Phân tích dấu chân động vật trên tuyết bằng computer vision

Để hình dung trực quan các khái niệm được đề cập trong bài viết này, hãy xem video bên dưới.

Tuyết, giống như các bề mặt tự nhiên khác, có thể lưu lại dấu vết hoạt động của động vật hoang dã. Chẳng hạn, dấu chân để lại trên tuyết có thể cho thấy những loài động vật nào đã đi qua, chúng di chuyển ra sao và đang làm gì.

Trong nhiều thập kỷ, người đi bộ đường dài, thợ săn và các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu những dấu chân này để tìm hiểu thêm về hành vi của động vật hoang dã. Tuy nhiên, quá trình này không phải lúc nào cũng đáng tin cậy. Tuyết có thể xê dịch, gió có thể làm mờ các chi tiết, còn những dấu chân chồng lấn có thể khiến việc nhận dạng trở nên khó khăn. Ngay cả những người quan sát được đào tạo cũng có thể bỏ sót các pattern quan trọng.

Hình 1. Dấu chân báo được lưu giữ trên lớp tuyết mới rơi. (Nguồn)

Những tiến bộ công nghệ hiện đang giúp việc diễn giải các dấu hiệu này trở nên dễ dàng hơn. Cụ thể, thị giác máy tính, một nhánh của AI cho phép máy móc phân tích dữ liệu hình ảnh với độ chính xác và tốc độ cao, có thể được sử dụng để phát hiện và tìm hiểu dấu chân động vật. Chẳng hạn, các model như Ultralytics YOLO11 có thể được huấn luyện để phát hiện hình dạng và pattern trong hình ảnh dấu chân động vật.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách dấu chân động vật được lưu giữ trong tuyết, những thông tin chúng tiết lộ về động vật hoang dã và cách thị giác máy tính giúp việc theo dõi trở nên hiệu quả hơn.

Tầm quan trọng của dấu chân động vật trong tuyết#

Dấu chân động vật là những dấu lõm để lại khi động vật di chuyển trên các bề mặt như tuyết, đất hoặc bùn. Trong điều kiện tuyết phù hợp, những dấu chân này thường lưu giữ các chi tiết sắc nét hơn, chẳng hạn như dấu móng vuốt, đệm ngón chân và sự khác biệt giữa chân trước và chân sau, vốn khó phát hiện hơn trên đất hoặc cỏ.

Hình 2. Dấu chân động vật trên các bề mặt khác nhau. (Nguồn)

Ngoài việc xác định loài, khoảng cách, cách sắp xếp và những biến đổi nhỏ trong dấu chân có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu nhiều thông tin về chuyển động, hành vi và sự tương tác với môi trường, mang đến cho các nhà nghiên cứu, người đi bộ đường dài và những người yêu thích động vật hoang dã các hiểu biết giá trị về hoạt động của động vật.

Dưới đây là một số đặc điểm chính mà các nhà nghiên cứu tìm kiếm khi đọc dấu chân:

• Chân trước và chân sau: Sự khác biệt về kích thước và hình dạng giữa bàn chân trước và chân sau phản ánh cách động vật phân bổ trọng lượng và di chuyển trong môi trường sống.
• Dấu bàn chân hoặc dấu chân động vật: Đường viền tổng thể và kích thước của dấu chân giúp xác định loài nào đã tạo ra dấu vết đó.
• Dấu móng vuốt: Dấu chân của các loài thuộc họ chó, chẳng hạn như chó sói đồng cỏ, cáo và chó, thường có dấu móng vuốt, trong khi dấu chân của các loài thuộc họ mèo, bao gồm linh miêu, mèo nhà và sư tử núi, thường không có, trừ khi chúng đang chạy hoặc di chuyển trên mặt đất trơn trượt.
• Pattern dấu chân: Cách sắp xếp dấu chân có thể tiết lộ hành vi động vật, trong đó chó sói đồng cỏ và cáo thường để lại vệt dấu chân theo đường thẳng, còn chó nhà có xu hướng di chuyển theo đường ziczac.
• Khoảng cách hai bên và vệt kéo: Khoảng cách giữa dấu chân bên trái và bên phải (straddle) thay đổi tùy theo loài và dáng đi, đồng thời những thay đổi trong straddle có thể cho thấy tốc độ di chuyển hoặc sự thận trọng; trong khi đó, các vệt kéo do đuôi, bụng hoặc con mồi để lại cung cấp thêm manh mối về hoạt động.

Nhận dạng dấu chân động vật trong tuyết#

Mỗi dấu chân trong tuyết đều kể một phần câu chuyện về một con vật. Kích thước và hình dạng của từng dấu chân, sự khác biệt giữa chân trước và chân sau, cùng sự hiện diện hoặc vắng mặt của dấu móng vuốt có thể tiết lộ loài, dáng đi và cách phân bổ trọng lượng. Ví dụ, cáo và chó sói đồng cỏ thường để lại dấu móng vuốt rõ ràng, trong khi linh miêu và sư tử núi thường không có.

Dấu chân hiếm khi xuất hiện riêng lẻ. Những manh mối như phân, mảnh lông, vệt kéo của đuôi hoặc lối vào hang gần đó thường bổ sung bối cảnh quan trọng. Vì điều kiện tuyết và các vệt dấu chồng lấn có thể làm mờ chi tiết, người theo dõi dựa vào nhiều dấu hiệu kết hợp để xây dựng bức tranh rõ ràng hơn. Cách các dấu chân được sắp xếp trên tuyết đặc biệt hữu ích, không chỉ cho thấy động vật đã đi đâu mà còn cho biết nó đã di chuyển và cư xử như thế nào.

Dưới đây là một số pattern dấu chân động vật phổ biến được tìm thấy trong tuyết:

• Loài nhảy: Thỏ và thỏ chân tuyết dùng đôi chân sau khỏe để bật đi, để lại dấu chân sau lớn ở phía trước các dấu chân trước nhỏ hơn. Trong lớp tuyết dày, thỏ chân tuyết tạo ra những vệt dấu đặc biệt dài.
• Loài bật nhảy: Chồn, chồn thông, chồn vizon và chuột xạ hương bật về phía trước bằng cả chân trước lẫn chân sau cùng lúc, tạo thành pattern lặp lại theo cụm hai-bởi-hai.
• Loài bước chậm: Gấu mèo, chồn hôi, hải ly, nhím và gấu đen di chuyển chậm, để lại những dấu chân rộng với các dấu móng vuốt rõ ràng.
• Loài đặt chân chính xác: Cáo và chó sói đồng cỏ đặt chân sau gần như đúng vị trí chân trước đã chạm xuống, tạo thành các đường thẳng. Chó sói đồng cỏ có xu hướng di chuyển theo đường trực tiếp, còn chó nhà đi lang thang theo các đường ziczac.

Những thách thức khi diễn giải dấu chân động vật trong tuyết#

Mặc dù có nhiều manh mối liên quan đến dấu chân, việc theo dõi động vật trong tuyết vẫn có thể phức tạp. Điều kiện tuyết ảnh hưởng đến hình dạng dấu chân: tuyết mới rơi bảo toàn chi tiết, trong khi tuyết đóng váng, đang tan hoặc vừa rơi có thể làm biến dạng hoặc che phủ dấu chân.

Thời tiết cũng đóng vai trò quan trọng, vì gió và ánh nắng có thể làm mờ các cạnh, còn những đường đi chồng lấn của nhiều loài động vật có thể gây nhầm lẫn. Ngoài ra, hành vi của động vật càng làm tăng tính khó đoán.

Một số loài, chẳng hạn như chồn hôi và gấu đen, ngủ đông vào mùa đông, trong khi những loài khác di chuyển thất thường hoặc quay lại đường đi cũ. Trong các khu rừng, dấu chân của hươu, nai sừng tấm hoặc nai Bắc Mỹ thường giao cắt với dấu chân của các loài động vật nhỏ hơn hoặc động vật săn mồi; các dấu hiệu bổ sung như phân, lông hoặc vệt kéo của đuôi được sử dụng để tìm hiểu chuyển động và hành vi.

Cách sử dụng thị giác máy tính để phát hiện dấu chân động vật#

Để xử lý những thách thức khi phân tích dấu chân động vật trong tuyết, các nhà nghiên cứu đang bắt đầu chuyển sang những công nghệ tiên tiến như thị giác máy tính. Chẳng hạn, họ đang nghiên cứu các model thị giác máy tính có thể phát hiện và định vị từng dấu chân, tách các dấu chân chồng lấn, thậm chí được huấn luyện trên các dataset tùy chỉnh để nhận dạng những đặc điểm đặc trưng của từng loài, chẳng hạn như dấu móng vuốt và pattern dáng đi.

Cụ thể, các model như Ultralytics YOLO11 hỗ trợ những tác vụ thị giác máy tính như object detection, có thể được sử dụng để xác định và định vị từng dấu bàn chân, và instance segmentation, có thể tách các dấu chân chồng lấn. Bằng cách huấn luyện một model như YOLO11 trên dataset tùy chỉnh gồm hình ảnh dấu chân động vật, các nhà nghiên cứu có thể nhận dạng pattern đặc trưng của từng loài dễ dàng hơn, phân biệt các dấu chân chồng lấn và tạo ra kết quả nhất quán hơn so với quan sát thủ công.

Thị giác máy tính và nghiên cứu phân tích dấu chân động vật#

Sau khi đã tìm hiểu cách thị giác máy tính có thể theo dõi dấu chân động vật, hãy cùng xem công nghệ này đang được ứng dụng như thế nào trong nghiên cứu thực tế.

Từ FIT đến các dataset mở#

Trong nhiều năm, phần lớn các nghiên cứu về dấu chân dựa vào Công nghệ Nhận dạng Dấu chân (FIT). FIT hoạt động bằng cách đánh dấu các điểm cụ thể trên mỗi dấu chân và sử dụng những phép đo đó để phân biệt các loài động vật. Mặc dù hiệu quả, quá trình này chậm, đòi hỏi các chuyên gia được đào tạo và không thực tế khi cần phân tích hàng nghìn dấu chân ngoài tự nhiên.

Một nghiên cứu gần đây về hổ Amur ở vùng Đông Bắc Trung Quốc đã chứng minh rằng FIT thậm chí có thể xác định từng cá thể dựa trên dấu chân trong tuyết, mang đến một phương pháp đáng tin cậy và không xâm lấn để theo dõi các loài động vật săn mồi có nguy cơ tuyệt chủng.

Hình 3. Dấu chân hổ trong tuyết. (Nguồn: sciencedirect.com)

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra những hạn chế của phương pháp này: nó tốn nhiều công sức và khó mở rộng quy mô. Quan trọng hơn, họ lưu ý rằng thị giác máy tính có thể tự động hóa quy trình này trong tương lai, giảm nhu cầu đo đạc thủ công đồng thời xử lý các dataset lớn hơn nhiều.

Sự chuyển đổi đó đã bắt đầu với những dự án như OpenAnimalTracks, một dataset công khai chứa hàng nghìn dấu chân được gán nhãn của 18 loài trên bùn, cát và tuyết. Với những tài nguyên như vậy, các model AI thị giác có thể được huấn luyện để tự động phát hiện và phân loại dấu chân, giúp giám sát động vật hoang dã nhanh chóng và dễ tiếp cận hơn.

Hình 4. Tổng quan về dataset OpenAnimalTracks (Nguồn)

Bằng cách xây dựng trên nền tảng của FIT và kết hợp chúng với các dataset mở cùng thị giác máy tính, nghiên cứu bảo tồn đang hướng tới các hệ thống có khả năng mở rộng, có thể theo dõi các loài và bảo vệ hệ sinh thái - mà không hề làm phiền chính những con vật đó.

Những điểm chính#

Dấu chân động vật trong tuyết cho thấy cách chúng di chuyển, cư xử và sử dụng môi trường sống. Đọc dấu chân thủ công đòi hỏi sự kiên nhẫn và kinh nghiệm, nhưng thị giác máy tính giúp quy trình này hiệu quả hơn. Việc sử dụng các công cụ như Ultralytics YOLO11 kết hợp với kiến thức của con người giúp tinh gọn hoạt động giám sát động vật hoang dã, hỗ trợ các nỗ lực bảo tồn và cung cấp dữ liệu hữu ích để bảo vệ các loài.

Hãy tham gia cộng đồng đang ngày càng phát triển của chúng tôi! Khám phá repository GitHub để tìm hiểu thêm về AI. Tìm hiểu về thị giác máy tính trong sản xuất và AI trong logistics bằng cách truy cập các trang giải pháp của chúng tôi. Để bắt đầu xây dựng với thị giác máy tính, hãy xem các tùy chọn cấp phép của chúng tôi.