CNN | AI用語解説 AIコンパス

画像認識の革新：SENet

多くの写真から、写っているものが何かを当てる技術、つまり写真認識技術の進歩は目覚ましいものがあります。世界中から優れた技術を持つチームが集まり、その技術を競う大会が数多く開かれています。中でも、写真認識技術の分野で特に権威ある大会として知られるのが、イメージネット大規模視覚認識チャレンジ、略してアイエルエスブイアールシーです。この大会は、多種多様な写真の中から、何が写っているかを正確に認識する能力を競うもので、毎年世界中から精鋭チームが参加します。二〇一七年に行われたこの大会で、驚くべき成果を上げた技術があります。それが、エスイーネットという技術です。エスイーネットは、他の技術と比べて非常に高い精度で写真の認識に成功しました。なんと、誤って認識してしまう割合、つまり誤答率はわずか二・二五パーセントという驚異的な数字を記録し、見事優勝の栄冠を手にしました。これは、アイエルエスブイアールシーのような高いレベルの大会では、まさに画期的な成果と言えるでしょう。百枚の写真があれば、そのうち九十七枚以上を正しく認識できるというのは、私たちの日常生活にも大きな影響を与える可能性を秘めています。例えば、自動運転の車に搭載されれば、周囲の状況をより正確に把握することができ、安全性の向上に繋がります。また、医療の分野では、エックス線写真やエムアールアイ画像から病気をより正確に診断するのに役立つ可能性もあります。エスイーネットの革新的な構造と、それを開発したチームのたゆまぬ努力が、この輝かしい成果に繋がったと言えるでしょう。エスイーネットは、写真認識技術の分野に新たな可能性を切り開き、私たちの未来をより豊かで便利な方向へと導いてくれると期待されています。

2025.02.01

アルゴリズム

ResNet：層を深くする技術

残差ネットワーク（ResNet）は、画像認識などの深層学習の世界で大きな進歩をもたらした、画期的なネットワーク構造です。深層学習では、たくさんの層を重ねることで複雑な事柄を学習できますが、層を増やしすぎると、学習がうまくいかなくなり、精度が落ちるどころか、かえって悪くなってしまう問題がありました。これを勾配消失問題と言います。ResNetはこの問題を解決するために、特別な仕組みである残差ブロックを導入しました。残差ブロックは、畳み込み層の出力を次の層に渡すだけでなく、元の入力をそのまま次の層に足し合わせるという構造です。これは、まるで近道を作るようなもので、入力された情報を変化させずに、次の層へ伝える経路を作ることになります。この一見簡単な工夫が、勾配消失問題の解決に大きく貢献し、とても深いネットワークの学習を可能にしました。層を深くすることで、ネットワークはより複雑な特徴を捉えられるようになり、画像認識などの精度が飛躍的に向上しました。たとえば、画像に写っているのが猫なのか犬なのかを判断する場合、これまでのネットワークでは、全体の形や模様など、たくさんの特徴を順番に見ていく必要がありました。しかし、ResNetでは、残差ブロックによって、重要な特徴がより深い層まで、はっきりと伝わるようになります。つまり、猫特有の耳の形や、犬特有の鼻の形といった、見分けるために特に重要な特徴が、ネットワークの深い部分まで届くのです。その結果、ResNetは、画像に写っている動物が猫なのか犬なのかを、より正確に判断できるようになりました。このように、ResNetは深層学習の分野に大きな影響を与え、様々な応用で目覚ましい成果を上げています。

2025.02.01

アルゴリズム

ResNet：画像認識の革新

絵や写真を見てそれが何かを当てる人工知能の分野では、近年目覚ましい発展が見られています。その進歩を支える技術の一つに、畳み込みニューラルネットワークと呼ばれるものがあります。これは、人間の脳の仕組みを真似た情報処理のしくみで、層と呼ばれる部分を何層も重ねることで、複雑な形や模様を捉えることができます。層を深くすればするほど、より細かい特徴を捉え、認識の正確さを高めることができると考えられてきました。しかし、ただ層を重ねるだけでは、学習がうまく進まないという問題がありました。深い層に情報が届くまでに、だんだん薄れて消えてしまう、まるで遠くの音が聞こえなくなるような現象が起きるためです。これを勾配消失問題と呼びます。この問題を解決するために、二〇一五年にマイクロソフト研究所のカイミン・ヒー氏によって、残差接続と呼ばれる新しい方法が考案されました。これは、幾つかの層を飛び越えて、手前の層からの情報を直接奥の層に伝える経路を作るという画期的な仕組みです。奥の層へは、飛び越えてきた情報と、幾つかの層を通ってきた情報の両方が届きます。これにより、層を深くしても情報が薄れて消えてしまうことを防ぎ、学習をうまく進めることができます。残差接続を導入したニューラルネットワークは、残差ネットワークと呼ばれ、画像認識の分野に大きな革新をもたらしました。残差ネットワークは、層を深くしても学習が安定し、高い認識精度を達成できるため、現在では様々な画像認識の課題に応用されています。まさに、人工知能の分野における、重要な技術の一つと言えるでしょう。

2025.02.01

アルゴリズム

R-CNN：物体検出の革新

近頃は技術の進歩がめざましく、特に絵を理解する技術は大きく進歩しました。この絵を理解する技術は、自動で車を運転したり、病気を見つけるために使われたりと、様々な場面で使われており、私たちの暮らしをより良くするための大切な技術です。中でも、絵の中に写っているものを探し出し、それが何であるかを当てる「もの探し」は重要な役割を担っています。例えば、お店に設置された監視カメラで怪しい人物を見つける、工場で不良品を見つけるなど、私たちの安全を守る上でも、この「もの探し」の技術は欠かせません。これまで、絵の中のものを探し出すのは、人の目で行うのが一般的でした。しかし、人の目で確認する作業は、どうしても時間がかかってしまう上に、見落としも発生してしまう可能性があります。また、扱う絵の量が多い場合は、作業者の負担も大きくなってしまいます。そこで、機械に「もの探し」をさせる技術が求められるようになりました。この技術革新の中心にあるのが「R-CNN」と呼ばれる技術です。R-CNNは、このような「もの探し」の技術に革新をもたらした画期的な方法であり、その後の技術発展に大きく貢献しました。従来の方法では、絵全体を細かく調べていましたが、R-CNNはまず「ここに何かありそう」という場所をいくつか絞り込み、その絞り込んだ場所だけを詳しく調べるという方法をとっています。これにより、処理速度が大幅に向上し、より正確にものを見つけることができるようになりました。この資料では、R-CNNの仕組みや特徴について、具体例を交えながら分かりやすく解説します。R-CNNがどのように「もの探し」を行い、どのような利点があるのかを理解することで、この技術の重要性と将来性を感じていただければ幸いです。

2025.02.01

アルゴリズム

平均値プーリングで画像認識

多くの小さな絵が集まって一枚の絵ができているとしましょう。この小さな絵の一つ一つを画素と呼び、全体を画素の集まりとして捉えることができます。これらの画素は、縦横に整然と並んでおり、膨大な数の色の情報を持ちます。この色の情報は、そのままでは処理するには情報量が多すぎて、時間もかかりますし、細かい違いにこだわりすぎて全体像を見失ってしまうこともあります。そこで、画素の集まりをまとめて扱う方法が必要になります。これが、画像認識で重要な役割を持つ「まとめ合わせ」処理、つまりプーリングです。具体的な方法としては、まず絵をいくつかの区画に区切ります。そして、それぞれの区画の中で、代表となる色を一つ選びます。例えば、区画の中に赤、青、緑があったとしたら、一番多い色、例えば赤をその区画の代表色とします。この代表色を選ぶ作業を、全ての区画で行います。そうすることで、元の絵よりもずっと少ない色の情報で絵を表現できるようになります。これがプーリングによる情報の縮小です。プーリングには、いくつかの利点があります。まず、情報の量が減るので、処理にかかる時間が短縮されます。また、小さな変化や色の違いに過剰に反応することが少なくなり、例えば猫の耳が少しだけ動いただけで別の生き物と認識してしまうような間違いを防ぎやすくなります。さらに、多少絵が汚れていても、全体の特徴を捉えやすくなります。例えば、猫の顔に少し泥がついていても、猫であると正しく認識できるようになります。このように、プーリングは、画像認識において、処理の効率化と正確性の向上に大きく貢献している重要な技術です。

2025.02.01

アルゴリズム

画像を縮小するプーリングの仕組み

画像を扱う時、情報の量がとても多くて大変なことがあります。そのような時に役立つのが縮小処理です。この縮小処理のことをプーリングと言い、画像の大きさを小さくすることで、扱う情報量を減らし、処理を速くすることができます。プーリングは、決められたやり方に従って元の画像から情報を抜き出し、小さな画像を作ります。例えば、２×２の正方形の範囲を見て、その範囲の中で一番大きい値だけを抜き出す方法があります。これを最大値プーリングと言います。他にも、範囲内の値の平均値を計算する平均値プーリングなど、色々なやり方があります。プーリングには、単に画像を小さくするだけでなく、画像のずれや小さな変化を吸収する働きもあります。例えば、手書きの数字を認識する場面を考えてみましょう。同じ数字でも、書く人や書き方によって、線の太さや位置が微妙に変わることがあります。プーリングを使うと、このような小さな違いを無視して、数字の特徴を捉えやすくなります。プーリングは、畳み込みニューラルネットワークという、画像認識によく使われる技術の重要な部分です。この技術は、人の目と同じように、画像の中から重要な特徴を見つけて、画像に何が写っているかを判断します。プーリングはこの中で、画像の特徴をより強くし、処理を効率化する役割を担っています。そのため、物の見分けや位置の特定といった作業で高い性能を発揮するのに役立っています。

2025.02.01

アルゴリズム

画像認識の鍵、フィルタの役割

「フィルタ」とは、画像認識の肝となる技術で、画像から様々な特徴を抜き出す役割を担っています。例えるなら、特殊なレンズのようなものです。このレンズを通して画像を見ると、人間の目には見えない隠れた情報が浮かび上がってきます。具体的には、画像の輪郭線や角、模様といった様々な特徴を捉えることができます。フィルタは数字の列でできており、この数字の組み合わせが、どのような特徴を捉えるかを決めます。まるで熟練の職人が道具を細かく調整するように、フィルタの数字を調整することで、様々な特徴を検出する特別なフィルタを作ることができます。フィルタは、画像を小さな区画に区切り、一つずつ見ていきます。それぞれの区画にフィルタを当て、計算を行います。この計算は、フィルタの数字と区画内の画素の明るさを掛け合わせ、その合計を求めるというものです。この計算結果が、新しい画像の画素の明るさとなります。例えば、輪郭線を検出するフィルタは、明るい部分と暗い部分の境目を強調するように数字が調整されています。模様を検出するフィルタは、特定の繰り返しのパターンに反応するようになっています。このように、フィルタの種類によって、様々な特徴を捉えることができます。フィルタによって抽出された特徴は、コンピュータが画像の内容を理解する上で重要な手がかりとなります。例えば、顔認識では、目や鼻、口といったパーツの特徴を捉えるフィルタが使われます。また、自動運転技術では、道路標識や歩行者、他の車といった物体を認識するために、様々なフィルタが活用されています。フィルタは、私たちが気づかないうちに、様々な場面で活躍している、画像認識には欠かせない技術なのです。

2025.02.01

アルゴリズム

モバイルネット：軽快に動くＣＮＮ

携帯端末向けの神経網であるモバイルネットは、限られた計算能力しかない携帯や組み込み機器でも無駄なく動くように設計されています。近年の神経網は、写真の判別において高い精度を誇りますが、その分、模型が巨大になり、計算に時間がかかるようになりました。そのため、携帯や小型の板状型端末のような機器で高性能の神経網を動かすには、処理の速さや電池の持ちに問題がありました。モバイルネットは、これらの問題を解決するために生まれました。モバイルネットが従来の神経網と違う点は、「深度方向分離畳み込み」という手法を用いていることです。従来の神経網は、様々な方向の特徴を一度に捉えようとしていましたが、モバイルネットは、まずそれぞれの奥行き方向の特徴を別々に捉え、その後でそれらをまとめて全体像を把握します。これは、一枚の紙を一度に折るのではなく、何回にも分けて折るようなものです。こうすることで、計算量を大幅に減らすことができます。また、計算に使う情報の量を細かく調整できる仕組みも備えています。これにより、必要な精度と計算コストのバランスを取ることができ、様々な機器に合わせた調整が可能です。モバイルネットの登場により、携帯端末での高度な写真の判別が可能になりました。例えば、被写体の自動認識や写真の分類、拡張現実など、様々な応用が考えられます。モバイルネットは、限られた資源の中で高性能を発揮できることから、今後ますます活躍の場を広げていくことでしょう。

2025.02.01

アルゴリズム

深層学習における二重降下現象の謎

近年の技術革新はめざましく、様々な分野で目覚ましい成果を上げています。特に、人間の脳の仕組みを模倣した学習方法は、画像認識や自然言語処理といった分野で目覚ましい成果を上げてきました。しかし、この画期的な学習方法は複雑な仕組みを持ち、その奥底には未だ多くの謎が潜んでいます。その謎の一つが「二重降下現象」と呼ばれるものです。この現象は、学習の進み具合を示す指標と、学習に使うデータの量や学習を行う仕組みの複雑さとの関係が、私たちの直感とは異なる変化を見せることを指します。一般的には、学習に使うデータを増やす、あるいは学習を行う仕組みを複雑にすることで、学習の進み具合を示す指標は向上すると考えられます。しかし、「二重降下現象」では、指標が一度向上した後、下降し、その後再び向上する、という不思議な変化が見られるのです。まるで山を登り、一度谷に下り、再び山を登るような、この不思議な現象は、一体なぜ起こるのでしょうか。この現象は、学習に使うデータが少ない場合や、学習を行う仕組みが非常に複雑な場合に特に顕著に現れることが知られています。具体的には、学習の初期段階では指標が向上しますが、データの不足や仕組みの複雑さから、学習がうまく進まなくなり、指標が下降します。しかし、学習がさらに進むと、仕組みがデータの特徴をより深く捉えることができるようになり、再び指標が向上し始めるのです。一見すると不可解なこの現象ですが、学習方法の仕組みをより深く理解する上で重要な手がかりを与えてくれます。「二重降下現象」を解明することで、より効率的な学習方法の開発や、より高性能な仕組みの構築につながると期待されています。この現象は、私たちがまだ学習方法の真の姿を完全には理解できていないことを示す、重要なサインと言えるでしょう。

2025.02.01

学習

画像処理におけるパディングの役割

画像を取り扱う時、時に画像の大きさを調整する必要が生じます。そのような状況で役立つのが、パディングと呼ばれる手法です。パディングとは、まるで絵画に額縁を付けるように、既存の画像の周囲に新たな画素を付け加える処理のことを指します。この処理によって、画像全体の大きさを変更することができます。パディングの方法は様々ですが、よく使われるのがゼロパディングと呼ばれる手法です。これは、追加する画素全てに「０」の値を割り当てる方法です。例えば、白黒画像であれば黒、カラー画像であれば黒色に相当する値が入ります。ゼロパディングは、画像処理の中でも畳み込み演算を行う際に特に重要です。畳み込み演算では、小さなフィルターを画像全体に滑らせて計算を行うのですが、画像の端の部分ではフィルター全体が画像にかからないため、計算が難しくなります。そこで、ゼロパディングで画像の周りに余白を作ることで、端の部分まで正しく計算できるようになります。ゼロパディング以外にも、周囲の画素の値をコピーして拡張する方法や、予め定めた特定の値で埋める方法など、様々なパディングの手法が存在します。どの方法を選ぶかは、画像処理の目的や内容によって適切に判断する必要があります。例えば、画像の端の特徴を維持したい場合は、周囲の画素をコピーする方法が適しています。このように、パディングは画像処理において画像の大きさの調整だけでなく、畳み込み演算をスムーズに行うためにも必要不可欠な技術と言えるでしょう。適切なパディングの手法を選ぶことで、より正確で精度の高い画像処理を実現することができます。

2025.02.01

アルゴリズム

LeNet：画像認識の先駆け

1990年代、機械による画像の認識はまだ始まったばかりの頃でした。例えば、手書きの文字を認識させるだけでも、とても複雑な計算のやり方と、たくさんの計算をするための機械の力が必要でした。そのような時代に、1998年、エー・ティー・アンド・ティー研究所の研究者であるヤン・ルカン氏を中心とした研究の集まりが、それまでのやり方とは全く異なる、新しい画期的な方法を考え出しました。それが、畳み込みニューラルネットワーク（略してシーエヌエヌ）という技術を使った「ルネット」というものです。ルネットは、それまでの方法よりもはるかに高い精度で手書き文字を認識することができ、画像認識の世界に大きな変化をもたらしました。これは、その後の深層学習という技術が大きく発展する土台となる、とても重要な出来事でした。ルネットが登場する前は、画像を小さな点の集まりとして扱うのではなく、形や模様などの特徴を取り出して認識する方法が主流でした。しかし、この方法では、特徴を見つけるための設計に専門的な知識が必要で、色々な画像に使える汎用性がないという問題がありました。ルネットは、畳み込み層という仕組みを使うことで、画像から自動的に特徴を学ぶことができるので、従来の方法よりも高い精度と、色々な画像に使える汎用性を実現しました。さらに、ルネットは計算量も少なく、当時の計算機でも比較的簡単に動かすことができました。これは、ルネットを実際に使えるものにする上で、重要な点でした。

2025.02.01

アルゴリズム

画像認識の父：ネオコグニトロン

近年、人工知能技術の進歩は目覚ましく、特に画像を認識する技術は目を見張るものがあります。これまで、機械に人間と同じように画像を見せ、内容を理解させることは長年の夢でした。そして、この夢の実現に大きく貢献したのが、日本の福島邦彦博士が考え出したネオコグニトロンです。１９８０年に発表されたネオコグニトロンは、人間の脳の視覚をつかさどる部分の仕組みを真似て作られました。この仕組みにより、文字や図形など、様々な種類の画像を認識できるようになりました。これは、現在の画像認識技術の土台と言えるでしょう。当時の計算機の性能は限られていましたが、福島博士の画期的な考えは、その後の人工知能研究に大きな影響を与えました。具体的には、ネオコグニトロンは、階層構造を持つ神経回路網を採用しています。これは、単純な特徴から複雑な特徴へと段階的に情報を処理する仕組みです。例えば、画像に「丸」や「線」といった単純な形が含まれていると、ネオコグニトロンはまずこれらの特徴を捉えます。そして、これらの特徴を組み合わせることで、「円」や「三角形」といったより複雑な形を認識し、最終的には「顔」や「車」といった高度な概念を理解します。現在の画像認識技術の中心となっている畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）は、このネオコグニトロンの考え方を基に発展したものです。つまり、ネオコグニトロンはＣＮＮの起源とも言える重要な存在なのです。福島博士の先見の明は、現代の人工知能技術の発展に欠かせないものだったと言えるでしょう。

2025.02.01

アルゴリズム

Keras入門：誰でも使えるAI構築ツール

人工知能の分野で注目を集める技術の一つに、ニューラルネットワークがあります。これは人間の脳の仕組みを模倣した計算モデルで、様々なデータから学習し、予測や分類などの複雑な処理を行うことができます。しかし、ニューラルネットワークの構築は、高度な専門知識と複雑なプログラミングが必要となるため、敷居が高いとされてきました。そこで登場したのが、ケラスという画期的な道具です。ケラスは、誰でも簡単にニューラルネットワークを構築できるように設計された、使いやすい道具です。まるで積み木を組み立てるように、必要な部品を繋げるだけで、複雑なニューラルネットワークを設計できます。この部品一つ一つは層と呼ばれ、それぞれが異なる役割を担っています。ケラスを使うことの利点は、その手軽さだけではありません。ケラスはパイソンという広く使われているプログラミング言語で書かれており、テンソルフローやシアノといった他の高性能な道具とも容易に連携できます。そのため、初心者から専門家まで、幅広い人がケラスを利用して、人工知能の研究開発に取り組んでいます。ケラスの直感的な操作性は、人工知能の普及に大きく貢献しています。複雑な数式やプログラミングに詳しくなくても、ケラスを使えば、誰でも簡単にニューラルネットワークの仕組みを理解し、実際に人工知能を構築することができます。これは、人工知能技術の民主化を促し、より多くの人がその恩恵を受けられるようになることを意味します。人工知能の未来を担う重要な技術として、ケラスはますます注目を集めていくでしょう。

2025.02.01

開発環境

Inceptionモジュールで画像認識を革新

近年、画像を認識する技術は驚くほど進歩しています。特に、深層学習という手法は、これまでの画像処理技術をはるかに超える性能を達成し、様々な分野で活用されています。この深層学習の中でも、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）は画像認識で中心的な役割を担っています。ＣＮＮは、人間の脳の視覚野の仕組みを模倣した構造を持ち、画像の中から重要な特徴を自動的に抽出することができます。このＣＮＮの性能をさらに高めるための重要な技術の一つとして、Inceptionモジュールがあります。Inceptionモジュールは、複数の畳み込み層とプーリング層を巧みに組み合わせた構造をしています。畳み込み層は、画像の様々な特徴を捉える役割を担い、異なるサイズの畳み込み層を使うことで、様々な大きさの特徴を抽出できます。プーリング層は、画像の解像度を下げることで、計算量を削減すると同時に、重要な特徴をより強調する役割を果たします。Inceptionモジュールは、これらの層を並列に配置することで、画像の様々な特徴を効率よく抽出することを可能にしています。従来のＣＮＮでは、層を深く積み重ねることで性能向上を図っていましたが、Inceptionモジュールは層を深くするだけでなく、層の幅を広げることで、より多くの情報を捉えられるように工夫されています。 Inceptionモジュールを導入することで、画像認識の精度は飛躍的に向上しました。例えば、画像分類タスクにおいて、Inceptionモジュールを搭載したモデルは、従来のモデルよりも高い精度で画像を分類できることが実証されています。また、物体検出や画像生成といった他の画像認識タスクにおいても、Inceptionモジュールは優れた性能を発揮しています。このように、Inceptionモジュールは、現代の画像認識技術において不可欠な要素となっています。今後、更なる改良や発展が期待され、様々な分野での応用が期待されています。

2025.02.01

アルゴリズム

Grad-CAM：画像認識の解釈

「勾配重み付け分類活性化地図」を縮めた「グラッドカム」とは、画像認識の仕組み、特に畳み込みニューラルネットワークという仕組みが、どのようにして画像を見て判断しているのかを、分かりやすく絵にする技術です。近頃の人工知能、特に深層学習と呼ばれる複雑な仕組みは、判断の理由が人間には分かりにくいという難点があります。まるで中身の見えない箱のような、この分かりにくさを解消するために、説明できる人工知能という考え方が注目されています。グラッドカムは、この説明できる人工知能を実現する重要な方法の一つです。具体的には、グラッドカムは、例えば写真に写っているのが「犬」なのか「猫」なのかを判断する際に、人工知能が写真のどの部分に注目しているのかを、色の濃淡で示した地図で表してくれます。この色の濃淡の地図は、人工知能の判断の理由を目で見て理解するのに役立ちます。例えば、犬の写真を見せると、グラッドカムは犬の顔や胴体といった特徴部分を明るく表示することで、人工知能が正しく犬を見分けていることを示してくれます。また、もし人工知能が犬ではなく背景の草むらに注目して「犬」と判断しているなら、草むらの部分が明るく表示されます。このように、グラッドカムを使うことで、人工知能が何を見て判断しているのかが分かり、判断の誤りを発見したり、仕組みの改善に役立てることができます。さらに、グラッドカムは画像認識だけでなく、自然言語処理や医療画像診断など、様々な分野で応用されています。人工知能がより信頼できるものになるために、グラッドカムは今後ますます重要な技術となるでしょう。

2025.02.01

AI活用

全結合層：ニューラルネットワークの重要要素

全結合層とは、人工神経回路網の構成要素の一つで、層と層の結びつき方を表す言葉です。この層の特徴は、前の層にある全ての節と、次の層にある全ての節が、それぞれ繋がっていることにあります。まるで網の目のように、全ての節が互いに結びついている様子を想像してみてください。それぞれの繋がりには、重みと呼ばれる数値が割り当てられています。この重みは、それぞれの繋がりがどれほど重要かを表す指標のようなものです。学習を進める中で、この重みの値が調整され、より正確な結果を出せるようにネットワークが最適化されていきます。ちょうど、職人が技術を磨くように、ネットワークも学習を通して精度を高めていくのです。全結合層は、入力された情報を統合し、最終的な判断を下す上で重要な役割を担います。例えば、画像認識の場面を考えてみましょう。カメラで撮影された画像は、まず畳み込み層やプーリング層といった層で処理され、画像の特徴が抽出されます。その後、バラバラに抽出されたこれらの特徴は、全結合層に渡されます。全結合層は、これらの特徴を統合し、最終的に「これは猫の画像である」といった判断を下すための材料を提供します。例えるなら、ジグソーパズルのようなものです。畳み込み層やプーリング層でパズルのピースを一つ一つ用意し、全結合層でそれらのピースを組み合わせて完成図を作り上げるのです。入力された情報の複雑な関係性を紐解き、最終的な結論へと導く、いわば人工神経回路網の司令塔と言えるでしょう。入力されたデータから重要な情報を選び出し、最終的な判断を下すための、無くてはならない存在です。

2025.02.01

アルゴリズム

画像認識の根拠を視覚化：Grad-CAM

人間がものを認識する過程を考えてみましょう。例えば、目の前に置かれた果物がリンゴだと判断するときは、色や形といった特徴を見ています。では、人工知能、特に画像認識の分野では、どのようにして画像を認識しているのでしょうか。それを視覚的に分かりやすくしてくれるのがGrad-CAM（グラッドカム）と呼ばれる技術です。 Grad-CAMは、人工知能が画像のどの部分に着目して判断を下したのかを、色の濃淡で表現した図で示してくれます。この図は、一般的にヒートマップと呼ばれています。例えば、リンゴの画像を人工知能に与え、それがリンゴだと正しく認識されたとします。このとき、Grad-CAMを用いると、リンゴの輪郭や色といった部分が赤く表示されるでしょう。これは、人工知能がリンゴの輪郭や色に着目して「リンゴ」だと判断したことを意味します。もし、ヘタの部分が赤く表示されていれば、ヘタを見てリンゴと判断したことが分かります。このように、Grad-CAMを使うことで、人工知能の判断根拠を視覚的に理解することができるのです。この技術は、人工知能の判断の信頼性を評価する上でも役立ちます。例えば、リンゴの画像を与えたのに、背景の部分が赤く表示されたとしましょう。これは、人工知能がリンゴではなく背景を見て判断を下した可能性を示唆しており、判断の誤りを疑う必要があります。このように、Grad-CAMは人工知能がどのように画像を認識しているかを解き明かし、その判断過程の透明性を高める上で非常に重要な技術と言えるでしょう。そして、この技術は自動運転や医療診断など、様々な分野への応用が期待されています。

2025.02.01

AI活用

Grad-CAM：AIの視点を解き明かす

近年の技術革新により、人工知能、特に画像認識の精度は飛躍的に向上しました。しかし、その裏では複雑な計算処理が行われており、どのような過程を経て結果に至るのかが人間には理解しづらいという課題がありました。まるで中身の見えない箱のような、このブラックボックス化された状態を解消するために考案されたのが、勾配加重クラス活性化マップ、すなわち「Grad-CAM」と呼ばれる手法です。 Grad-CAMは、人工知能が画像のどの部分に着目して判断を下したのかを、視覚的に分かりやすく表示してくれます。具体的には、人工知能が注目した部分を、色の濃淡で表現した図を生成します。この図は、注目度が高い部分を暖色系の色で、低い部分を寒色系の色で示しており、いわば人工知能の注目点を可視化した地図のようなものです。例えば、人工知能が「猫」の画像を認識する際に、耳や尻尾、ひげといった猫特有の部分に注目しているのか、あるいは背景にある木や家具に注目しているのかを、このGrad-CAMを用いることではっきりと見ることができるようになります。この技術は、人工知能が正しく動作しているかを確認するだけでなく、誤認識の原因を特定するのにも役立ちます。例えば、猫ではなく背景のソファに注目して「猫」と判断している場合、人工知能の学習方法に問題がある可能性が示唆されます。このように、Grad-CAMは人工知能の判断根拠を透明化することで、その信頼性を高め、更なる改良を促進するための重要な技術と言えるでしょう。

2025.02.01

AI活用

高速物体検出：Faster R-CNN

写真や動画に写るものを探し出し、位置を特定する技術、物体検出は、画像認識という大きな分野で大変重要な役割を担っています。自動運転で周囲の車や歩行者を認識したり、工場で製品の欠陥を見つけたり、医療現場でレントゲン写真から病巣を探したりと、様々な場面で活用されています。近年、深層学習という技術革新のおかげで、物体検出の精度は飛躍的に向上し、処理速度も格段に速くなりました。以前は、画像の中から特徴を一つ一つ手作業で抽出し、それをもとに物体を検出していました。この方法は、時間と手間がかかるだけでなく、検出精度もあまり高くありませんでした。しかし、深層学習の登場により、コンピュータが自ら大量の画像データを学習し、物体の特徴を自動的に抽出できるようになったのです。この技術革新は、物体検出の分野に革命をもたらしました。深層学習を用いた物体検出技術の中でも、特に注目すべきなのが「高速領域畳み込みニューラルネットワーク」、Faster R-CNNです。Faster R-CNNは、それまでの手法に比べて高精度かつ高速に物体を検出できるため、物体検出技術の進化における重要な一歩となりました。具体的には、画像全体をくまなく調べるのではなく、物体がありそうな領域を絞り込んでから詳細に調べることで、処理速度を向上させています。また、物体の種類や位置を同時に推定することで、高い精度を実現しています。この技術は、自動運転やロボット制御など、リアルタイム性が求められる分野での応用を可能にし、私たちの生活をより便利で安全なものにする可能性を秘めています。

2025.02.01

アルゴリズム

FPN：物体検出の進化

画像の中から、大きさの異なる様々なものを探し出す技術である物体検出では、「特徴ピラミッド」と呼ばれる仕組みが重要な働きをしています。特徴ピラミッドとは、画像を様々な大きさで縮小・拡大したものを複数層に重ねた構造のことを指します。この構造により、小さなものから大きなものまで、様々な大きさのものを検出することができるようになります。例えば、一枚の絵の中に、人、車、そして遠くに見える建物が描かれているとしましょう。人と車は比較的大きな姿で捉えられますが、遠くの建物は小さな姿でしか見えません。このような、大きさの異なる複数のものを同時に見つけるためには、それぞれに適した大きさの画像が必要になります。特徴ピラミッドは、まさに異なる大きさの画像をまとめて提供することで、この問題を解決します。特徴ピラミッドがない場合、小さなものは見つけにくくなってしまいます。例えば、遠くの建物を検出するためには、元の画像を拡大して見る必要があります。しかし、元の画像をそのまま拡大するだけでは、画像がぼやけてしまい、建物の形を正確に捉えることができません。特徴ピラミッドは、あらかじめ様々な縮尺の画像を用意することで、この問題を回避します。各層は異なる縮尺の画像に対応しており、小さなものは拡大された層で、大きなものは縮小された層で検出されます。このように、特徴ピラミッドは、画像中の物体の大きさの変化に対応するための柔軟な仕組みを提供し、物体検出の精度向上に大きく貢献しています。大きさの異なる様々なものを正確に捉えるためには、特徴ピラミッドは必要不可欠な技術と言えるでしょう。

2025.02.01

アルゴリズム

全畳み込みネットワーク：画像の細部まで理解

全畳み込みネットワーク（ＦＣＮ）は、画像認識の分野に大きな進歩をもたらしました。特に、画像のそれぞれの点に意味を持たせる「意味分割」と呼ばれる技術において、革新的な手法として注目されています。これまでの画像認識は、画像全体をひとまとめに捉える方法が主流でした。しかし、ＦＣＮは画像を細かい点の集まりとして捉え、一つ一つの点が何であるかを特定することができます。これは、一枚の絵を無数の小さな点で描き出す点描画のように、画像を構成する個々の要素を理解する技術です。ＦＣＮが登場する以前は、「全結合層」と呼ばれる仕組みが使われていました。しかし、この仕組みは画像の位置に関する情報を見落としてしまう欠点がありました。ＦＣＮは、この全結合層を「畳み込み層」という仕組みに置き換えることで、位置情報を保ったまま画像を分析することを可能にしました。これにより、画像に写るものの位置や形を正確に把握できるようになり、意味分割の精度は格段に向上しました。まるで、ぼやけていた景色が鮮明になるように、ＦＣＮは画像の細部までを明らかにしてくれます。ＦＣＮは、様々な分野で応用され、私たちの暮らしをより良く、安全なものに変える可能性を秘めています。例えば、自動運転技術では、ＦＣＮを搭載した車は道路や歩行者、信号機などを正確に認識することで、安全な運転を実現します。また、医療画像診断では、ＦＣＮが腫瘍などの病変を見つける手助けとなり、早期発見と早期治療に貢献します。このように、ＦＣＮはまるで未来を見通す水晶玉のように、様々な場面で活躍が期待されています。

2025.02.01

アルゴリズム

ゲームAIの進化：深層強化学習の影響

深層強化学習とは、機械学習の中でも、人工知能が自ら学び、行動を決定していくための高度な技術です。まるで人間が経験を通して学習していくように、人工知能も試行錯誤を繰り返しながら、より良い行動を選択できるようになっていきます。具体的には、人工知能はまず、周りの状況を観察します。そして、その状況に基づいて、どのような行動をとるべきかを選択します。選んだ行動によって、周りの状況は変化し、それに応じて良い結果もしくは悪い結果が返ってきます。この結果を「報酬」と呼びます。例えば、ロボットが物を掴む課題を学習する場合、掴むことに成功すれば報酬が与えられ、失敗すれば報酬は与えられません。深層強化学習では、人工知能は将来に渡って得られる報酬の合計値を最大化することを目標に学習を進めます。つまり、目先の報酬だけでなく、長期的な視点で最適な行動を選択することを目指すのです。この学習を実現するために、深層強化学習では「深層学習」と「強化学習」という二つの技術を組み合わせています。深層学習は、人間の脳の神経回路を模倣した技術で、大量のデータから複雑なパターンを認識することができます。この技術により、人工知能は周りの状況を正確に認識し、適切な行動を選択することができます。一方、強化学習は、試行錯誤を通して学習を進めるための枠組みを提供します。この枠組みの中で、人工知能は行動を選択し、報酬を受け取り、そして次の行動を改善していくというサイクルを繰り返すことで、最適な行動を学習していきます。深層強化学習は、複雑な課題を解決するための強力な道具として、様々な分野で応用されています。例えば、ロボットの制御では、ロボットが複雑な動作を学習するために活用されています。また、ゲームの分野でも、人間を凌駕するプレイヤーを作り出すことに成功しています。その他にも、自動運転や創薬など、様々な分野で研究開発が進められており、今後ますますの発展が期待されています。

2025.02.01

AI活用

畳み込みにおけるストライドの役割

多くの情報を処理する画像認識や言葉を扱う自然言語処理といった分野において、目覚しい成果をあげているのが深層学習という技術です。この深層学習を支える中心的な技術の一つに、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）というものがあります。ＣＮＮは、特に画像データの特徴を捉えることに非常に優れています。まるで人間の目が物体の形や色を認識するように、ＣＮＮは画像の中から重要な特徴を見つけ出すことができます。このＣＮＮが画像の特徴を捉える際に、重要な役割を果たすのが畳み込み処理です。この畳み込み処理の中で、フィルターと呼ばれるものが画像の上をスライドしながら、画像の特徴を抽出していきます。このフィルターの動き方を決めるのが「ストライド」です。ストライドとは、フィルターが画像上を一度にどれだけ移動するかを決める値のことです。例えば、ストライドが１であれば、フィルターは画像上を１画素ずつ移動し、ストライドが２であれば、２画素ずつ移動します。ストライドの値は、ＣＮＮの学習効率や精度に大きな影響を与えます。ストライドが小さい場合は、フィルターが画像上を細かく移動するため、より多くの特徴を捉えることができます。しかし、計算量が増加し、学習に時間がかかるという欠点もあります。一方、ストライドが大きい場合は、フィルターの移動量が大きいため、計算量は少なくなりますが、重要な特徴を見逃してしまう可能性があります。適切なストライド値は、扱う画像データや目的によって異なります。一般的には、最初は小さなストライド値から始め、徐々に値を大きくしながら、最適な値を探していくという方法がとられます。また、複数のストライド値を試してみて、結果を比較するという方法も有効です。最適なストライド値を見つけることで、ＣＮＮの性能を最大限に引き出し、より精度の高い画像認識を実現することが可能になります。

2025.02.01

アルゴリズム

自然言語処理の新星: Transformer

言葉を取り扱う技術に大きな変化をもたらした「変換器」という技術について説明します。この技術は二〇一七年に現れ、文章を理解したり、文章を作ったりする作業で、これまでの技術をはるかに超える成果を出しました。今では、様々な道具の中で使われています。変換器が登場する前は、「反復型ネットワーク」や「畳み込み型ネットワーク」といった技術が言葉を取り扱う作業の中心でした。これらの技術は、言葉を一つずつ順番に処理していくため、同時に処理することが難しく、計算に時間がかかってしまうという問題がありました。変換器は、この問題を解決するために、全く新しい方法を取り入れました。それが「注意機構」と呼ばれる仕組みです。この「注意機構」は、文章の中の言葉同士の関係を捉え、どの言葉に注目すべきかを判断する仕組みです。例えば、「私は猫が好きです」という文章を処理する場合、「好き」という言葉を理解するためには、「私」や「猫」との関係を理解する必要があります。注意機構は、「好き」という言葉と、他の言葉との関係の強さを数値化することで、どの言葉に注目すべきかを判断します。具体的には、「好き」は「猫」に強く関連し、「私」にも関連しますが、「は」や「です」のような言葉とはあまり関連しません。このように、注意機構は、重要な言葉に注目することで、文章の意味を正確に理解することを可能にします。この革新的な方法のおかげで、変換器は高い精度で言葉を処理しながら、これまでの技術よりもずっと短い時間で学習できるようになりました。これは、膨大な量の言葉のデータを使って学習する必要があるため、非常に大きなメリットとなります。変換器は、この高速な学習能力と高い精度によって、言葉の翻訳や文章の要約、質問応答など、様々な分野で目覚ましい成果を上げています。そして、これからも様々な技術に応用され、私たちの生活をより豊かにしていくことが期待されています。

2025.02.01

アルゴリズム