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【菠萝科学奖】用数学方法识别猕猴面部特征

老猫 发表于  2015-04-11 21:17

2015年菠萝医学生物学奖颁给了来自郑州大学生物多样性与生态研究所的路纪琪教授团队,以表彰他们用数学方法对猴子面部相似度进行了分析,并发现有血缘关系的猴子长得更像。为什么这样的研究都可以发表?它又是凭什么能获得菠萝科学奖呢?这篇解读将会揭晓答案。

脸盲症患者的生活有诸多不便,是的,哪怕是研究猴子也不行。

在动物行为学的研究中,研究人员需要面对个体识别方面的问题——你必须要知道谁是谁,才能知道这些个体的某些行为有什么意义。虽然的确有分子生物学手段可以用——大概就是去找到动物们的便便,然后提取DNA做检测,但是这样的过程未免太过繁琐,而且成本高昂了。

不过,对于灵长类动物研究者来说,他们还有一条捷径可以走,那就是——看脸。

猕猴是旧大陆最常见的猴子,和人一样它们的面部也存在个体差别。图片:shutterstock.com

和人类一样,这些非人灵长类的面部也都存在着细微的差别,不仅研究人员可以看出猴子们的差别,猴子自己,也会依赖于面部识别进行它们的社会交往活动。作为一名疑似脸盲症患者,我当然无法理解猴子的面部差别,我很多时候甚至无法区分人脸的差别。不过猴脸的差别的确是客观存在的——郑州大学的研究团队在《兽类学报》(Acta Theriologica Sinica)上发表的论文证明了这一点。

论文的标题是“基于分块主成分分析的太行山猕猴面部相似性”,简单来说,就是“用电脑认猴子脸”。太行山猕猴(Macaca mulatta tcheliensis)是猕猴在中国的一个特有亚种,也是河南地区分布的唯一一种野生灵长类动物。在接受果壳网采访的时候,论文第一作者、郑州大学生物多样性与生态学研究所的王白石博士表示,他所在的团队在研究这些猕猴的行为的时候,需要对这些猕猴进行个体识别和命名工作,这是一个非常“脸盲症不友好”的工作,也就是在这个过程中,他萌生了“为啥不用软件来识别这些猴子”的想法。

其实,科学界在电脑人脸识别方面已经做出了很多工作,而这篇论文里用到的“分块主成分分析”是其中一种较为先进的算法。这种算法基于统计学特征,可以有效规避光照变化以及面部表情对识别结果的影响。

\“之所以要采取这种算法,是因为采集人脸数据的时候,我们可以要求被试坐在一个光照合适的地方,并且保持一个相对正常的表情,拍一张角度端正的照片。”接受果壳网采访时,王白石表示,“但是显然,我们没有办法要求猴子这么做。”

而且得到一张能用的照片也不是那么容易的。王白石介绍说:“在博士期间,我们会有一两年的时间在做野外观察。每个月进山二十多天,早上八点开工,晚上六七点才收班,常年就是跟踪那些猴子。只有等那些猕猴适应了我们的存在,开始习惯性地无视我们之后,才能够开始试图获取猴子面部的照片,而拍摄到的照片最后也是百里挑一——猕猴们往往生活在密林之下,那里的光线条件本身就不适合拍照。”对照片的要求是“尽量使被拍摄个体正视镜头、头部端正、面部表情放松”——当然也只是尽量而已。

得到照片之后,还有一系列复杂的程序。首先需要对图片进行预处理,利用图像处理软件截取个体面部图片,然后利用Matlab对图片进行灰度化处理,以减少光照不均对结果的影响。然后需要将猕猴个体面部照片均等地分成左眼、右眼、左鼻子、右鼻子、左嘴和右嘴6个无交叠子块,进行分块主成分分析。分析的过程大概是将这些子块分类构建协方差矩阵,然后再用Matlab求取矩阵特征值,与特征向量建立分块子空间,将得到的矩阵特征值与对应的特征向量按降序排列并进行降维处理,构建成为特征子空间。再之后的过程就是相似度比较了,这个时候我们只需要将任意两个个体的照片的相同位置的子块投映到之前得到的子空间中,各自得到一个一维向量——这两个向量夹角越小,则相似度越高,反之则相似度越低。如此对六个区块分别比较之后,根据不同子块相似度的加权求和,就可以计算得到最终的面部相似度了。

当然,你完全可以跳过上面那段来看比较的结果,因为虽然我能理解脸盲症对于面部识别的迫切需求,但是没有计算机的辅助,这样的算法是完全没有办法实现的,而且目前我们也不可能在对方不注意的情况下快速完成这一过程。

不过虽然目前看来,这套实验方法还无法拯救脸盲症患者,不过在针对猕猴的实验中,它还是起到了重要的作用的,它第一次证明了,从统计学上来说,猴子还是长得更像它亲妈的。而且猴大十八变,随着年龄的增长,小猴会脱去脸上的稚气,越长越像它的母亲(当然时间没有十八年那么长,四岁之后就已经非常像了。)

太行山猕猴WW-1群中,三个母系单元中目标个体的亲缘关系。图片:参考文献1

在被问及为什么没有用这个体系处理更复杂的父子关系的时候,王白石表示:“理论上来说,猕猴父子之间应该也能够通过面部特征进行识别的。杜克大学的一项研究表明,从未见过的同父异母的猕猴可以互相识别。但是在我们的体系中,要做这种比较的话可能会比较困难,因为确定父子关系本身就很难。我们可以通过繁殖与养育行为,来简单地确定母子关系,但是因为雌性猕猴会与多个雄性个体进行交配,且雄性猕猴完全不参与后代养育地过程,因此在野外确定父子关系是不可能地。当然,我们可以利用分子方面的证据来确定猕猴的父子关系,不过这就慢得多了。我们其实的确也在进行相关的工作,将来应该会有后续文章发表。”(编辑:花落成蚀)

参考文献

  1. 王白石, 王振龙, 鹿鹤, 李利, 路纪琪. (2013) 基于分块主成分分析的太行山猕猴面部相似性. 兽类学报. 33(3):232-237. 

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全部评论(8)
  • 1楼
    2015-04-11 21:17 昂拉克

    [0] 评论
  • 2楼
    2015-04-11 21:35 Guokr-Shell

    Jl 12 看起来好凶啊

    [0] 评论
  • 3楼
    2015-04-11 21:54 墨骨

    从前有很多长得跟它爸像,后来一次次它们爸都发现孩子长得跟隔壁家的“爸”们很像..然后..后来,它们都消失了,只剩下长得跟妈像的猴子们了。(猴子妈又没镜子照)。再后来,猴子爸们分不清谁是自己的孩子,所以都不管孩子养育了。是酱紫吗?XD

    [1] 评论
  • 4楼
    2015-04-12 14:18 iamsincerea
    引用文章内容:进行降纬处理
    引用文章内容:一个一纬向量

    我比较确定这是写错字了。应该是“维度”的“维”。@花落成蚀

    [1] 评论
  • 5楼
    2015-04-12 22:57 we_cry 空间信息与数字技术专业
    一纬向量

    Typo, 「一维向量」。

    用了进击的浏览器 感觉自己萌萌哒
    [0] 评论
  • 6楼
    2015-04-12 23:56 Ralph

    看到文中那些猴子照片时,我确认自己是肯定是“猴脸盲症患者”

    [0] 评论
  • 7楼
    2015-04-13 10:25 花落成蚀 果壳谣言粉碎机编辑
    引用@iamsincerea 的话:我比较确定这是写错字了。应该是“维度”的“维”。@花落成蚀

    我靠

    都知道错别字都赖我这个梗了么

    [0] 评论
  • 8楼
    2015-04-13 11:24 iamsincerea
    引用@花落成蚀 的话:我靠都知道错别字都赖我这个梗了么

    啊?何梗之有?

    [0] 评论

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