Když neuronové sítě pomáhají od hladomoru či otravy jedovatou houbou

Mobilní aplikace Svampeatlas, na které se podílel, umí rozpoznat téměř 1 400 druhů hub, mapovat je a tím podporovat mykologický výzkum. V Dánsku, kde vznikla, se díky ní dokonce podařilo zachytit i velmi vzácné druhy. Pro švýcarský Institute of Global Health vytvořil zase systém umělé inteligence k rozpoznávání osmi set druhů hadů. A pro africké země využil umělou inteligenci k rozpoznání rzi pšeničné, což pomůže v boji proti hladomoru. Lukáš Picek, student doktorského studia na Katedře kybernetiky Fakulty aplikovaných věd Západočeské univerzity v Plzni.

Kybernetika, umělá inteligence, strojové učení, počítačové vidění, neuronové sítě. Při rozhovoru s devětadvacetiletým Lukášem Pickem máte pocit, že věnovat se této oblasti vědy je jedna z nejradostnějších cest, na kterou vás život může zavést. S vášní v hlase poutavě popisuje, jak vytváří aplikace na rozpoznávání hub, hadů, nemocí pšenice či automatickou detekci zvířat z fotopastí. Jeho aplikace a programy jsou oceňované v soutěžích na celém světě a pomáhají s výzkumem řadě dalších vědeckých týmů.

Původně žádné vědecké ambice ani vysněné povolání neměl. „Myslím, že jsem chtěl být nanejvýš hasič nebo popelář, jako většina dětí,“ říká Picek s nadsázkou. Na střední škole se ale dostal k automatizaci a stejným směrem se vydal i na začátku vysokoškolských studií.

Na Západočeské univerzitě v Plzni nastoupil na Fakultu aplikovaných věd na obor Kybernetika a řídicí technika. „Zjistil jsem ale, že mi toto směřování tak úplně nevyhovuje. A tak jsem po bakalářském studiu ustoupil k vedlejšímu oboru, který na katedře máme. A u umělé inteligence, respektive počítačového vidění jsem už zůstal,“ popisuje.

Jaký rozdíl si pod tím může člověk neznalý kybernetiky představit? „Původní obor by mě směroval například k tomu, že bych mohl řídit teplotu v jaderném reaktoru. Je to určitě potřebná práce a někoho to může naplňovat. Já mám ale radši, když si na výsledky své práce mohu sáhnout a vidím poměrně rychle nějaký přínos,“ popisuje nynější doktorand Západočeské univerzity. Věnuje se tedy počítačovému vidění a umělým neuronovým sítím a úspěšně je využívá v širokém spektru témat.

A jak se stane, že se několik měsíců věnuje rozpoznávání hub, potom třeba nemocem obilí a jindy zase hadům či korálům? Lukáš Picek mluví o shodě okolností, které ho vedou od jednoho zajímavého projektu ke druhému. Ačkoli: od dětství ho to táhne k přírodě. A té se věnuje radši než třeba vytváření aplikací zaměřených na hlídání lidí a rozpoznávání obličejů ve stylu velkého bratra, což je další oblast, kde se technologie počítačového vidění a neuronových sítí využívá.

Kolik druhů hub poznáte?

Úplně první aplikace Lukáše Picka byla na houby. Ne, že by byla k ničemu – byla doslova na houby, věnovala se totiž rozpoznávání hub. Už kdysi dávno ho napadlo, že by nebylo špatné chodit do lesa s aplikací v telefonu, která by pomohla rozpoznat houby. Tehdy však zůstalo jen u drobnější školní práce.

Na čas pak nápad skončil v šuplíku, než se k němu Lukáš Picek oklikou vrátil díky spolupráci s týmem profesora Jiřího Matase z Centra strojového vnímání Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze.

„Profesor Matas přišel s tím, že má studenta – Milana Šulce –, který se věnuje podobným věcem jako já, zda to nechceme dát dohromady. A nakonec jsme se spolu dostali až k Dánské mykologické společnosti a k jednomu z předních světových odborníků na mykologii Jacobu Heilmann-Clausenovi,“ popisuje úspěšnou spolupráci posledních tří let.

Aplikací na rozpoznávání hub z fotografií či obrazů je již v dnešní době několik. Dánsko-česká aplikace Svampeatlas, která je k dispozici zdarma, však spojuje užitek pro běžné houbaře s přínosem pro vědu. Umí totiž nejen rozpoznávat houby, ale díky sdílení polohy a dalším dobrovolně získaným informacím od uživatelů pomáhá s mapováním výskytů jednotlivých druhů. 

Mykologové pak mohou tyto informace z terénu použít pro další výzkum. Díky tomu se razantně zvýšil počet obrázků, GPS souřadnic a dalších dat v databázi. A Dánská mykologická společnost tak například zachytila i druhy hub, které odborníci považovali za vymřelé nebo extrémně vzácné.

Pro srovnání: dánská aplikace Svampeatlas umí nyní rozpoznat 1 394 druhů hub a stále se pracuje na jejím rozšiřování. Aplikace na houby z dílny amatérského českého vývojářského studia Vocom rozpozná přibližně jen 200 druhů hub, které jsou obecně k nalezení v českých lesích. 

Svět dánských a českých milovníků a znalců hub rozhodně stojí za zmínku. „S nadsázkou bych řekl, že Češi mají v oblasti mykologie vědecky řečeno výjimečné zkušenosti s prací v terénu. A Dánové mají zase v tom samém špičkovou vědu a výzkum,“ směje se Lukáš Picek.

„Schválně, chodíte na houby? A kolik poznáte druhů?“ ptá se hned se zájmem. A hned navazuje poutavým popisem, jak barevně i chuťově výjimečná je smaženice z čirůvky fialové, kterou možná kdekdo v lese raději nechá kvůli její výrazné barvě.

V Dánsku stojí za projektem Svampeatlas dánští mykologové Thomas Jeppesen z Global Biodiversity Information Facility a Jacob Heilmann-Clausen a Emil Lind z University of Copenhagen. Ti mají na starosti především správu a vývoj webové a mobilní aplikace. Česká část týmu má za úkol „učení“ umělé inteligence pomocí stovek tisíc fotografií různých druhů hub tak, aby uměla rozpoznat nikdy neviděné houby i v terénu.

Nabízí se otázka, zda spolu tento tým někdy vyrazil do lesa sbírat houby a pak z nich pěkně po česku připravil třeba smaženici. „Byli jsme u nich v Dánsku na několika workshopech, abychom spolupráci nastavili, oni nás naopak navštívili v Praze. Ale na houby jsme zatím čas neměli. I když teď takovým návštěvám doba moc nepřeje, snad se nám to někdy podaří.“ 

Ale houbami to nekončí. Lukáš Picek se zabýval i dalšími rozpoznávacími projekty: tak třeba kategorizací vzácných druhů rostlin. O některých totiž máme znalosti jen ze starých herbářů a nákresů. Ale i ty mohou nyní pomoci vědcům v terénu, kteří vyrazí do pralesa – pokud mají po ruce chytrý algoritmus, který se vše z těchto herbářů „naučil“.

Největší výzva? Fotopasti v Tanzánii

Tanzánie. Automatická detekce pohybu zvířat ve fotopastech v národním parku Serengeti. Projekt, který Lukáš Picek označuje za jednu z největších profesních výzev. Přesto zadání soutěže, organizované ve spolupráci s Microsoft AI for Earth, vyřešil Lukáš Picek se svým kolegou Miroslavem Valanem v rekordním čase. Místo stanovených dvou měsíců jim stačilo pouze deset dní. Předčili tak dalších 810 týmů z celého světa.

Řešitelé soutěže vytvářeli algoritmus, který bude rozpoznávat fotografie zvířat, jejichž pohyb zachytily fotopasti. „Vytvořený systém se vyrovná rozlišovacím schopnostem běžného člověka, což velice urychlí zpracování dat. Před jeho vznikem čekalo na manuální rozpoznání sedm milionů snímků z fotopastí. V přepočtu na jednoho člověka to vychází zhruba na dva roky dobrovolnických prací, které lze nyní ušetřit. Zároveň je díky nízkým nárokům systému na výpočetní výkon možné jeho nasazení přímo k fotopastem, systém pak může pracovat s pořízenými fotografiemi přímo na místě a upozorňovat ochranáře na mimořádné události,“ vysvětluje výhody nalezeného řešení Lukáš Picek.

Pozor na hady

Výjimečný a oceňovaný je i další projekt – počítačový software vyvíjený ve spolupráci s Institute of Global Health v Ženevě, který má lékařům a záchranným složkách pomoci rozeznávat nebezpečné druhy hadů.

Na uštknutí jedovatými hady zemře podle WHO každý rok po celém světě přes sto tisíc lidí a pro dalších čtyři sta tisíc osob má vážné následky – plánovaná aplikace, která je momentálně testována experty na hady, by v mnohých případech mohla zachraňovat životy. Výzkumy totiž ukazují, že lékaři v terénu znají protijedy, ale nemají tak široké znalosti hadů, aby vždy správně určili původce uštknutí. V mnoha případech tak léčba selže, protože lékař určil hada nepřesně. A právě v těchto případech dokáže aplikace pomáhat.

Aktuálně dokáže software rozpoznat 783 druhů hadů a na jeho vývoji stále pracuje řada institucí a partnerů z celého světa. Nyní probíhá testování funkčnosti systému, na které by měla navazovat tisková konference. Poté již dostanou nového pomocníka do rukou lékaři.

Zachránit úrodu

Jiná aplikace, která také vznikla v další soutěži, zase umí z fotografií pšenice rozpoznávat rez pšeničnou. Na uspořádání soutěže se podílela Konzultační skupina pro mezinárodní zemědělský výzkum (CGIAR – Consultative Group for International Agricultural Research). Hlavní motivace organizátorů spočívá ve využití umělé inteligence v boji s hladomorem a chudobou v afrických zemích. Právě rychlá identifikace choroby, která rostlinu postihuje, může předejít jejímu dalšímu šíření a alespoň zčásti zamezit dopadu na úrodu i potenciální finanční příjem zemědělců.

Své řešení prezentoval Lukáš Picek loni v dubnu na konferenci ICLR (International Conference on Learning Representations), která se měla konat v Etiopii, ale kvůli koronaviru se nakonec odehrála jen online.

Účastníci tak kvůli koronaviru přišli o jednu z velkých výhod osobního setkání na takové akci – navázání nových kontaktů a otevírání nových možností spolupráce. Nejistota a změny kvůli koronaviru se navíc netýkají jen této jedné konference. Přesun na jiné termíny či do online světa se dotkl i dalších akcí, na kterých měl Lukáš Picek výsledky své práce prezentovat.

Bližší Stanford online než spolupráce v Čechách

Při vyprávění o svých mezinárodních kontaktech a setkáních z konferencí se doktorand Západočeské univerzity v Plzni smutně zmiňuje o tom, jak těžko se v jeho oboru navazuje vědecká spolupráce v Česku. Na vině je podle něj jak obecně problematické financování zdejší vědy, tak nedůvěra zdejších vědců k novým technologiím a jejich potenciálu. 

Třetí velkou bolest vidí i v tom, že se zde ve vědě spíše než nápady oceňují tituly a postavení. „Pokud budu chtít kontaktovat někoho v akademické sféře v České republice, tak mě, až na světlé výjimky, nikdo nebude brát vážně. Nejsem profesor, takže nejsem nikdo důležitý a nikdo ve spolupráci se mnou neuvidí přínos. Ale pokud napíšu profesorovi na Stanford, odepíše mi za dvě hodiny a nemá problém pustit se se mnou do online diskuze,“ srovnává své zkušenosti.

Neláká ho tedy přesunout se se svými projekty do zahraničí? „Mně se v Česku strašně líbí. Procestoval jsem spoustu zemí a vždy se rád vracím. Ne že bych nechtěl na pár let třeba na postdoktorandské studium nebo že bych se vyhýbal zahraničním konferencím. Spíš bych ale v budoucnu chtěl postupně měnit to prostředí tady. Nemám rád lidi, kteří si na něco stěžují a nic nedělají. Teď můžu ukazovat jiný přístup třeba studentům, které při jejich studiu vedu. Věřím, že v budoucnu najdu více způsobů, jak zdejší vědecké prostředí měnit,“ plánuje Lukáš Picek.

Nadšení pro výzkum

Mezitím se na akademické půdě soustředí na dokončení doktorátu a rozvoj zmíněných aplikací, které dále slouží vědeckým výzkumům. Soutěže mu navíc přinášejí přilepšení k doktorskému stipendiu – pro autory vítězného řešení jsou totiž obvykle určeny odměny. A výhody přinášejí jeho úspěchy i mateřské univerzitě, i když v tomto případě nejde přímo o peníze, spíše o prestiž a publikační zmínky.

„Člověk by se tomu nemohl věnovat bez velké dávky nadšení. Pro výdělek to rozhodně nedělám, těší mě, že mé nápady mohou být užitečné. Důležité je pro mě také to, že práce na zmíněných aplikacích a algoritmech souvisí s mojí doktorskou prací. Věnuji se v ní jemnozrnnému rozpoznávání v oblasti biologických druhů a vědecko-výzkumnou část mohu běžně přenášet do realizace. Díky tomu vím, že se nevěnuji věcem takzvaně do šuplíku. To by ostatně myslím nebylo nic pro mě,“ uzavírá s úsměvem Lukáš Picek.