fot. Oleksandr Poliakovsky/Wroclaw.pl

Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej we współpracy ze specjalistami z ZOO Wrocław chcą wykorzystać sztuczną inteligencję do rozpoznawania pingwinów przylądkowych. Ich projekt mógłby 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 ok. 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 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 – mówi Paweł Borecki, specjalista ds. badań i współpracy naukowej w ZOO Wrocław, doktorant na Uniwersytecie Przyrodniczym we Wrocławiu. – Dlatego właśnie nasz ogród współpracuje na przykład z fundacją SANCCOB, działającą na rzecz pingwinów przylądkowych. Sam jako wolontariusz dwukrotnie byłem w Afryce pomagając w tych działaniach – dodaje.

AI na ratunek pingwinom

We wrocławskim zoo hodowla zachowawcza pingwinów przylądkowych powstała w 2014 r., 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 dr inż. Paweł Zyblewski i mgr inż. Weronika Borek-Marciniec 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.

– Pomysł na ten projekt pojawił się dość przypadkowo. Przygotowując prelekcję na Dni Fantastyki  związaną z rozpoznawaniem obrazów przez sztuczną inteligencję poprosiliśmy ogród zoologiczny o udostępnienie zdjęć zwierząt, a konkretnie pingwinów. Dostaliśmy odpowiedź od Pawła Boreckiego, który nie tylko przesłał nam materiały, ale też zapytał o możliwość szerszych badań w tym zakresie – mówi Weronika Borek-Marciniec.

Okazało się, że specjaliści monitorujący dzikie kolonie w Afryce korzystają na przykład z fotokomórek do badań zwierząt, ale jest to dość archaiczne rozwiązanie, które nie jest w pełni zautomatyzowane i dość niedokładne.   Wykorzystanie sztucznej inteligencji mogłoby 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 naszego projektu 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.

Najpierw publikacja, a później grant

Jeśli pilotażowe badania zakończą się sukcesem nasi badacze planują opublikować ich wyniki, a następnie złożyć wniosek grantowy na ich kontynuację. Dzięki niemu możliwe byłoby zamontowanie systemu wizyjnego, który objąłby swoim zasięgiem cały wybieg i basen.

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 Weronika Borek-Marciniec.

fot. ZOO Wrocław

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.

– Jeśli uda nam się zdobyć grant na badania, to wyzwań na pewno nam nie zabraknie. Zintegrowanie i przetwarzanie informacji rejestrowanych przez wszystkie kamery, które w pewnych obszarach będą się pokrywały, będzie sporym wyzwaniem. Osobną kwestią będzie też prowadzenie monitoringu pingwinów w basenie. Być może do tego zadania będziemy musieli przygotować nasz model AI od podstaw   – mówi dr inż. Paweł Zyblewski. – W przyszłości chcielibyśmy też nawiązać współpracę z organizacjami, które monitorują populację pingwinów przylądkowych w Afryce. Być może uda się dostosować i rozszerzyć nasze rozwiązania do monitorowania tamtejszych kolonii – dodaje.

***

Realizacja projektu jest możliwa dzięki umowie o współpracy podpisanej w grudniu pomiędzy Politechniką Wrocławską i ZOO Wrocław. Zakłada ona m.in. wspólne prowadzenie prac badawczych, wymianę pozyskanych w ten sposób informacji, daje też możliwość studentom przygotowania prac dyplomowych we współpracy ze specjalistami z ogrodu zoologicznego.

mic