AI 豬臉識別?為你揭秘養豬中的黑科技!

提到「養豬場」,你的第一反應會是什麼?

偏遠的郊區,用籬笆圍出一片場地,裡面圈養著許多豬崽,飼養員抱著一個大籮筐走來,掂起勺子,向木製的槽口中撒下飼料,豬崽們便哼唧哼唧得擠上前來,拱著鼻子相互奪食?

似乎在我們的傳統觀念中,養豬就是這樣的,從凌亂髒汙的環境,到洗圈餵食的勞作,無一不裹挾著舊年代的氣息,蒙上老照片般褪黃的色影。

可如果,我告訴你,很多小豬其實都已經住進了智慧化樓房,甚至每天刷臉進餐,還能享受音樂按摩呢?

某樓房養豬實拍圖(圖源:作者)

某樓房養豬實拍圖(圖源:作者)

是不是,沒想到!

事實上,隨著人工智慧和物聯網的蓬勃發展,國內的生豬養殖業正在進行著巨大變革。除了改善豬崽的生長環境,豬場還嘗試了一系列的黑科技,比如:

AI豬臉識別?

無線射頻自動飼餵機?

奈米合成豬飼料…?

接下來,就讓我們一起走近智慧化豬場,來看看這些科技,究竟有多「黑」?

01

AI豬臉識別

不知道你有沒有留意過,同一品種的小豬豬,都長得十分相像。

我們必須對每一隻小豬都進行體重、進食量等資料的追蹤記錄,才能判斷它的生長狀態,可如果只靠飼養員的肉眼去分辨,那幾乎是不可能分清成百上千頭豬豬的,因此,對每頭豬進行身份識別是必需的。

在以往的養豬過程中,一般是在豬耳朵上做標記,但這種方法需要人工記錄所有資料,效率很低,也很容易出錯。

為了解決這一傳統困境,我們想到了將臉部辨識的相關技術遷移至豬臉識別,但就像剛剛提到的那樣,豬的近親繁殖使得個體相似度很高,無形中提高了計算機視覺演算法的技術壁壘,因此,豬臉識別技術,似乎就像是一場夢。

讓人驚喜的是,近年來,隨著深度學習技術的發展,豬臉識別演算法終於有了質的突破,一些大型養殖場甚至開始引入了豬臉識別系統。

智慧化豬舍實拍圖(圖源:作者)

智慧化豬舍實拍圖(圖源:作者)

那麼,聽上去如此神奇的豬臉識別系統,到底是怎麼運行的呢?

首先,現在的智慧化養豬場會給每頭豬創建一個動態雲端資料庫,對它們進行2-3段的視訊拍攝,由演算法提取有效的身份資訊,生成一串對應的電子ID,儲存在資料庫中。

這也就意味著,這些豬崽也擁有了自己的身份證號,是不是很厲害!

在給小豬崽們辦理好身份證後,還需要在豬舍頂端安裝軌道機器人,機器人會沿著軌道,定時定點巡邏,使用前端配置的攝像頭,對豬臉進行掃描採集,將信號轉化為數字信號,利用卷積神經網路演算法,提取出豬臉中的重要特徵,然後和預先儲存的豬臉資訊進行匹配,篩選出擬合程度最高的一組資料,從而確定最終的電子ID,這樣,就可以識別出這到底是哪一隻小豬。

識別出身份以後,再配合各類傳感器,記錄下小豬的重量、體溫、進食量等資訊,自動上傳到雲端,將一些重要數值顯示在中央控制面板上,從而實現無接觸式的實時監控。

2018年8月,非洲豬瘟疫情在我國首次爆發,之後影響持續擴散,上億頭豬崽感染瘟疫去世,很多豬場都因此處於破產倒閉的邊緣,更讓人揪心的是,疫苗至今還在研發中,非洲豬瘟仍未得到徹底的解決。

就在這樣的緊迫關頭,一些大型豬場大膽嘗試,引進了豬臉識別技術,人為設定體溫、進食量等參數的閾值後,由系統自動識別出體溫異常、食慾不振的豬崽,再由中央控制面板進行自動報警,工作人員看到紅色預警後,就可以在第一時間,對這些被標了‘黃碼’的豬崽進行隔離和檢測,確定他們是否真的感染了瘟疫。

因此,從某種程度上來說,豬肉價格逐漸回落到正常狀態,這裡面也有豬臉識別的一份功勞。

02

無線射頻

由於技術門檻較高,引入整套的豬臉識別技術,需要不少資金的投入,因此目前還沒有被養豬場大規模使用。但是,接下來要介紹的無線射頻技術,可以說是已經比較成熟了,可能你也早有耳聞,畢竟早在二十一世紀初,它就在物流管理、交通監控等領域被廣泛應用了,只不過對於生豬養殖而言,還是比較新鮮的玩意兒。

一般來說,最基本的無線射頻識別(Radio Frequency Identification)系統,主要包括射頻卡和讀寫器兩部分。射頻卡中含有一塊晶片,用於儲存識別資訊和資料,晶片外圍則連接著天線。讀寫器包括收發天線、收發模組和控制電路,能夠在一個指定區域內向外輻射電磁波,當射頻卡經過該區域的時候,就會接收讀寫器發射出的電磁波併產生感應電流,將儲存的編碼資訊以無線電波的形式傳送給讀寫器,由讀寫器對接收的信號進行解調解碼,發送給中央管理伺服器。

RFID感應技術基本原理圖(圖源:參考文獻4)

基於這樣的無線射頻技術,各大養豬場開始引入各種自動化設備,我們就以生豬自動飼餵儀器為例,來看看它的運作原理。

首先,需要在每隻豬崽的耳朵上打洞穿孔,佩戴電子耳標,這個電子耳標就是上文所說的「射頻卡」。

接著,當豬崽需要進食的時候,就從進食定位欄入口進入,來到自動投餵裝置的面前。等感受到豬崽的靠近後,裝置上方的讀卡器就開始自動讀取它們的電子耳標,提取該生豬的身份資訊,反饋給中央管理器。系統根據這隻生豬的身體資料記錄,對自動投餵裝置發出指令,為該豬崽投放特定的種類和數量的飼料,等豬崽進食完畢,從定位欄出口出去後,系統再自動識別出食槽內剩餘的重量,計算出豬崽的進食量後上傳記錄。

豬舍中的自動飼餵儀實拍圖(圖源:作者)

豬舍中的自動飼餵儀實拍圖(圖源:作者)

仔細對比就會發現,這和豬臉識別有異曲同工之妙,最關鍵的地方都在於想辦法識別出豬崽的身份,並記錄相關資料,只不過無線射頻技術的投入成本會小很多。但由於需要在豬耳朵上強制性植入電子耳標,這就容易引起豬崽的不適。

就像狗狗總喜歡蹭著牆角,把我們給它們穿上的小衣服脫掉一樣,豬崽將標籤磨爛咬斷的情況也時有發生,嚴重的還會造成耳朵的局部感染。

如果說,在豬崽上植入電子標籤的方式,還存在上面提到的一些弊端的話,在豬飼料加工過程中,運用無線射頻技術,就完全沒有這種擔憂了。

換句話說,現在就連生豬吃的這些飼料,也是利用無線射頻技術,實現全自動化生產。傳統的飼料加工廠房內,一般需要多名員工在流水線上,對每一種原料進行登記稱量,按照比例投放入儀器中加工合成,不僅費時費力,而且難以精準把握投放的數量,嚴重的失誤操作可能會有粉塵爆炸等風險。

豬飼料加工中RFID應用示意圖(圖源:作者)

如今,利用無線射頻技術,就可以將每種原料都匹配上電子射頻卡,在投料倉安裝讀取器,當原料進入投料倉時,自動讀取原料資訊並分配計量秤,按配方需求進行混合加工,最後自動包裝並列印標籤,並將結果上傳資料庫。由於每一種原料都有自己的電子ID,每一步都有資料記錄,所以如果最後有飼料出現了問題,就可以通過查詢加工記錄,追根溯源,實現智慧風控。

03

奈米合成

既然都提到了飼料加工,那就不得不說一說,現在的「奈米級豬飼料」。沒錯,豬飼料也不再是曾經黃色的粉末狀粗糙顆粒,很多飼料添加劑都融入了奈米合成技術,尤其是維生素,顆粒直徑可以達到百奈米級別。

豬崽的健康生長需要各種維生素,因此維生素在豬飼料配方中是必不可缺的一種添加劑,但一般的維生素在空中易氧化水解,最終被母豬吸收的利用率很低,而試驗研究表明,奈米級液體維生素更容易被吸收,可以顯著提高母豬的繁殖性能,改善豬肉肉質。

這種奈米級液體維生素,在加工過程中,主要利用了奈米技術和微乳工藝,同時使用由磷脂、膽固醇和蛋白組成的仿生物膜,對維生素進行瞬間生物膜深層次包埋,形成粒徑在30-100奈米級化自組裝結構。由於具有優良的生物親和力,使得奈米級維生素能夠快捷跨膜吸收,提高利用率。

為了驗證現在的豬飼料維生素是否真的達到了奈米量級,小編聯繫了一家飼料生產商,拿到了兩種維生素樣品,分別是奈米制劑和普通乳劑。理論上而言,兩者的區別主要有以下這幾點:

圖源:作者

圖源:作者

丁達爾效應是指:當波長在400-700nm範圍內的可見光,通過直徑在1-100nm左右的膠體時,光束被其中懸浮的顆粒散射,使得光向四面八方傳播,於是從垂直入射光方向就可以觀察到膠體中出現一條光亮的「通路」。簡單來說就是,光在膠體中的散射,使得光路「可見」。

基於此原理,我們首先用丁達爾效應去簡單驗證一下,下面是實驗對比結果:

丁達爾效應實驗對比圖 (圖源:網路)

丁達爾效應實驗對比圖 (圖源:網路)

左邊乳白色的,是普通維生素乳劑,右邊淡黃色的,是奈米級維生素水溶液,當我們用波長為650nm的紅色鐳射筆去照射這兩種樣品時,奈米級液體維生素出現了一條明顯的完整光路,普通乳中也出現了一段光路,但是光路短且不清晰,透光性比較差,原因是它們的顆粒尺寸較大,對光的阻礙較多,所以產生的光路很短。

由此,可以初步判斷,奈米級液體維生素的顆粒尺寸,大概在幾百奈米量級,為了更加精確得判斷,我們對樣品進行了特殊制樣,接著在掃描電子顯微鏡下觀察了顆粒的形貌,得到的SEM掃描圖如下:

圖源:作者

圖源:作者

左圖是用比較小的放大倍率,在大視野範圍下觀察樣品形態,每單位標尺是0.5μm,可以發現被紅框圈出的顆粒直徑在500奈米以下,為了更精確得出它的直徑大小,我們對此區域進行放大觀察,得到右圖,每單位標尺是0.2 μm,這個顆粒直徑大約是半個標尺,也就是在100奈米左右。

由此可見,所謂的「奈米級豬飼料」確實名副其實,並不只是一種銷售噱頭。

現在,想必大家對養豬的印象一定是大有不同了!

如此說來,老人家弓著身子,在葡萄藤下挑揀出癟的玉米粒,和家中的剩菜剩飯攪拌在一起裝桶,蹣跚著走向豬圈的場景,難免會離我們越來越遠,最終被定格在泛黃的老照片中,烙上獨有的年代印記。

也許你會唏噓一箇舊時代的逝去,也許你會期許一個新時代的降臨。

我們很難去說清,對於這樣的科技發展,究竟懷有怎樣複雜的情感,但也許,這就是生活的本質。

我們不妨暢想一下,未來的養豬場會是什麼樣子,也許會有小型飛行器,載著小豬在空中飛?

參考文獻:

[1]秦興,宋各方.基於雙線性卷積神經網路的豬臉識別演算法[J].杭州電子科技大學學報(自然科學版),2019,39(02):12-17.

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[3]李嬌,賈鴻儒,王緣,郭曉紅.不同劑型維生素複合物對豬肉質的影響[J].畜牧獸醫科技資訊,2020(09):41-42.

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