדם.

לכן, אחד האתגרים הגדולים ביותר שלנו היה המשימה האנושית של תיוג הנתונים להכשרת המסווג שלנו. מצאתי כי נוצות הראש של נוכלים דוממים לא היו דרך אמינה להבחין בין אנשים, כי נוצות אלה לנוע הרבה. הם משמשים את הציפורים להביע גירוי או אזעקה. עם זאת, דפוסי כתמים על כנפיים מקופל הם עקביים יותר נראה לעבוד בסדר גמור לספר אחד למשנהו. נוצות כנפיים אלה נראו כמעט תמיד בתמונות שלנו, בעוד דפוסי הראש יכול להיות מוסתר לפי זווית הראש של הציפור.

בסופו של דבר, היו לנו 2,450 תמונות של שמונה נקרים שונים. כשזה הגיע לזיהוי נוודים בודדים, הניסויים שלנו השיגו 97% דיוק. עם זאת, תוצאה זו דורשת אימות נוסף.

איך זה יכול לעזור ציפורים?

אורניולוגים זקוקים לנתונים מדויקים על האופן שבו אוכלוסיות ציפורים משתנות עם הזמן. מאחר ומינים רבים הם ספציפיים מאוד בצורכי הגידול שלהם כשמדובר ברבייה, בחורף ובהעברה, נתונים מעודנים עשויים להיות שימושיים לחשיבה על השפעות הנוף המשתנה. נתונים על מינים אינדיבידואליים כמו נרקרים דוממים יכולים להיות מותאמים עם מידע אחר, כגון מפות שימוש בקרקע, דפוסי מזג אוויר, גידול באוכלוסייה האנושית וכן הלאה, כדי להבין טוב יותר את השפע של מינים מקומיים לאורך זמן.

אני מאמין כי תחנת ניטור semiautomated הוא בהישג יד במחיר צנוע. תחנת הניטור שלי עולה בסביבות $ 500. מחקרים שנעשו לאחרונה מצביעים על כך שאפשר יהיה להכשיר מסווג באמצעות קבוצה רחבה יותר של תמונות, ולאחר מכן לכוונן אותו במהירות ובדרישות חישוביות סבירות כדי לזהות ציפורים בודדות.

פרויקטים כמו מעבדת קורנל של eBird של אורניטולוגיה העמידו צבא קטן של מדענים אזרחיים על הקרקע לניטור הדינמיקה של האוכלוסייה, אך רוב הנתונים הללו נוטים להיות ממקומות שבהם אנשים רבים, ולא ממיקומים של עניין ספציפי למדענים.

גישה אוטומטית תחנת ניטור יכול לספק מכפיל כוח ביולוגים חיות הבר העוסקים מינים ספציפיים או מיקומים ספציפיים. זה ירחיב את יכולתם לאסוף נתונים עם התערבות אנושית מינימלית.

מאמר זה פורסם במקור על השיחה על ידי לואיס Barnett. קרא את המאמר המקורי כאן.