CNN

ニューラルネットワーク

画像認識の革新!ResNetとその仕組み

- ResNetとはResNetは、2015年にマイクロソフトリサーチのカイミング・ヒー氏によって考案された、画像認識に特化したニューラルネットワークのモデルです。このモデルは、画像認識の分野に革命をもたらし、従来のモデルをはるかに上回る精度を達成しました。ResNetが登場する以前は、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の層を増やすことで、より複雑な特徴を抽出できるようになり、画像認識の精度が高まると考えられていました。しかし、実際に層を増やしてみると、勾配消失や勾配爆発といった問題が発生し、学習がうまく進まないという壁にぶつかっていました。ResNetは、この問題を解決するために、「スキップ接続」という画期的な構造を導入しました。これは、複数の層をスキップして、前の層の出力を後の層の入力に直接加えるという仕組みです。これにより、勾配がより深い層まで伝播しやすくなるため、勾配消失や勾配爆発の問題を抑制することができます。ResNetの登場により、画像認識の精度は飛躍的に向上し、様々な画像認識タスクで当時の最高精度を記録しました。現在でも、ResNetは画像認識の分野で広く使われており、その影響は他の分野にも広がっています。
画像学習

画像認識のロバスト性を高める平均値プーリング

- プーリングとは画像認識の分野では、画像は無数の小さな点(画素)が集まってできています。それぞれの画素には色の情報などが含まれており、コンピュータはこの情報を処理することで画像を認識します。しかし、そのままでは情報量があまりにも膨大になり、処理速度が遅くなってしまうという問題点があります。そこで、画像の解像度を調整し、情報を圧縮する技術が必要となります。プーリングは、画像の空間的な情報を縮小することで、データ量を削減する技術です。具体的には、画像を小さな領域(ウィンドウ)に分割し、各領域の特徴を抽出して新たな画像を生成します。ウィンドウのサイズや移動させる幅は自由に設定できます。例えば、画像を2×2のウィンドウに分割し、各ウィンドウから最大値を抽出する「最大プーリング」という方法があります。この方法では、最も明るい部分の特徴が際立ちます。他にも、平均値を抽出する「平均プーリング」など、さまざまなプーリングの方法があります。プーリングによって画像のサイズが縮小されるため、処理速度が向上し、計算コストを削減できます。また、微小な位置変化の影響を受けにくくなるため、画像認識の精度向上が見込めます。さらに、過学習を防ぐ効果も期待できます。このように、プーリングは画像認識において重要な役割を担っています。
画像学習

画像認識のロバスト性を高めるプーリング

- プーリングとはプーリングは、画像認識の分野で頻繁に利用される画像処理技術の一つです。この技術の主な役割は、画像の解像度を下げること、つまり画像サイズを縮小することです。画像データは、画素と呼ばれる小さな点が集まってできています。この画素の集まりを、例えば縦横それぞれ2個ずつ、合計4個で一つのグループだと考えてみましょう。プーリングでは、このグループの中から特定のルールに基づいて代表となる画素を選び出し、その画素だけで新しいグループを作ります。代表となる画素の選び方には、いくつかの方法があります。よく用いられるのは、グループの中で最も値が大きい画素を選ぶ「最大プーリング」と呼ばれる方法です。他にも、グループ内の画素の値を平均して代表値とする「平均プーリング」などがあります。このように、プーリングによって画像のデータ量は減りますが、画像の重要な特徴を表す情報は維持されます。これは、画像認識においては、多少の画像の変化があっても、それが同じものであると認識することが重要となるためです。プーリングは、画像認識の処理を効率化し、より正確な認識結果を得るために役立っています。
ニューラルネットワーク

深層学習の謎:二重降下現象

近年、画像認識や自然言語処理の分野において、深層学習モデルが従来の機械学習モデルを上回る精度を達成し、大きな注目を集めています。深層学習モデルは、人間の脳の神経回路を模倣した多層構造を持つことが特徴です。この複雑な構造により、従来の手法では扱いきれなかった複雑なパターンを学習することが可能になりました。 しかし、その一方で、深層学習モデルは複雑な構造であるがゆえに、学習過程においては未解明な現象も存在します。その一つが「二重降下現象」と呼ばれるものです。 深層学習モデルの学習は、一般的に損失関数の値を最小化するように進められます。損失関数は、モデルの予測値と実際の値との間の誤差を表す指標であり、この値が小さいほどモデルの精度が高いことを意味します。 二重降下現象とは、学習の初期段階において損失関数の値が一度減少した後、再び増加し、その後さらに減少するという現象を指します。これは、直感的には理解し難い現象であり、深層学習モデルの学習過程における謎の一つとなっています。 この現象は、深層学習モデルが持つ多数の層とパラメータの複雑な相互作用によって引き起こされると考えられています。学習の初期段階では、モデルはデータの大まかな特徴を捉えようとしますが、この段階ではまだモデルの表現力が十分ではありません。そのため、学習が進むにつれて一度損失関数の値が増加すると考えられます。 その後、モデルの表現力が向上するにつれて、再び損失関数の値は減少していきます。 二重降下現象は、深層学習モデルの学習過程の複雑さを示す興味深い例の一つです。この現象を解明することは、深層学習モデルのさらなる精度向上や、より効率的な学習アルゴリズムの開発に繋がる可能性を秘めています。
ニューラルネットワーク

MobileNet:軽量で高性能なディープラーニングモデル

近年、スマートフォンやタブレットなどのモバイル機器が私たちの生活に欠かせないものになっています。手軽にインターネットに接続でき、様々なアプリケーションを通じて便利なサービスを受けられるモバイル機器は、今や私たちの生活にとってなくてはならない存在と言えるでしょう。 こうしたモバイル機器の普及に伴い、高性能な処理を端末側で完結させたいという要望が高まっています。特に注目されているのが、人工知能の中核技術であるディープラーニングをモバイル機器上で実行するという試みです。ディープラーニングは、画像認識や音声認識など、様々な分野で高い性能を発揮することで知られていますが、従来のモデルは大量のデータ処理が必要となるため、高性能なコンピューターでなければ動作させることができませんでした。 しかし、近年の技術革新により、処理能力を抑えつつも高い性能を引き出すことができる、モバイル機器向けのディープラーニングモデルが開発され始めています。具体的には、モデルの軽量化や処理の効率化といった技術革新が進展しています。これらの技術革新によって、高性能なディープラーニングモデルをモバイル機器上で実行することが可能になりつつあり、私たちの生活に新たな進化をもたらす可能性を秘めていると言えるでしょう。
ニューラルネットワーク

精度向上のための鍵!誤差逆伝播法とは

機械学習、とりわけニューラルネットワークの世界においては、「学習」が極めて重要な役割を担っています。学習とは、入力されたデータから規則性やパターンを自動的に抽出し、未知のデータに対しても適切な予測や判断を下せるようにすることです。この学習プロセスにおいて中心的な役割を担うのが、誤差逆伝播法と呼ばれる手法です。 ニューラルネットワークは、人間の脳の神経回路を模倣した構造を持つ数理モデルです。このネットワークは、多数のノード(ニューロン)とその間の結合で構成され、入力データはこれらのノードと結合を伝播しながら処理されます。学習の目的は、ネットワークの結合の重みを調整することで、入力データに対して望ましい出力を得られるようにすることです。 誤差逆伝播法は、この結合の重みを効率的に調整するためのアルゴリズムです。まず、ネットワークに学習データを入力し、その出力と正解データとの間の差異(誤差)を計算します。次に、この誤差をネットワークの出力側から入力側に向かって逆向きに伝播させながら、各結合が誤差にどの程度影響を与えているかを分析します。そして、それぞれの結合の重みを、誤差を減らす方向に少しずつ調整していくのです。 このように、誤差逆伝播法は、出力と正解データの誤差を最小化するように、ネットワークの結合の重みを反復的に調整することで学習を実現します。この手法は、画像認識、音声認識、自然言語処理など、様々な分野におけるニューラルネットワークの学習に広く用いられ、目覚ましい成果を上げています。
画像解析

Mask R-CNN: 画像認識の進化

近年、人工知能の進化によって、まるで人間のように画像を理解する画像認識技術が著しい発展を遂げています。中でも、画像に写っている「これは車」「あれは人」といった具合に、対象が何であるかを特定する「物体検出」は、自動運転や顔認証など、私たちの生活に身近な様々な分野で応用され、注目を集めています。 物体検出は画像中のどこに何があるのかを特定する技術ですが、さらにその技術を発展させた「インスタンスセグメンテーション」という技術が登場し、物体検出技術の可能性を大きく広げています。物体検出が画像中の物体の位置を特定するのに対し、インスタンスセグメンテーションは、画像中の物体それぞれをピクセル単位で識別し、その輪郭まで正確に把握することを可能にします。例えば、複数の車が駐車されている画像を処理する場合、物体検出はそれぞれの車の位置を四角い枠で囲んで示しますが、インスタンスセグメンテーションはそれぞれの車の形に合わせてピクセル単位で領域を識別し、それぞれの車を正確に切り分けることができます。 この技術は、自動運転における周囲の環境把握、医療画像診断における病変部位の特定、工場などにおける不良品検出など、高い精度が求められる様々な分野での応用が期待されています。インスタンスセグメンテーションは、物体検出の枠を超えて、画像認識の可能性をさらに広げる技術として、今後も注目を集めていくことでしょう。
画像学習

画像処理の基礎知識:パディングとは?

- パディングとは 画像処理の分野では、画像に様々な加工を施すことで、より分かりやすくしたり、コンピュータが理解しやすい形に変換したりします。その処理の中でも、画像に写っている「もの」の特徴を掴み、それが「何」なのかを判別する画像認識や、特定のパターンを抽出する特徴抽出などに欠かせないのが畳み込み処理です。 この畳み込み処理は、画像を小さな格子状に分割し、それぞれの格子とその周りの格子の色の関係性を利用して計算を行います。しかし、画像の端にある格子には、周りの格子情報が一部欠けてしまっているため、正確な計算ができません。 そこで用いられるのが「パディング」という技術です。パディングとは、処理を行う前に、元の画像の周囲に新たにピクセルを追加することを指します。追加するピクセルの色は、元の画像の端のピクセルの色をそのままコピーしたり、特定の色で塗りつぶしたりする方法などがあります。 このようにして周囲にピクセルを追加することで、画像の端の部分も問題なく畳み込み処理を行うことができるようになり、情報が欠落してしまうのを防ぐことができます。
ニューラルネットワーク

画像認識の原点:LeNet

1990年代、写真や画像に写っているものをコンピュータに理解させる技術はまだ発展途上であり、実用化には程遠い状況でした。例えば、人間にとっては簡単な手書きの文字を読み取る作業も、コンピュータにとっては非常に困難な課題でした。限られた種類の手書き文字なら識別できるという程度で、実用レベルには達していませんでした。 そんな中、1998年にアメリカの大手通信会社AT&Tの研究所であるAT&T Labsの研究チームが、画期的な画像認識技術を発表しました。それは、畳み込みニューラルネットワークと呼ばれる技術を用いたもので、LeNetと名付けられました。 LeNetは、従来の手法よりも格段に高い精度で手書き数字を認識することができました。この成果は世界に衝撃を与え、その後の画像認識技術の進歩に大きく貢献しました。LeNetの登場により、コンピュータは人間の目を超える可能性を秘めていることが示されたのです。
ニューラルネットワーク

画像認識の源流:ネオコグニトロン

近年の人工知能(AI)ブームを支える技術の一つに、深層学習があります。深層学習は、人間の脳の神経回路を模倣した多層構造のニューラルネットワークを用いることで、従来の機械学習では難しかった複雑なパターン認識を可能にしました。 その深層学習の中でも、特に画像認識の分野で目覚ましい成果を上げているのが、畳み込みニューラルネットワーク、通称CNNです。CNNは、画像データから特徴を自動的に抽出する能力に優れており、自動運転や医療画像診断など、様々な分野への応用が進んでいます。 しかし、この革新的な技術の原型となるアイデアが生まれたのは、実は今から約40年前、1980年代のことです。日本の研究者である福島邦彦氏が提唱した「ネオコグニトロン」は、人間の視覚野の神経細胞の働きをモデルとしたもので、現在のCNNの基礎となる重要な概念を数多く含んでいました。 福島氏の先駆的な研究は、今日の深層学習ブームの礎を築いたと言えるでしょう。近年では、計算機の処理能力の向上や学習データの増加に伴い、深層学習は急速に発展を遂げています。今後、深層学習はさらに進化し、私たちの社会に大きな変革をもたらすことが期待されています。
ニューラルネットワーク

Inceptionモジュールで画像認識を革新

- InceptionモジュールとはInceptionモジュールは、画像認識の分野において革新的な技術として知られています。このモジュールは、従来の畳み込みニューラルネットワーク(CNN)の層を深く積み重ねるアプローチとは異なり、複数の畳み込み層とプーリング層を並列に配置し、それらを組み合わせることで、画像から様々な特徴を効率的に抽出します。具体的には、Inceptionモジュールは、異なるサイズの畳み込みフィルター(1x1、3x3、5x5など)と最大プーリング層を並列に配置します。これらの層は、それぞれ異なるスケールの特徴を抽出します。例えば、1x1の畳み込みフィルターは、局所的な特徴を抽出するのに対し、5x5の畳み込みフィルターは、より広範囲の特徴を抽出します。また、最大プーリング層は、画像の空間的な情報を圧縮し、特徴の不変性を高める役割を担います。Inceptionモジュールの登場により、画像認識の精度は飛躍的に向上しました。これは、Inceptionモジュールが、従来のCNNよりも多くの情報を効率的に学習できるためです。Inceptionモジュールは、自動運転や医療画像診断など、様々な分野で応用されており、今後も画像認識技術の発展に貢献していくことが期待されています。
ニューラルネットワーク

ニューラルネットワークの要!全結合層を解説

人間の脳の仕組みを参考に作られた、ニューラルネットワーク。これは、まるで神経細胞が網目のように複雑につながり合う様子を、コンピュータ上で再現したものです。画像認識や音声認識といった分野で目覚ましい成果を上げていますが、このニューラルネットワークを構成する上で欠かせない要素の一つが、全結合層と呼ばれる層です。 全結合層の特徴は、前の層にある全てのノード(ニューロン)と密接につながっている点にあります。ちょうど、糸電話でたくさんの人と同時に話しているようなイメージです。前の層から受け取った情報は、それぞれのつながりに応じた重みが付けられ、足し合わされます。この重み付けが、それぞれの情報の重要度を表しており、学習が進むにつれて変化していきます。 足し合わされた情報は、さらに活性化関数と呼ばれる処理を通過します。これは、情報の重要度に応じて、次の層へ伝える信号の強弱を調整する役割を担います。こうして処理された情報は、次の層へと受け渡され、最終的に目的とする情報へと絞り込まれていくのです。
画像解析

Grad-CAM:AIの視点を可視化する技術

近年、画像認識技術は目覚ましい発展を遂げ、医療現場での診断や車の自動運転など、私たちの日常生活に大きな変化をもたらしています。しかし、人工知能がどのように画像を認識しているのか、その詳細な手順は専門家以外には分かりづらく、まるで閉ざされた黒い箱の中でおこなわれているようでした。特に、人工知能が誤った判断を下した場合、その原因を突き止めることが難しく、信頼性や責任を明確にするという観点から課題となっていました。 そこで注目されているのが、人工知能の意思決定の手順を目に見えるようにする技術です。この技術を用いることで、人工知能が抱える、仕組みが分かりにくいという問題の解決に繋がると期待されています。Grad-CAMと呼ばれる技術は、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表示することで、この問題解決に貢献しています。例えば、人工知能がある画像を見て「猫」と判断した場合、Grad-CAMは画像中の猫の顔の部分を強調して表示します。このように、Grad-CAMを用いることで、人工知能が画像のどの部分に基づいて判断を下したのかを理解することができるため、人工知能の判断の根拠を説明する際に役立ちます。また、人工知能が誤った判断をした場合でも、その原因を特定しやすくなるため、人工知能の改善にも繋がると期待されています。
画像解析

Grad-CAM:AIの思考を可視化する技術

近年、AI技術、特に深層学習を用いた画像認識技術は目覚ましい進歩を遂げ、私たちの生活に革新をもたらしています。自動運転や医療診断など、様々な分野でその力を発揮していますが、一方で、AIがどのようにして画像を認識し、判断を下しているのか、その内部の仕組みは複雑で、人間には理解しにくいという問題があります。 これは「AIのブラックボックス問題」と呼ばれ、AIの信頼性や説明責任を問う上で大きな課題となっています。 例えば、AIが医療画像から病気を診断する場合、AIがなぜその診断結果を導き出したのか、根拠が明確でなければ、医師は安心して治療方針を決定できません。また、自動運転中にAIが事故を起こした場合、AIがなぜそのような判断をしたのかを明確に説明できなければ、責任の所在を明らかにすることが困難になります。 AIのブラックボックス問題を解決するために、近年では、AIの判断の根拠を可視化したり、説明可能なAI(Explainable AI、XAI)の開発が進められています。AIがより身近な存在となるためには、高い性能を達成するだけでなく、その判断プロセスを人間が理解し、信頼できるものでなければならないと言えるでしょう。
画像学習

Faster R-CNN: 物体検出の革新

物体検出とは、写真や動画に写っている特定の物を見つけて、それがどこにあるのかを特定する技術です。この技術は、自動運転やロボットの制御、医療画像診断など、様々な分野で応用されており、近年注目を集めています。 近年、深層学習という技術の進歩によって、物体検出の精度と速度は大きく向上しました。中でも、Faster R-CNNと呼ばれる技術は、この分野を大きく前進させた革新的な技術として知られています。 従来の物体検出技術では、検出したい物体の候補領域をあらかじめ特定する必要がありました。しかし、Faster R-CNNでは、画像全体から物体の候補領域を自動的に抽出する仕組みを持っているため、従来よりも高速かつ高精度な物体検出が可能になりました。 Faster R-CNNは、画像から特徴を抽出する畳み込みニューラルネットワークと、物体の候補領域を抽出する領域提案ネットワーク、そして抽出された領域が何の物体であるかを分類する分類器の3つの部分から構成されています。 Faster R-CNNの登場により、物体検出技術は大きな進歩を遂げました。そして、自動運転や医療画像診断など、様々な分野への応用が進んでいます。今後も、Faster R-CNNのような革新的な技術が登場することで、物体検出技術はさらに発展していくと期待されています。
画像解析

Fast R-CNN:物体検出の高速化

物体検出は、画像認識の分野において重要な技術として注目されています。写真や動画に写っている物体が何であるかを特定するだけでなく、その位置まで正確に把握することで、自動運転やセキュリティシステム、医療画像診断など、様々な分野への応用が期待されています。しかし、この物体検出には、克服すべき課題も存在します。 物体検出における大きな課題の一つが、処理速度の問題です。従来の物体検出手法は、複雑な計算を必要とするため、処理に時間がかかる傾向がありました。特に、リアルタイム処理が求められる自動運転や、大量の画像データを扱うセキュリティシステムなどでは、高速化が不可欠です。もし、処理速度が遅ければ、自動運転中の障害物検知に遅延が生じ、事故に繋がる可能性もあります。また、セキュリティシステムにおいても、リアルタイムでの不審者検知ができなければ、その効果は大きく減ってしまうでしょう。 この処理速度の問題を解決するために、近年では、深層学習を用いた高速な物体検出手法の研究開発が盛んに行われています。深層学習は、人間の脳の神経回路を模倣した学習方法であり、大量のデータから特徴を自動的に学習することができます。この深層学習を用いることで、従来の手法よりも高速かつ高精度な物体検出が可能となりつつあります。 物体検出技術の進化は、私たちの生活をより安全で快適なものへと変えていく可能性を秘めています。今後も、処理速度の向上や精度の向上など、更なる技術革新が期待されています。
ニューラルネットワーク

画像認識の進化:FCNによるセマンティックセグメンテーション

これまで、写真や画像に写っているものをコンピューターに認識させる技術は、写っているものが「犬」であるとか「車」であるといったように、対象が何であるかを特定することを主眼としてきました。しかし近年、コンピューターによる画像認識技術は飛躍的な進歩を遂げ、従来の手法とは一線を画す新たな段階へと突入しています。 その立役者と言えるのが、「FCN(完全畳み込みネットワーク)」と呼ばれる技術です。従来の技術では、画像全体から特徴を抽出していましたが、FCNは画像を細かい区画に分割し、それぞれの区画に対して分析を行います。そして、各区画が「空」なのか「道路」なのか「人」なのかといったように、画像の意味内容をピクセル単位で識別していきます。 これは「セマンティックセグメンテーション」と呼ばれる技術で、画像認識における革新的な進化と言えるでしょう。FCNの登場により、自動運転における周囲環境の認識、医療画像診断における病変部位の特定など、これまで以上に高度で精密な画像認識が可能となり、様々な分野への応用が期待されています。
アルゴリズム

ゲームを制覇するAI:深層強化学習の勝利

- 深層強化学習とは深層強化学習は、人間が経験を通して物事を学習していく過程を参考に誕生した、機械学習の一分野です。従来の機械学習では、大量のデータ一つひとつに正解を人間が与えて学習させる必要がありました。しかし深層強化学習では、コンピュータ自身が試行錯誤を繰り返す中で、行動の結果として得られる「報酬」を最大化するように学習していくという特徴があります。これは、まるで人間が幼い頃に、何度も失敗を繰り返しながら自転車に乗れるようになる過程に似ています。自転車に乗るために必要な知識を教えられても、実際に乗れるようになるには、何度も転びながら、バランスの取り方やペダルの漕ぎ方を体で覚えていく必要がありますよね。深層強化学習もこれと同じように、正解が明確にわからない問題に対しても、試行錯誤と報酬を通じて、コンピュータ自身が最適な行動を自ら学習していくことができるのです。この技術は、囲碁や将棋などの複雑なゲームに特に有効です。なぜなら、これらのゲームには膨大な選択肢と複雑なルールが存在し、人間がすべての状況に対して正解を教え込むことは不可能だからです。深層強化学習を用いることで、コンピュータは自己対戦を通じて経験を積み、人間のプロ棋士を凌駕するほどの強さを身につけることができるようになったのです。
ニューラルネットワーク

Transformer:自然言語処理の新星

2017年に登場したTransformerは、人間が日常的に使う言葉をコンピュータに理解させる技術である自然言語処理の分野に革命をもたらした画期的なネットワークです。 従来の自然言語処理モデルは、文の構造を逐次的に処理していくため、処理速度や長文理解に限界がありました。しかしTransformerは、文全体を一度に捉えることができる「注意機構」と呼ばれる仕組みを採用することで、これらの課題を克服しました。 注意機構は、文中の各単語が他の単語とどのように関連しているかを分析し、重要な情報に焦点を当てることができます。この革新的な仕組みによって、Transformerは翻訳、文章生成、質問応答など、様々なタスクにおいて従来のモデルを凌駕する精度を達成しました。 例えば、翻訳においては、より自然で文脈に沿った翻訳が可能となり、文章生成においては、より人間らしい文章を生成することができるようになりました。また、質問応答においては、膨大なデータからより正確に情報を抽出することができるようになりました。 Transformerの登場は、自然言語処理技術の進化を加速させ、その後の技術発展に大きく貢献しています。現在では、Transformerを基盤としたBERTやGPT-3などの大規模言語モデルが開発され、様々な分野で応用されています。これらのモデルは、人間の言語をより深く理解し、より複雑なタスクをこなすことが期待されています。
画像学習

画像認識に革命を起こすVision Transformer

私たちは普段、意識することなく目で見たものを認識し、理解しています。これは人間にとってごく自然な行為ですが、コンピューターにとっては非常に難しい処理です。コンピューターに画像を認識させるためには、これまで「畳み込みニューラルネットワーク(CNN)」と呼ばれる技術が主に用いられてきました。CNNは画像データの特徴を効率的に学習できるため、画像認識の分野を大きく発展させてきました。しかし、2020年にGoogleが発表した「Vision Transformer(ビジョントランスフォーマー)」は、CNNとは全く異なるアプローチで画像認識を行う革新的な技術として注目を集めています。 Vision Transformerは、自然言語処理の分野で成功を収めている「Transformer」という技術を応用したものです。Transformerは、文章を単語ごとに分割し、単語同士の関係性を分析することで、文章の意味を理解します。Vision Transformerは、この仕組みを画像認識に応用し、画像をパッチと呼ばれる小さな領域に分割し、パッチ同士の関係性を分析することで、画像に何が写っているのかを認識します。従来のCNNは画像の局所的な特徴を捉えることに優れている一方で、画像全体の関係性を捉えることは苦手でした。しかし、Vision Transformerは画像全体の関係性を捉えることができるため、従来のCNNを超える精度で画像認識を行うことが可能になりました。これは、画像認識技術の新たな時代の到来を予感させるものです。
ニューラルネットワーク

畳み込み処理の効率化:ストライド

画像認識をはじめとする様々な分野で目覚ましい成果を上げている畳み込みニューラルネットワーク(CNN)。その核となる処理が畳み込み処理です。この処理では、フィルタと呼ばれる小さな窓を画像データの上で移動させながら計算を行います。 このフィルタが一度に移動する幅のことをストライドと呼びます。 例えば、画像を縦横1ピクセルずつずらしながらフィルタを適用していく場合、ストライドは1となります。一方、ストライドを2に設定すると、フィルタは1度に2ピクセルずつ移動することになります。 ストライドを大きくすると、処理速度が向上するというメリットがあります。これは、フィルタを適用する回数が減るためです。しかし、その反面、画像情報の一部が無視されるため、特徴の抽出が粗くなってしまう可能性があります。 ストライドは、CNNの精度と計算コストのバランスを取る上で重要なパラメータです。適切なストライド値を設定することで、効率的に画像認識などのタスクを実行することができます。
言語モデル

文脈を予測するAI技術 – スキップグラム

近年、人工知能(AI)の技術革新が目覚ましく、様々な分野で応用が進んでいます。中でも、人間が日常的に使う言葉をコンピュータに理解させる「自然言語処理」は、AIの大きな挑戦の一つと言えます。人間にとっては簡単な言葉の認識や理解も、コンピュータにとっては非常に複雑で難しい処理が必要となるからです。しかし、AI技術の進歩により、言葉の意味や関係性を分析し、人間のように言葉を扱うことが少しずつ可能になりつつあります。 こうした中、注目されている技術の一つに「スキップグラム」があります。これは、文中の単語をいくつか飛ばしてその間を予測させるという、一見変わった学習方法を用いています。例えば、「桜」と「満開」という言葉の間を予測する場合、人間であれば「が」や「に」といった助詞や、「は」、「です」といった動詞を補うでしょう。スキップグラムは、このように単語間の関係性を学習することで、文脈を理解し、より人間に近い形で言葉を扱えるようになると期待されています。この技術は、機械翻訳や自動要約、チャットボットなど、様々な分野への応用が期待されており、私たちの生活を大きく変える可能性を秘めています。
ニューラルネットワーク

スキップ結合:深層学習におけるブレークスルー

- スキップ結合とはスキップ結合とは、人工知能の分野、特に画像認識でよく用いられる畳み込みニューラルネットワーク(CNN)と呼ばれる技術において、層と層の間に新たな情報の伝達経路を作る技術です。 従来のCNNでは、情報は層を順番に通過していくことで、徐々に複雑な特徴へと変換されていきます。例えば、最初の層では画像の輪郭を、次の層では物の形を、さらに次の層では物の種類を認識するといった具合です。この時、各層は直前の層から受け取った情報のみを用いて処理を行います。しかし、スキップ結合を用いることで、この情報の伝達方法が変わります。スキップ結合では、深い層は直前の層の情報だけでなく、もっと前の層の情報も直接受け取ることができます。 例えば、10層目と15層目の間にスキップ結合を作ると、15層目は14層目の情報だけでなく、10層目の情報も直接受け取ることができます。このように、情報を飛び越して伝える経路を作ることで、ネットワーク全体の情報の流れが改善され、より効率的に学習を進めることが可能になります。 具体的には、勾配消失問題の緩和や、より広範囲な特徴量の学習といった効果が期待できます。スキップ結合は、ResNetと呼ばれる画像認識モデルで初めて導入され、その後のCNNの発展に大きく貢献しました。現在では、様々なCNNモデルにおいて重要な技術として広く用いられています。
画像学習

画像認識の立役者:畳み込み処理を紐解く

- 畳み込みとは 畳み込みは、画像認識の分野において画像データから重要な情報を引き出すために欠かせない処理です。 簡単に言うと、畳み込みは画像に対して特殊なフィルターをかける処理と言えます。このフィルターは「カーネル」とも呼ばれ、小さな格子状の数字の集まりで表されます。 カーネルは画像の上を滑るように移動しながら、各位置で画像の画素値とカーネルの数字を掛け合わせて、その合計値を新しい画像の画素値として出力します。 この処理によって、元画像の特定の特徴が強調された新しい画像が生成されます。 例えば、輪郭を検出するカーネルを用いると、画像中の色の変化が大きい部分、つまり輪郭が強調された画像が得られます。また、ぼかし効果を加えるカーネルや、特定の方向に伸びた線を強調するカーネルなど、様々な効果を持つカーネルが存在します。 畳み込みは、画像認識だけでなく、音声処理や自然言語処理など、様々な分野で応用されています。