AI猪脸识别?为你揭秘养猪中的黑科技! |
来源:科普中国 作者:科普中国 发布时间:2023-01-30 浏览:1691次 |
作者:中科院物理所新媒体中心 审核:罗会仟 中国科学院物理研究所 研究员 提到“养猪场”,你的第一反应会是什么? 偏远的郊区,用篱笆围出一片场地,里面圈养着许多猪崽,饲养员抱着一个大箩筐走来,掂起勺子,向木制的槽口中撒下饲料,猪崽们便哼唧哼唧得挤上前来,拱着鼻子相互夺食? 似乎在我们的传统观念中,养猪就是这样的,从凌乱脏污的环境,到洗圈喂食的劳作,无一不裹挟着旧年代的气息,蒙上老照片般褪黄的色影。 可如果,我告诉你,很多小猪其实都已经住进了智能化楼房,甚至每天刷脸进餐,还能享受音乐按摩呢? 是不是,没想到! 事实上,随着人工智能和物联网的蓬勃发展,国内的生猪养殖业正在进行着巨大变革。除了改善猪崽的生长环境,猪场还尝试了一系列的黑科技,比如: AI猪脸识别? 无线射频自动饲喂机? 纳米合成猪饲料...? 接下来,就让我们一起走近智能化猪场,来看看这些科技,究竟有多“黑”? 01 AI猪脸识别 不知道你有没有留意过,同一品种的小猪猪,都长得十分相像。我们必须对每一只小猪都进行体重、进食量等数据的追踪记录,才能判断它的生长状态,可如果只靠饲养员的肉眼去分辨,那几乎是不可能分清成百上千头猪猪的,因此,对每头猪进行身份识别是必需的。 在以往的养猪过程中,一般是在猪耳朵上做标记,但这种方法需要人工记录所有数据,效率很低,也很容易出错。 为了解决这一传统困境,我们想到了将人脸识别的相关技术迁移至猪脸识别,但就像刚刚提到的那样,猪的近亲繁殖使得个体相似度很高,无形中提高了计算机视觉算法的技术壁垒,因此,猪脸识别技术,似乎就像是一场梦。 让人惊喜的是,近年来,随着深度学习技术的发展,猪脸识别算法终于有了质的突破,一些大型养殖场甚至开始引入了猪脸识别系统。 那么,听上去如此神奇的猪脸识别系统,到底是怎么运行的呢? 首先,现在的智能化养猪场会给每头猪创建一个动态云端数据库,对它们进行2-3段的视频拍摄,由算法提取有效的身份信息,生成一串对应的电子ID,储存在数据库中。 这也就意味着,这些猪崽也拥有了自己的身份证号,是不是很厉害! 在给小猪崽们办理好身份证后,还需要在猪舍顶端安装轨道机器人,机器人会沿着轨道,定时定点巡逻,使用前端配置的摄像头,对猪脸进行扫描采集,将信号转化为数字信号,利用卷积神经网络算法,提取出猪脸中的重要特征,然后和预先存储的猪脸信息进行匹配,筛选出拟合程度最高的一组数据,从而确定最终的电子ID,这样,就可以识别出这到底是哪一只小猪。 识别出身份以后,再配合各类传感器,记录下小猪的重量、体温、进食量等信息,自动上传到云端,将一些重要数值显示在中央控制面板上,从而实现无接触式的实时监控。 2018年8月,非洲猪瘟疫情在我国首次爆发,之后影响持续扩散,上亿头猪崽感染瘟疫去世,很多猪场都因此处于破产倒闭的边缘,更让人揪心的是,疫苗至今还在研发中,非洲猪瘟仍未得到彻底的解决。 就在这样的紧迫关头,一些大型猪场大胆尝试,引进了猪脸识别技术,人为设定体温、进食量等参数的阈值后,由系统自动识别出体温异常、食欲不振的猪崽,再由中央控制面板进行自动报警,工作人员看到红色预警后,就可以在第一时间,对这些被标了‘黄码’的猪崽进行隔离和检测,确定他们是否真的感染了瘟疫。 因此,从某种程度上来说,猪肉价格逐渐回落到正常状态,这里面也有猪脸识别的一份功劳。 02 无线射频 由于技术门槛较高,引入整套的猪脸识别技术,需要不少资金的投入,因此目前还没有被养猪场大规模使用。但是,接下来要介绍的无线射频技术,可以说是已经比较成熟了,可能你也早有耳闻,毕竟早在二十一世纪初,它就在物流管理、交通监控等领域被广泛应用了,只不过对于生猪养殖而言,还是比较新鲜的玩意儿。 一般来说,最基本的无线射频识别(Radio Frequency Identification)系统,主要包括射频卡和读写器两部分。射频卡中含有一块芯片,用于储存识别信息和数据,芯片外围则连接着天线。读写器包括收发天线、收发模组和控制电路,能够在一个指定区域内向外辐射电磁波,当射频卡经过该区域的时候,就会接收读写器发射出的电磁波并产生感应电流,将存储的编码信息以无线电波的形式传送给读写器,由读写器对接收的信号进行解调解码,发送给中央管理服务器。
基于这样的无线射频技术,各大养猪场开始引入各种自动化设备,我们就以生猪自动饲喂仪器为例,来看看它的运作原理。 首先,需要在每只猪崽的耳朵上打洞穿孔,佩戴电子耳标,这个电子耳标就是上文所说的“射频卡”。接着,当猪崽需要进食的时候,就从进食定位栏入口进入,来到自动投喂装置的面前。等感受到猪崽的靠近后,装置上方的读卡器就开始自动读取它们的电子耳标,提取该生猪的身份信息,反馈给中央管理器,系统根据这只生猪的身体数据记录,对自动投喂装置发出指令,为该猪崽投放特定的种类和数量的饲料,等猪崽进食完毕,从定位栏出口出去后,系统再自动识别出食槽内剩余的重量,计算出猪崽的进食量后上传记录。 仔细对比就会发现,这和猪脸识别有异曲同工之妙,最关键的地方都在于想办法识别出猪崽的身份,并记录相关数据,只不过无线射频技术的投入成本会小很多。但由于需要在猪耳朵上强制性植入电子耳标,这就容易引起猪崽的不适。 就像狗狗总喜欢蹭着墙角,把我们给它们穿上的小衣服脱掉一样,猪崽将标签磨烂咬断的情况也时有发生,严重的还会造成耳朵的局部感染。 如果说,在猪崽上植入电子标签的方式,还存在上面提到的一些弊端的话,在猪饲料加工过程中,运用无线射频技术,就完全没有这种担忧了。 换句话说,现在就连生猪吃的这些饲料,也是利用无线射频技术,实现全自动化生产。传统的饲料加工厂房内,一般需要多名员工在流水线上,对每一种原料进行登记称量,按照比例投放入仪器中加工合成,不仅费时费力,而且难以精准把握投放的数量,严重的失误操作可能会有粉尘爆炸等风险。
(猪饲料加工中RFID应用示意图) 如今,利用无线射频技术,就可以将每种原料都匹配上电子射频卡,在投料仓安装读取器,当原料进入投料仓时,自动读取原料信息并分配计量秤,按配方需求进行混合加工,最后自动包装并打印标签,并将结果上传数据库。由于每一种原料都有自己的电子ID,每一步都有数据记录,所以如果最后有饲料出现了问题,就可以通过查询加工记录,追根溯源,实现智能风控。 03 纳米合成 既然都提到了饲料加工,那就不得不说一说,现在的“纳米级猪饲料”。没错,猪饲料也不再是曾经黄色的粉末状粗糙颗粒,很多饲料添加剂都融入了纳米合成技术,尤其是维生素,颗粒直径可以达到百纳米级别。 猪崽的健康生长需要各种维生素,因此维生素在猪饲料配方中是必不可缺的一种添加剂,但一般的维生素在空气中易氧化水解,最终被母猪吸收的利用率很低,而试验研究表明,纳米级液体维生素更容易被吸收,可以显著提高母猪的繁殖性能,改善猪肉肉质。 这种纳米级液体维生素,在加工过程中,主要利用了纳米技术和微乳工艺,同时使用由磷脂、胆固醇和蛋白组成的仿生物膜,对维生素进行瞬间生物膜深层次包埋,形成粒径在30-100纳米级化自组装结构。由于具有优良的生物亲和力,使得纳米级维生素能够快捷跨膜吸收,提高利用率。 为了验证现在的猪饲料维生素是否真的达到了纳米量级,小编联系了一家饲料生产商,拿到了两种维生素样品,分别是纳米制剂和普通乳剂。理论上而言,两者的区别主要有以下这几点:
丁达尔效应是指:当波长在400-700nm范围内的可见光,通过直径在1-100nm左右的胶体时,光束被其中悬浮的颗粒散射,使得光向四面八方传播,于是从垂直入射光方向就可以观察到胶体中出现一条光亮的“通路”。简单来说就是,光在胶体中的散射,使得光路“可见”。 基于此原理,我们首先用丁达尔效应去简单验证一下,下面是实验对比结果:
(丁达尔效应实验对比图) 左边乳白色的,是普通维生素乳剂,右边淡黄色的,是纳米级维生素水溶液,当我们用波长为650nm的红色激光笔去照射这两种样品时,纳米级液体维生素出现了一条明显的完整光路,普通乳中也出现了一段光路,但是光路短且不清晰,透光性比较差,原因是它们的颗粒尺寸较大,对光的阻碍较多,所以产生的光路很短。 由此,可以初步判断,纳米级液体维生素的颗粒尺寸,大概在几百纳米量级,为了更加精确得判断,我们对样品进行了特殊制样,接着在扫描电子显微镜下观察了颗粒的形貌,得到的SEM扫描图如下:
左图是用比较小的放大倍率,在大视野范围下观察样品形态,每单位标尺是0.5μm,可以发现被红框圈出的颗粒直径在500纳米以下,为了更精确得出它的直径大小,我们对此区域进行放大观察,得到右图,每单位标尺是0.2 μm,这个颗粒直径大约是半个标尺,也就是在100纳米左右。 由此可见,所谓的“纳米级猪饲料”确实名副其实,并不只是一种销售噱头。 现在,想必大家对养猪的印象一定是大有不同了! 如此说来,老人家弓着身子,在葡萄藤下挑拣出瘪的玉米粒,和家中的剩菜剩饭搅拌在一起装桶,蹒跚着走向猪圈的场景,难免会离我们越来越远,最终被定格在泛黄的老照片中,烙上独有的年代印记。 也许你会唏嘘一个旧时代的逝去,也许你会期许一个新时代的降临。 我们很难去说清,对于这样的科技发展,究竟怀有怎样复杂的情感,但也许,这就是生活的本质。 我们不妨畅想一下,未来的养猪场会是什么样子,也许会有小型飞行器,载着小猪在空中飞? 参考文献: [1]秦兴,宋各方.基于双线性卷积神经网络的猪脸识别算法[J].杭州电子科技大学学报(自然科学版),2019,39(02):12-17. [2]蒋甲生.无线射频识别技术探讨[J].科技信息(科学教研),2007(27):312+532. [3]李娇,贾鸿儒,王缘,郭晓红.不同剂型维生素复合物对猪肉质的影响[J].畜牧兽医科技信息,2020(09):41-42. [4]孙海霞,薛茹.RFID系统的组成及工作原理[J].西藏科技,2005,(09):59-60. 文章由科普中国-星空计划(创作培育)出品,转载请注明来源 |