Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej we współpracy ze specjalistami z ZOO Wrocław chcą wykorzystać sztuczną inteligencję do rozpoznawania pingwinów przylądkowych. Projekt może pomóc w opiece nad żyjącymi w ogrodzie zoologicznym zwierzętami oraz w monitoringu dziko żyjącej populacji tego gatunku.
Pingwiny przylądkowe (tońce) są jedynym afrykańskim gatunkiem pingwina. Ich kolonie rozrodcze znajdują się na południu tego kontynentu i występują u wybrzeży Afryki Południowej – od Namibii do Mozambiku. Przeciętnie ważą ok. 3 kg, długość ich ciała wynosi około 45 cm, a w naturze żyją nawet blisko 30 lat.
Są zagrożone wyginięciem z powodu zmian klimatycznych, zanieczyszczeń, a przede wszystkim nadmiernego rybołówstwa. W ciągu ostatnich stu lat ich populacja zmniejszyła się aż o 98 procent. Obecnie liczebność tońców wynosi ok. 15 tysięcy dorosłych osobników i nadal maleje. Kolejne kilka tysięcy znajduje się w różnych ogrodach zoologicznych na całym świecie.
Status tońców został podniesiony do kategorii „krytycznie zagrożone”, a to już tylko jeden krok o kategorii „wymarły w środowisku naturalnym”. Zostało nam zatem około 10 lat, żeby spróbować uratować ten gatunek – wyjaśnia Paweł Borecki, specjalista ds. badań i współpracy naukowej w ZOO Wrocław, doktorant na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu.
AI na ratunek pingwinom
We wrocławskim zoo hodowla zachowawcza pingwinów przylądkowych powstała w 2014 roku, obecnie kolonia liczy 100 zwierząt, jest drugą największą w Europie i trzecią na świecie. Tego typu jednostki pozwalają odbudować kurczące się populacje, wzbogacać ich różnorodność genetyczną i badać zachowania gatunkowe.
Pingwiny mają we Wrocławiu naprawdę dobre warunki. Na pewno możemy być dumni z basenu, który jest jednym z największych na świecie. Ich duża liczba jest też wyzwaniem dla opiekunów, których mamy obecnie pięcioro. Bardzo trudno jest codziennie zidentyfikować i policzyć wszystkie osobniki, dlatego posiadanie zautomatyzowanego systemu byłoby dla nas dużym ułatwieniem – przyznaje Paweł Borecki.
Pomóc może w tym sztuczna inteligencja i właśnie tego zadania podjęli się naukowcy z Katedry Systemów i Sieci Komputerowych na Wydziale Informatyki i Telekomunikacji. We współpracy z wrocławskim zoo chcą wykorzystać AI do identyfikacji i monitorowania pingwinów przylądkowych.
Obecnie specjaliści monitorujący dzikie kolonie w Afryce korzystają na przykład z fotokomórek do badań zwierząt, ale jest to rozwiązanie dość archaiczne – nie w pełni zautomatyzowane i niedokładne. Sztuczna inteligencja mogłaby pomóc nie tylko w identyfikacji zwierząt, ale też w codziennym monitorowaniu ich zachowań na wybiegu.
Plamki jak linie papilarne
Identyfikacja poszczególnych pingwinów przylądkowych nie jest jednak łatwa. Wszystkie osobniki mają czarny wierzch i biały spód ciała z czarnym pasem na piersi oraz czarnymi plamkami na brzuchu. I właśnie te plamki układają się we wzór, który jest indywidualny dla każdego osobnika – zupełnie jak odciski palców u człowieka. Podobnie jest z plamkami na stopach.
W pierwszym etapie chcemy udowodnić, że rozpoznawanie wzorów na brzuchach i stopach jest wystarczające do identyfikacji zwierząt. Od opiekunów otrzymaliśmy już ponad 100 zdjęć dziewięciu pingwinów, które teraz przepuszczamy przez sieci konwolucyjne, czyli zaawansowane algorytmy uczenia maszynowego przeznaczone do analizy obrazów – wyjaśnia dr inż. Paweł Zyblewski. – Dziesięć zdjęć pojedynczego pingwina wystarczy do wytrenowania modelu na potrzeby wstępnych badań. Jest to jednak zbyt mało dla pełnoprawnego systemu, który miałby monitorować populację czy to zoo, czy w środowisku naturalnym. Wtedy musimy wziąć pod uwagę również dodatkowe problemy – zabrudzenia lub błoto, które AI może potraktować jako plamkę należącą do wzoru, dlatego im więcej otrzymamy materiałów, tym bardziej efektywne będzie nasze narzędzie – dodaje.
Jeśli sztuczna inteligencja rzeczywiście będzie w stanie skutecznie rozpoznawać poszczególne osobniki, to będzie ją można wykorzystać do liczenia zwierząt, śledzenia codziennych ścieżek pingwinów i monitorowania zachowań całej kolonii. Docelowo naukowcy chcą bowiem stworzyć bazę wszystkich pingwinów przylądkowych z wrocławskiego ZOO.
Byłoby to dużą pomocą dla opiekunów, bo system mógłby na przykład wyświetlać informację, kiedy jakiś pingwin pojawił się ostatnio na wybiegu. Obecnie bardzo trudno to kontrolować, bo niektóre z tych zwierząt nie są zbyt towarzyskie i potrafią przez cały dzień nie wychodzić z gniazda. Przy tak licznej grupie i tak można by go było pewnie przegapić – tłumaczy mgr inż. Weronika Borek-Marciniec.
Zamontowanie monitoringu zdecydowanie przyspieszyłoby także proces pozyskiwania nowych zdjęć pingwinów (robionych pod różnymi kątami), a co za tym idzie szybsze szkolenie modelu AI. System mógłby także ostrzegać opiekunów, gdyby na wybiegu niespodziewanie pojawił się jakiś drapieżnik. W przyszłości badacze planują nawiązać współpracę z organizacjami, które monitorują populację pingwinów przylądkowych w Afryce. Opracowany we Wrocławiu system służyłby wówczas do monitorowania tamtejszych kolonii.
A nie mogą ich zaznaczyć farbami różnych kolorów? Nie czytali "Zaczarowanej zagrody"?