機(jī)器之心報(bào)道
編輯：張倩
一位俄羅斯博士用樹(shù)莓派做了個(gè)「激光蚊子炮」，真的能打到嗎？
蚊子這種體積小小的生物極其令人厭惡，雖然人類發(fā)明了電蚊香、滅蚊燈等各式各樣的滅蚊工具，但蚊子對(duì)人類的困擾始終就在那里——「揮之不去」。
或許是討厭的蚊子惹惱了「硬核的」科研工作者，他們開(kāi)始了自己獨(dú)特的滅蚊行動(dòng)。近日，俄羅斯南烏拉爾國(guó)立大學(xué)的博士 Ildar Rakhmatulin 就創(chuàng)建了一個(gè)樹(shù)莓派機(jī)器，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)蚊子，并使用激光燒死它們。
具體而言，該機(jī)器基于 Raspberry Pi 3 Model B + 構(gòu)建，并安裝了一個(gè)配有索尼 IMX219 圖像傳感器、電流計(jì)和 1W 功率激光器的專用攝像模組，原型機(jī)如下圖所示：
1：攝像頭；2：電流計(jì)；3：Raspberry Pi 3；4：激光測(cè)距儀；5：激光器；6：電源；7：馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器；8：電子信號(hào)處理板；9：裝蚊子的盒子。
Ildar Rakhmatulin 表示，他的這個(gè)想法其實(shí)來(lái)自美國(guó)的一位天體物理學(xué)家——Lowell Wood，后者在上世紀(jì)八十年代就提出了利用激光進(jìn)行蚊蟲(chóng)（如瘧蚊）防治的方法，但是由于技術(shù)過(guò)于復(fù)雜，這一想法一直沒(méi)有付諸實(shí)踐。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，Ildar Rakhmatulin 似乎找到了新的方向。
論文鏈接：https://www.preprints.org/manuscript/202101.0412/v1
遺憾的是，Ildar Rakhmatulin 沒(méi)有拍攝使用激光燒死蚊子的視頻，只上傳了一段調(diào)整激光電流計(jì)（galvanometer adjusting）的視頻，如下所示：
Rakhmatulin 表示，這個(gè)激光滅蚊系統(tǒng)的好處在于：1）它可以在戶外使用，有風(fēng)也沒(méi)關(guān)系；2）為房子里的人或戶外旅行者創(chuàng)建一個(gè)不受蚊子侵襲的安全區(qū)域；3）如果加以改進(jìn)，覆蓋范圍可能很大；4）可以移動(dòng)使用。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于某些蚊蟲(chóng)類傳染病肆虐的地區(qū)可能非常有意義。
當(dāng)然，這套機(jī)器不僅僅是用來(lái)打蚊子的。Ildar Rakhmatulin 在論文中表示，它可以作為無(wú)人機(jī)的一部分來(lái)使用，任何害蟲(chóng)都可以被納入打擊對(duì)象。為了證明這一說(shuō)法，他還在論文中給出了具體的實(shí)現(xiàn)建議。
用激光打蚊子，怎么打？
這一激光滅蚊系統(tǒng)的工作流程如下圖所示。首先，利用攝像頭及系統(tǒng)內(nèi)置的算法確定蚊子的位置并算出它的坐標(biāo)，然后將這一坐標(biāo)傳遞給電流計(jì)。在發(fā)射之前，電流計(jì)可以借助鏡子來(lái)改變激光的方向，從而瞄準(zhǔn)蚊子。在激光發(fā)出之后，如果蚊子被打中，系統(tǒng)將開(kāi)始新一輪的工作，如果沒(méi)有，系統(tǒng)將重新計(jì)算蚊子的坐標(biāo)并進(jìn)行再次打擊。考慮到蚊子的運(yùn)動(dòng)軌跡比較多變，研究者還分析了影響蚊子飛行的各種因素（比如氣味、風(fēng)速等），并列出了一個(gè)預(yù)測(cè)蚊子軌跡的公式。
這一過(guò)程看似簡(jiǎn)單，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)頗有難度，尤其是蚊子這種小昆蟲(chóng)的有效檢測(cè)和追蹤。
在實(shí)時(shí)檢測(cè)階段，作者考慮過(guò)在樹(shù)莓派上使用預(yù)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)模型，但由于樹(shù)莓派的內(nèi)存和處理速度都非常有限，這一想法只能作罷。SqueezeNet 倒是可以將模型權(quán)重降至 5MB，但處理圖像要花 1 秒的時(shí)間，R-CNN、Faster R-CNN、Yolo、 RetinaNet 也都存在類似的問(wèn)題。因此，作者必須找到一種可以在樹(shù)莓派上部署的方法。最后，他選擇了 OpenCV 中的目標(biāo)追蹤函數(shù)。
與檢測(cè)相比，目標(biāo)追蹤的速度要更快。下圖 1 顯示了幾種不同的蚊子追蹤方法（TrackerCSRT 函數(shù)的追蹤效果比較出色）。
幾種方法在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)如下圖所示：
從中可以看出，最好的方法追蹤成功率也才達(dá)到 76%。不過(guò)，作者表示，這只是一個(gè)小小的嘗試，主要就是為了證明用激光打蚊子的可行性。如果真要部署到無(wú)人機(jī)等設(shè)備上，整個(gè)系統(tǒng)從硬件到軟件都得升級(jí)。
激光打蚊子，靠譜嗎
正如 Ildar Rakhmatulin 所說(shuō)，用激光打蚊子的想法并不是他首創(chuàng)的，幾十年前就有人提了出來(lái)，而且提出的人也沒(méi)有放棄。
這個(gè)人就是 Lowell Wood，他在 20 世紀(jì) 80 年曾協(xié)助設(shè)計(jì)過(guò)冷戰(zhàn)時(shí)期星球大戰(zhàn)的激光罩，保護(hù)美國(guó)免受蘇聯(lián)導(dǎo)彈襲擊。后來(lái)，他加入了微軟前工程師 Nathan Myhrvold 創(chuàng)立的 Intellectual Ventures 公司。Intellectual Ventures 是一家很有爭(zhēng)議的公司，他們通過(guò)購(gòu)買(mǎi)等手段儲(chǔ)備了數(shù)萬(wàn)份專利，然后向使用這些專利的人收取費(fèi)用，有時(shí)候還會(huì)打官司（有人稱其為專利流氓）。
2010 年，Intellectual Ventures 推出了 Lowell Wood 參與設(shè)計(jì)的激光滅蚊機(jī)器——Photonic Fence，主要用途是殺死瘧蚊，消除瘧疾。
這套機(jī)器利用紅外線 LED 燈發(fā)射出的光線和反光板共同形成了滅蚊區(qū)域，并用數(shù)碼相機(jī)中用到的電荷耦合器件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一旦監(jiān)測(cè)到蚊子飛入該區(qū)域，激光炮就會(huì)向蚊子發(fā)射出不致命的檢測(cè)激光，用來(lái)檢測(cè)蚊子的大小以及振翅頻率。設(shè)備中特制的軟件可以根據(jù)檢測(cè)激光收集到的信息對(duì)蚊子進(jìn)行識(shí)別，最終判斷出它的種類甚至是性別，因?yàn)椴煌N類、不同性別的蚊子，他們振翅頻率都是有所不同的。軟件一旦識(shí)別出攻擊目標(biāo)，就會(huì)進(jìn)行安全檢查，確保攻擊目標(biāo)前沒(méi)有障礙物。安全檢查完畢后，才會(huì)發(fā)射出攻擊激光將蚊子擊落。
2010 年 2 月，Myhrvold 在 TED 會(huì)議上對(duì)這一裝置進(jìn)行了演示。同年，《時(shí)代周刊》將其評(píng)選為 2010 年最佳發(fā)明之一，同時(shí)上榜的還有蘋(píng)果的 iPad。
無(wú)獨(dú)有偶，國(guó)內(nèi)一家創(chuàng)業(yè)公司幾年前也進(jìn)行過(guò)這方面的宣傳，聲稱可以利用激光雷達(dá)技術(shù)定位蚊子并發(fā)射激光將其殺死。據(jù)報(bào)道，該滅蚊設(shè)備主要是利用了兩種激光雷達(dá)技術(shù)的融合。其中在室內(nèi)主要用的是基于三角測(cè)距原理開(kāi)發(fā)的激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位，而在室外則采用基于遠(yuǎn)距離探測(cè)的 TOF（時(shí)間飛行法）激光雷達(dá)。這款產(chǎn)品可以從復(fù)雜的環(huán)境背景下對(duì)微小的目標(biāo)，如蚊子、蒼蠅等進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別、動(dòng)態(tài)跟蹤、鎖定然后進(jìn)行持續(xù)打擊消滅。為了避免對(duì)人眼造成傷害，該公司還表示會(huì)在設(shè)備上增加人臉識(shí)別裝置。
但遺憾的是，這么多年過(guò)去了，兩款「激光蚊子炮」都沒(méi)有成功走入大眾視野。
十年間，有不少人陸陸續(xù)續(xù)去 Intellectual Ventures 的 YouTube 視頻評(píng)論區(qū)追問(wèn)最新進(jìn)展，但都沒(méi)有得到回應(yīng)。
2017 年，美國(guó)媒體《Intelligencer》的記者曾探訪過(guò) Intellectual Ventures 的實(shí)驗(yàn)室，也見(jiàn)到了 Myhrvold。Myhrvold 表示，「很多人都會(huì)打量一下這項(xiàng)技術(shù)，」但沒(méi)有人真正決定投資。畢竟，真正把這個(gè)東西做出來(lái)還是挺難的。研究人員花了數(shù)年時(shí)間才弄清楚如何持續(xù)追蹤和識(shí)別一種特定類型的昆蟲(chóng)，然后安全有效地將其消滅。最重要的是，還沒(méi)有人能將這套裝置的價(jià)格降到普通人可以接受的程度，尤其是在那些需要它的瘧蚊肆虐的地區(qū)。
