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文 | 曹培信
今年是2020年的第一天，我们来讲点喜事。
大熊猫是我国的国宝，作为中国的独有物种，大熊猫以它憨态可掬的形象深得人心，今年11月，2019年共繁殖大熊猫37胎60只，存活57只，全球圈养大熊猫数量达到600只。
不得不说，这57只熊猫宝宝，实在是来之不易，数据也表明了，大熊猫之所以数量这么少，除了它们对栖息环境、食物等要求高之外，繁殖率低也是一个重要原因。
为什么大熊猫生宝宝如此之难？有许多专家专门对此做了研究，根据研究，在一年里雄性大熊猫的繁殖有效期是六个月或更长，而雌性大熊猫的发情期只有一至三天，而就在这短短的窗口期中，饲养员要判断大熊猫有没有交配成功，才能在第一时间采取下一步行动。
如何判断大熊猫的交配情况，并不是一件容易的事。
传统的大熊猫发情的确定和交配结果的确认（即交配成功与否）都是基于对其激素分泌的评估，这种评估操作复杂，且不能实时提供结果。
新的突破来了，来自四川大学计算机系和成都大熊猫繁育基地的研究人员们的最近的研究表明，大熊猫在繁殖季节会有特殊的发声行为，这为分析大熊猫交配成功与否提供了新的机会。
不用窥视，就知道国宝交配成功与否
以往判断大熊猫交配是否成功，只能通过最传统的方式——观察。
尽管配有摄像头，但是由于角度的原因，一个在边上“窥视”的饲养员还是非常必要的，所以大熊猫交配的场景一般是这样。
尽管大熊猫以与人亲近著称，但是这样的窥视也或多或少也给了大熊猫们一些压力。
有没有其他方式来观察大熊猫的交配情况呢？
一些研究表明，声音一直是动物表达情绪的一种手段，尽管大熊猫是一种比较安静的动物，但是其在繁殖季节会发出更多的声音，这表明声音对于协调它们的繁殖和表达交配偏好至关重要。
Benjamin D.Charlton等人就在研究中发现，交配成功的大熊猫会发出一种积极的声音，表现出良好的交配意向，而咆哮和吠叫通常表示拒绝。在研究中，他们手工定义了不同类型的声调，并使用聚类方法根据手工收集的声学特征将发声数据分为五类。
尽管他们的研究也证明了大熊猫的发声行为与交配结果有很高的相关性，但却没有为大熊猫交配成功预测提供自动解决方案。
但是这个结论却给了四川大学和成都大熊猫繁育基地的研究人员灵感，他们尝试借助深度学习来分析大熊猫交配时发出的声音，以分辨大熊猫交配成功与否。
国宝交配辨别难，深度学习来帮忙
来自四川大学和成都大熊猫繁育基地的研究人员首先注意到了语音识别方法在野生动物保护中的应用，因此他们将此问题作为语音情感识别（SER）问题来处理。
但是他们没有使用手工提取的特征和人工定义的发声类型，而是使用一个深度网络来学习不同的发声特征。
研究人员首先记录的大熊猫交配过程中的双轨音频序列，然后在给定原始音频序列的情况下，对大熊猫声带进行分段预处理，将其幅度标准化为预先指定的最大值和其长度为2秒，并提取每秒43个声学特征。
之后，是采用深度网络来学习更具辨别力人音声特征，并根据每个帧的特征来预测匹配成功或失败的概率。对于输入音频序列，通过对所有帧的概率求和得到最终的预测结果如结总体为成体概率较，则将其匹配结果归类为的成功
数据集来自9年的大熊猫繁殖声音，准确度近90%
从结果来看，匹配的精确度还是比较高的，可以达到89.9%±9.1%，这主要得益于研究人员采取的神经网络——“CGANet”，“C”、“G”和“A”分别代表卷积模块、双向GRU（门控递归单元）模块和注意力模块。
当不同的特征被用作输入时，模型的性能，其中最好的结果以粗体显示。
实验的数据集也来之不易，从2011年开始，成都大熊猫繁育研究基地就开始手机收集13只圈养大熊猫繁殖季节的发声，共获得138分钟有效大熊猫发声，其中成功交配声持续72分钟左右，失败交配声持续66分钟。
研究人员从这些数据中构建了一组由2016个成功交配的音频片段和1859个失败交配的音频片段的数据，而后随机地将交配成功和失败的数据分别分成五个子集，并进行了五次交叉验证评估，在每个实验中，四个子集用于训练，另一个子集用于测试。
新年新气象，愿大熊猫多生娃
2019年过去了，2020年正式开启，尽管整个2019年，全国才繁殖大熊猫37胎60只，存活57只，但是这个数据已经相当喜人了，同比2018年，圈养大熊猫数量净增52只，增长率为9.31%。
保护大熊猫也催生了许多生物技术的发展，以成都大熊猫繁育研究基地等为主体的各地的圈养大熊猫科研繁育机构，也建立了四川省濒危野生动物保护生物学重点实验室，还与数十家国际保护机构和组织建立了科研合作关系，累计取得了近百项国家专利和重大科技成果。
成都大熊猫繁育研究基地也接连攻克了大熊猫配种、繁殖、育幼方面的难题，并通过全国大熊猫繁育配对，推动基因交流，进一步加强了大熊猫遗传学研究与管理。
现在，又有了人工智能来帮助辨别交配情况，希望国宝们在2020年更加努力，多让模型给出positive，多生几只娃！
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