「Science」羊臉識別診斷疼痛指數,機器學習捕捉動物面部表情
新智元報導
作為一隻羊,你的生活可沒看上去那麼輕鬆自在。
你會受傷、生病、感染,還無法告訴照顧你的人你處於傷痛之中。
為此,獸醫開發了一套規則,通過羊的面部表情評估一隻羊所遭受的痛楚。但是,這套規則對於一般人,或更具體的說,牧場相關人員而言,使用時經常出現評估結果不一的情況,
在這裡,我們可以稍微體會一下,即便是專業人員(獸醫),要判斷綿羊疼痛水準是一件多麼困難的事情。
仔細看下麵的圖片,你能判斷得多準確呢?
更不要說真實情況綿羊還是會動的。
獸醫們已經想出了一個方法,根據羊的面部表情來評估其疼痛,
以下是詳細報導:
綿羊面部表情識別系統,自動評估綿羊疼痛指數
英國劍橋大學的電腦科學家利用機器學習演算法,開發了一個能夠自動識別家羊面部表情的系統。實驗表明,該系統能以平均 67% 的準確率進行羊臉識別,和一般人水準相當。
相關論文日前在美國華盛頓特區召開的 IEEE 人臉和手勢自動識別國際會議(IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition)發表。研究人員表示,有了更多的標注資料,他們的這套系統可以用於識別其他動物的面部表情,
自動疼痛評估系統的工作流程圖
研究人員首先根據“家羊面部表情疼痛指數表”(Sheep Pain Facial Expression Scale,SPFES)上顯示各級疼痛的圖像,製作了一組“面部動作單元”(facial action unit,AU)。
而後,他們手工對 480 張羊照片的這些 AU 進行標注——鼻孔變形大小、耳朵旋轉角度、瞳孔縮小程度。
研究人員根據 SPFES 手工標注的一些綿羊面部 AU 資料。
研究人員將這些資料的 90% 作為訓練資料,剩下 10% 作為測試資料,訓練了一個機器學習演算法。
最終得到的“綿羊面部表情自動識別系統”,識別 AU 的平均準確率為 67%,與一般人水準相當。
系統準確率與一般人相當,關鍵是耳朵張開的幅度
結果表明,判斷綿羊疼痛等級最有效的衡量指標是耳朵,更準確的說,是每只耳朵張開的幅度。
(左)面部地標定位,p1~ p8 標注出了每只綿羊面部的 8 個地標。(右)資料歸一化後的情況,相應地標用表示特徵的方框標注出來。
為了更好地說明情況,我們結合此前相關研究的圖像可以一探究竟。
下面兩張圖來自去年發表於 Elsevier 旗下期刊《動物行為應用科學》(Applied Animal Behavior Science)的一篇論文[1]。
由圖中可見,在不同種類的綿羊當中,疼痛時耳朵張開的角度基本保持一致。
論文介紹
使用面部動作單元檢測評估綿羊疼痛水準
摘要
評估動物的疼痛水準是維持動物福利的關鍵,但該過程十分耗費時間。羊的面部表情是有效評估其疼痛水準的可靠指標。在本文中,我們將識別人臉表情的技術擴展到識別綿羊的面部動作單元中,從而實現了根據羊臉表情自動評估綿羊的疼痛水準。我們的方法包含多個層次,首先對綿羊臉部進行檢測,定位面部地標(landmark),對資料歸一化(normallisation)後提取面部特徵。這些特徵用定向梯度的長條圖表示,然後使用支持向量機進行分類。實驗顯示,系統對綿羊面部動作單元(Action Unit)分類的總體準確度為67%。我們認為,如果有更多的資料,這一疼痛水準自動評估方法可以推廣應用於其他動物。
論文地址:http://www.cl.cam.ac.uk/~pr10/publications/fg17.pdf
參考資料
[1] C. Häger et. al., The Sheep Grimace Scale as an indicator of post-operative distress and pain in laboratory sheep. PLoS ONE 12(4):e0175839 · April 2017
[2] Corrigendum to “Development of a facial expression scale using footrot and mastitis as models of pain in sheep” [Appl. Anim. Behav. Sci. 176C (2016) 19–26] McLennan, Krista M. et al. Applied Animal Behaviour Science , Volume 179 , 105 - 107
研究人員根據 SPFES 手工標注的一些綿羊面部 AU 資料。
研究人員將這些資料的 90% 作為訓練資料,剩下 10% 作為測試資料,訓練了一個機器學習演算法。
最終得到的“綿羊面部表情自動識別系統”,識別 AU 的平均準確率為 67%,與一般人水準相當。
系統準確率與一般人相當,關鍵是耳朵張開的幅度
結果表明,判斷綿羊疼痛等級最有效的衡量指標是耳朵,更準確的說,是每只耳朵張開的幅度。
(左)面部地標定位,p1~ p8 標注出了每只綿羊面部的 8 個地標。(右)資料歸一化後的情況,相應地標用表示特徵的方框標注出來。
為了更好地說明情況,我們結合此前相關研究的圖像可以一探究竟。
下面兩張圖來自去年發表於 Elsevier 旗下期刊《動物行為應用科學》(Applied Animal Behavior Science)的一篇論文[1]。
由圖中可見,在不同種類的綿羊當中,疼痛時耳朵張開的角度基本保持一致。
論文介紹
使用面部動作單元檢測評估綿羊疼痛水準
摘要
評估動物的疼痛水準是維持動物福利的關鍵,但該過程十分耗費時間。羊的面部表情是有效評估其疼痛水準的可靠指標。在本文中,我們將識別人臉表情的技術擴展到識別綿羊的面部動作單元中,從而實現了根據羊臉表情自動評估綿羊的疼痛水準。我們的方法包含多個層次,首先對綿羊臉部進行檢測,定位面部地標(landmark),對資料歸一化(normallisation)後提取面部特徵。這些特徵用定向梯度的長條圖表示,然後使用支持向量機進行分類。實驗顯示,系統對綿羊面部動作單元(Action Unit)分類的總體準確度為67%。我們認為,如果有更多的資料,這一疼痛水準自動評估方法可以推廣應用於其他動物。
論文地址:http://www.cl.cam.ac.uk/~pr10/publications/fg17.pdf
參考資料
[1] C. Häger et. al., The Sheep Grimace Scale as an indicator of post-operative distress and pain in laboratory sheep. PLoS ONE 12(4):e0175839 · April 2017
[2] Corrigendum to “Development of a facial expression scale using footrot and mastitis as models of pain in sheep” [Appl. Anim. Behav. Sci. 176C (2016) 19–26] McLennan, Krista M. et al. Applied Animal Behaviour Science , Volume 179 , 105 - 107