AI技術(shù)如何助力野生動(dòng)物保護(hù)

作者：Arm 高級(jí)首席工程師 Ed Miller

人工智能 (AI) 應(yīng)用正以前所未見的速度持續(xù)增長(zhǎng)。有觀察家認(rèn)為 AI 可以解決部分當(dāng)前人類所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，現(xiàn)在卻很少有開發(fā)者知道如何將 AI 應(yīng)用在可持續(xù)發(fā)展上。

為了彌合技術(shù)差距并支持可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，Arm 與 FruitPunch AI 共同贊助了“AI for Bears 挑戰(zhàn)”。FruitPunch AI 教導(dǎo)大家如何應(yīng)用 AI 來(lái)解決聯(lián)合國(guó) 17 項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的實(shí)際挑戰(zhàn)。由來(lái)自全球各地的學(xué)員與專家組成 15 到 50 名工程師的團(tuán)隊(duì)，在十周內(nèi)著手解決相關(guān)方面臨的數(shù)據(jù)問(wèn)題。招募完成后，團(tuán)隊(duì)成員將參加一系列專業(yè)培訓(xùn)課程，包括高級(jí)研習(xí)課程、研究、實(shí)驗(yàn)、實(shí)作與成果展示。

為何會(huì)選擇熊？

我除了擔(dān)任 Arm 軟件工程師之外，也在由我共同創(chuàng)立的非營(yíng)利組織 BearID 項(xiàng)目中擔(dān)任志愿者。我們?yōu)橄鄼C(jī)陷阱數(shù)據(jù)開發(fā) AI 應(yīng)用，以非侵入性的方式監(jiān)測(cè)熊與其它野生動(dòng)物。熊的重要性在于它們被視為“傘護(hù)種”，它們分布范圍廣闊，保護(hù)它們的同時(shí)，也有助于保護(hù)與它們共享?xiàng)⒌氐脑S多物種。它們面臨著從棲息地流失到氣候變遷等諸多保護(hù)問(wèn)題，BearID 項(xiàng)目的目標(biāo)是在多個(gè)保護(hù)區(qū)解決聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的第 15 項(xiàng)陸地生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題。

對(duì)于 BearID 項(xiàng)目的保護(hù)科學(xué)家 Melanie Clapham 博士等研究人員來(lái)說(shuō)，其面臨的主要挑戰(zhàn)之一是處理大量的影像與視頻數(shù)據(jù)。相機(jī)陷阱網(wǎng)絡(luò)雖能以有效、不打擾熊類活動(dòng)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，卻會(huì)致使數(shù)千小時(shí)的人工分析。而且因?yàn)榈攸c(diǎn)偏遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)搜集與分析過(guò)程繁復(fù)，往往會(huì)導(dǎo)致數(shù)月、甚至數(shù)年都難以取得任何有意義的成果。盡管 BearID 項(xiàng)目中的 AI 應(yīng)用有助于加速分析，但近乎實(shí)時(shí)的解決方案將能夠提供更切實(shí)可行的數(shù)據(jù)。例如，與我們共同組織挑戰(zhàn)活動(dòng)的非營(yíng)利組織 Hack the Planet 正著手研發(fā)一套熊只的嚇阻系統(tǒng)，以減少在羅馬尼亞發(fā)生的人熊沖突。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，我們需要邊緣側(cè) AI。

AI for Bears 挑戰(zhàn)

這正是 Arm、FruitPunch AI 與 AI for Bears 挑戰(zhàn)活動(dòng)可發(fā)揮作用之處。通過(guò) Hack the Planet 與 BearID 項(xiàng)目搜集到的數(shù)據(jù)集，此挑戰(zhàn)活動(dòng)主要有兩大目標(biāo)：

為熊只嚇阻系統(tǒng)打造一個(gè)高效率的分類模型

“智能相機(jī)”設(shè)備上打造模型以偵測(cè)并識(shí)別熊只

共計(jì) 19 位 AI for Good 工程師分為下列四組，在超過(guò)十周時(shí)間，工作了 1,500 個(gè)小時(shí)以上：

熊只分類

熊臉偵測(cè)與區(qū)隔

熊只識(shí)別

邊緣側(cè)機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 管線

影響

除了 AI for Bears 挑戰(zhàn)活動(dòng)的技術(shù)結(jié)果，我更想聚焦在有意義的后續(xù)影響上。如果你對(duì)挑戰(zhàn)活動(dòng)的成果感興趣，可以閱讀《AI 對(duì)熊類生態(tài)保護(hù)的必要性》這篇文章[1]，它總結(jié)了四組團(tuán)隊(duì)的最終報(bào)告。本文，我將聚焦在學(xué)習(xí)心得與影響上。

學(xué)習(xí)心得

這次挑戰(zhàn)讓 19 位參與者參與了為期十周的活動(dòng)，深入探索自然保護(hù)、人類與野生動(dòng)物的沖突、AI 開發(fā)流程與團(tuán)隊(duì)合作。熊只分類小組的 Davide Coppola 表示：“這次活動(dòng)中一個(gè)重要學(xué)習(xí)是團(tuán)隊(duì)合作讓夢(mèng)想成真。每個(gè)人都有不同類型的專業(yè)，當(dāng)眾人為了共同目標(biāo)合作，就可以在極短時(shí)間內(nèi)成就非凡成果。”

挑戰(zhàn)活動(dòng)過(guò)程中，各團(tuán)隊(duì)導(dǎo)入多項(xiàng)新工具。例如，邊緣設(shè)備 ML 管線團(tuán)隊(duì)可以訪問(wèn) Arm 虛擬硬件 (Arm Virtual Hardware)。該團(tuán)隊(duì)的 Gaspard Bos 指出，虛擬的 NXP i.MX93 開發(fā)平臺(tái)讓我們得以在虛擬的 i.MX93 設(shè)備上率先測(cè)試熊只檢測(cè)與識(shí)別流程的部分功能，并更熟悉這個(gè)平臺(tái)。由于團(tuán)隊(duì)利用虛擬方式，雖然僅有一位成員能直接訪問(wèn)實(shí)體設(shè)備，Arm 虛擬硬件讓這支團(tuán)隊(duì)在沒有開發(fā)板可用的情況下，也能持續(xù)開發(fā)應(yīng)用。

挑戰(zhàn)活動(dòng)進(jìn)行期間，有人曾提出希望 BearID 項(xiàng)目分享更多數(shù)據(jù)。Clapham 博士與加拿大英屬哥倫比亞的第一民族 (First Nations) 組織密切合作。他們一起收集由該組織代表的七位原住民管理的陸地?cái)?shù)據(jù)。BearID 項(xiàng)目只會(huì)在嚴(yán)格守則的管理下共享這些數(shù)據(jù)。Gaspard 從 AI 倫理角度總結(jié)：“我很欣賞研究人員對(duì)這片土地原始守護(hù)者的尊重，以及他們?cè)谛苤还芾矸矫娴膮⑴c。他們的參與和權(quán)威性，對(duì)數(shù)據(jù)分享的實(shí)踐有深遠(yuǎn)影響。一開始這可能會(huì)讓開發(fā)者感到復(fù)雜，但也會(huì)迫使我們重新思考我們正在處理的數(shù)據(jù)，以及如何以更專業(yè)的態(tài)度對(duì)待這些數(shù)據(jù)?！?/p>

熊只偵測(cè)與區(qū)隔及熊只識(shí)別團(tuán)隊(duì)的 Arthur Caillau，原本的專業(yè)就是 AI 方向，他對(duì)熊臉偵測(cè)與區(qū)隔以及熊只識(shí)別做出了貢獻(xiàn)。他表示：“項(xiàng)目期間我為了強(qiáng)化熊臉的辨識(shí)，重溫了我的度量學(xué)習(xí)知識(shí)。利用科技與工程專業(yè)來(lái)應(yīng)對(duì)保護(hù)工作的挑戰(zhàn)，讓我獲益良多?！?/p>

對(duì)野生動(dòng)物的影響

對(duì)保護(hù)野生動(dòng)物（特別是熊群）產(chǎn)生正向的影響是此次活動(dòng)的關(guān)鍵目標(biāo)。之前 FruitPunch AI 也曾在這個(gè)領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。FruitPunch AI 首席技術(shù)官 Sako Arts 表示：“這次合作讓我們得以運(yùn)用我們的社區(qū)以及之前動(dòng)物重新識(shí)別挑戰(zhàn)活動(dòng)取得的經(jīng)驗(yàn)，幫助解決熊群?jiǎn)栴}，并為這些珍貴的動(dòng)物保護(hù)工作貢獻(xiàn)心力，讓我們感到相當(dāng)欣喜。”

FruitPunch AI 在針對(duì)挑戰(zhàn)活動(dòng)成果的文章中提到，部分 AI 模型已經(jīng)能夠良好運(yùn)作。盡管并非所有的模型都已針對(duì)在低功耗邊緣設(shè)備上運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化，Hack the Planet 已計(jì)劃實(shí)地測(cè)試其中一個(gè)熊只分類器模型。這將是他們?cè)诹_馬尼亞進(jìn)行的第二代熊只嚇阻系統(tǒng)的一部分。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)在設(shè)備上提供近乎實(shí)時(shí)的監(jiān)控解決方案，這次的挑戰(zhàn)活動(dòng)可以說(shuō)跨出了一步。邊緣設(shè)備 ML 管線團(tuán)隊(duì)利用 NXP i.MX93 開發(fā)平臺(tái)，展示了分類、偵測(cè)與區(qū)隔。通過(guò)使用 Arm Ethos-U65 NPU，團(tuán)隊(duì)展現(xiàn)了比基于 CPU 的推理快 5 到 19 倍的執(zhí)行速度，且大幅降低了每次推理的功耗。下一步則是整合這些模型，讓它們成為軟件定義相機(jī)藍(lán)圖中智能野生動(dòng)物相機(jī)的參考用例，也就是開源且云原生的參考棧。

除了技術(shù)上的影響，還有態(tài)度上的改變。例如，當(dāng)被問(wèn)及這項(xiàng)挑戰(zhàn)活動(dòng)如何改變參與者對(duì)野生動(dòng)物的看法時(shí)，Davide 回答：“人類與熊只沖突的問(wèn)題比我想像的嚴(yán)重，而相對(duì)簡(jiǎn)單的解決方案其實(shí)就能為對(duì)立的雙方帶來(lái)正面影響?！逼渌鼌⑴c者則指出他們現(xiàn)在更能理解熊在我們所處的世界中所扮演的角色，以及我們的決定將會(huì)如何影響到它們。

對(duì)個(gè)人的影響

一些參與者不僅學(xué)到了技術(shù)、對(duì)野生動(dòng)物的理解和獲得個(gè)人成就感，他們還找到了自己的使命。Davide 表示，這項(xiàng)挑戰(zhàn)活動(dòng)讓他有機(jī)會(huì)在日常工作以外，利用專業(yè)技能為公益事業(yè)貢獻(xiàn)力量。他希望這個(gè)項(xiàng)目，或其它類似的項(xiàng)目，最終可以讓他專職投入于 AI for Good。Arthur 則已經(jīng)朝這個(gè)方向努力，他表示：“這項(xiàng)挑戰(zhàn)活動(dòng)堅(jiān)定了我投身保護(hù)工作的決心?！痹谔魬?zhàn)活動(dòng)期間，Gaspard 開始擔(dān)任多家企業(yè)與銀行的 AI 顧問(wèn)。他補(bǔ)充說(shuō)：“盡管這是我做過(guò)最具商業(yè)色彩的工作，我仍然受其影響力驅(qū)動(dòng)，該項(xiàng)目能促使我鼓舞同事與客戶共同為更大的公益目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。”

不只參加挑戰(zhàn)活動(dòng)的開發(fā)團(tuán)隊(duì)有所收獲。恩智浦半導(dǎo)體 (NXP) 系統(tǒng)創(chuàng)新部門主管 Brian de Bart 表示：“AI for Bears 項(xiàng)目是我們?yōu)楣媸聵I(yè)貢獻(xiàn)微處理器與 AI 技術(shù)的絕佳機(jī)會(huì)。NXP 的工程師得以和一群全心投入的 AI 愛好者們合作，共同開發(fā)野外熊只識(shí)別解決方案。團(tuán)隊(duì)通過(guò)在 i.MX93 上部署開發(fā)完成的 AI 模型，充分展現(xiàn)了 i.MX93 解決方案在邊緣側(cè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)熊只實(shí)時(shí)分類與識(shí)別的有效性。”

結(jié)論

贊助 AI for Bears 挑戰(zhàn)活動(dòng)是 Arm 與其合作伙伴彌合 AI 開發(fā)者之間技術(shù)差距，同時(shí)介紹 Arm 技術(shù)，并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的絕佳方式。參與者不僅學(xué)習(xí)到最新的 AI 技能，并發(fā)展出對(duì)自然界更深刻的認(rèn)識(shí)。我們可以攜手為人們與地球推動(dòng)正向改變，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，并推動(dòng)聯(lián)合國(guó)全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的進(jìn)程。