北海道大学 研究シーズ集

情報通信:41件

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  • 社会実装に到達するマルチメディア人工知能技術

    産学連携研究を通してAI技術の実用化に迫る!

    本研究では、画像・映像・音楽・音声を中心とするマルチメディアデータを対象とした人工知能技術の開発を行っています。特に、産学連携研究を中心として、医用画像、社会インフラデータ、材料科学等に関わるデータを研究対象として扱っています。

    • 本研究において構築されている最先端のAI研究群

    • 本研究が加速する異分野連携と社会実装への挑戦

    研究の内容

    我々は、世界最先端の人工知能研究だけでなく、融合領域研究を推進し、実社会の課題解決に挑戦しています。具体的に、医用画像研究では国内の多数の医療機関と連携し、人間の診断精度を超えるAI技術を構築しました。また、医療・土木の研究では、AI研究の課題でもある少量データ学習を可能にするだけでなく、判定結果を説明可能にするExplainable AI (XAI)を構築し、実際の現場で利用可能な技術の実現を行っています。また、近年では、人間の脳活動データや視線データ等、人間の興味や関心に強く関連する情報をAIの学習過程に導入することで、人間のように判断可能なヒューマンセントリックAI技術の構築を行っています。

  • 小型電子加速器中性子源を用いた
    通信機器のソフトエラー試験

    宇宙線に起因する通信機器の誤動作を未然に防ぐ

    通信ネットワークを支える機器の半導体デバイスの高集積化が進展してきており、宇宙線中性子によるソフトエラーの確率が高まることが懸念されている。その対策のため、北大の小型加速器中性子源を利用して、通信機器のソフトエラー試験を実施している。

    • 中性子ソフトエラー試験の概念図(NTT提供)。3台の装置に同時にビームを照射することができる。

    研究の内容

    通信機器の大容量化・高機能化に伴い、半導体デバイスの高集積化が進んでいる。しかし、宇宙線中性子によって、ビット情報が反転し動作が混乱するソフトエラーの増加が懸念されている。そこでNTTと共同で、小型電子加速器駆動中性子源によりソフトエラーを再現させ、トラブルに対して事前に対策技術を開発できる場を提供できるようにした。これにより、故障発生率を事前に予測できるようになると共に、エラー検出や運用対処の確認が可能となり、機器の信頼性の向上につなげられる。
    本技術の特徴は「小型加速器中性子源」の活用である。従来は大規模加速器中性子源が必要とされてきたため、試験時間や実験スペースの十分な確保は困難であった。しかし本学における研究により、中性子強度が自然界の約数百万倍の施設でも、十分な試験が可能であることを実証した。

  • 加速度センサーによるつまずき場所の特定

    高齢者の転倒予防のために

    転倒による重篤な怪我を避けるために予兆である“つまずき”の多い場所を普段の生活者の行動から探すシステムを検討した。サンダルに埋め込んだ加速度センサーによりつまずいたことを、天井の赤外線センサーネットワークによってつまずいた場所を特定する。

    研究の内容

    高齢者の緊急搬送の約8割は転倒事故だそうである(2014年東京消防庁調べ)。衰えた身体能力に意識が追いつかず小さな段差や履物、衣服につまずく。転倒を検出する研究は多いが実際に転倒を起こしてからでは遅い。そこで、よくつまずく箇所を検出して転倒を誘引する原因を予め取り除くことを考えた。ウェラブル(身につける)な装置は物忘れや装着への心理的抵抗に関して、監視カメラなどのノンウェラブル装置では死角やプライバシィの保護に関して問題がある。本研究では、普段履きのサンダルなどに加速度センサーをとりつけて“つまずいた”ことを検出する一方、連動して働く天井に設置した赤外線センサーネットワークでその箇所を特定する。実験では転倒は容易に区別できたが、つまずきを通常歩行から区別する精度は現状1/4程度であるため今後精度向上が望まれる。

  • 高付加価値メディア情報通信技術

    情報ハイディング技術によるサブチャネルデータ通信
    を利用したメディア情報通信技術の高付加価値化

    本来は情報セキュリティの手法として利用されることが一般的な情報ハイディング技術を転用することで、標準フォーマットとの互換性を維持しながらも新たな機能をつけ加えることができる高付加価値メディア情報通信技術について研究している。

    • 図1 原画像

    • 図2 改ざん画像

    • 図3 改ざんの検出

    研究の内容

    本研究は、情報ハイディング技術によるサブチャネルデータ通信を利用したメディア情報通信技術の高付加価値化を目指している。
    応用例として、本研究は、電話音声のハイファイ化について検討している。従来の電話音声は帯域制限によりこもった品質になっているが、提案法は、あらかじめ送信側で広帯域化のための情報を音声データに埋め込んでおくことで、受信側で電話音声をハイファイ化する手法になっている。
    そのほか、本研究は、原本性保証のための情報を画像データに埋め込んでおくことで、改ざんを検出する手法についても検討している。図1~3に、提案法による自動車のナンバープレートの改ざん検出例を示す。提案法は、画像が改ざんされると該当部分があぶり出され、改ざんの有無だけでなく、改ざんされた箇所も検出できる手法になっている。

  • 携帯端末用高速日本語入力システムの開発

    スマートフォン,携帯電話用の高速で容易な
    日本語入力法の開発

    スマートフォン等の携帯端末に高速かつ容易に日本語を入力する方法は未だ存在しません。本研究では強力な学習機能を用い50音の仮名1行を数字に対応させることにより通常の半分の打鍵数で日本語の入力が可能となるシステムを実現します。

    研究の内容

    本システムは、文字情報縮退方式により入力された数字列を漢字仮名混じり文に変換するものです。文字情報縮退方式により一つの数字にあ行、か行など50音の仮名1行を対応させ、高速かつ容易な入力ができます。本システムでは、入力された数字列と人手により校正された校正済み変換結果から帰納的学習により語を獲得します。したがって、辞書が空の状態からでも文脈に依存した語を獲得し、動的に対象に適応できます。入力が母音情報の縮退した数字の列なので、曖昧さが生じます。この曖昧さを解消するため、隣接文字情報、最上位階層語、位置推測情報を利用しています。最上位階層語の利用と位置推測処理により、獲得される語数の増大を図っており、隣接文字情報により、語のつながりを考慮した変換が可能となっています。

  • エネルギーハーベスティング

    振動発電とマイクロ波レクテナ

    橋梁や鉄塔など社会インフラの安全管理や輸送機の状態管理のために無線センサが有効です。われわれは環境中のエネルギーを回収して無線センサに電力を供給する振動発電型およびマイクロ波型のエネルギーバーベスタを開発しています。

    • マイクロ波ハーベスタ

    • カオス振動発電機

    研究の内容

    振動型エネルギーハーベスタでは、構造物やエンジンの振動から微小な電力を発電します。このハーベスタでは、強力な永久磁石が振動により変位したとき、コイルの磁界が変化して発生する誘導起電力を利用します。当研究室のハーベスタでは特に、カオス振動を発生させ、広帯域の振動周波数から電力が得られるようにしています。マイクロ波ハーベスタでは、無線LANやテレビの電磁波など、環境中に存在する電磁波から電力を発生します。このため、広い周波数帯域で効率よく電磁波を受信できるアンテナや、受信した電力を効率よく蓄える回路を開発しています。

    五十嵐 一 教授 Hajime Igarashi
    博士(工学)
  • センシング用低電力A/D変換器

    Time to digital converter のA/D変換器への利用と
    その低電力化

    もっとも簡単な構成であるSingle-Slope A/D変換器は、イメージセンサなど様々な形で利用されています。しかし、変換速度が遅いことが欠点でした。本手法は、その高速化と低電力化を同時に実現する技術です。

    研究の内容

    Single-Slope A/D変換器は、アナログ値を時間に変換してデジタル化します。そこで、Time to DigitalConverter (TDC) を用いることで、変換時間を大幅に削減できます。しかしながら、消費電力が大幅に増加してしまいます。TDCを間欠動作させることでTDC部の消費電力を数十分の一に削減し、高速化と低電力を両立いたします。本手法の特徴として、以下が挙げられます。
    ・低電力/高速化/小面積なA/D変換器の実現
    ・高精度・粗精度な2つの計測の同期・整合性を原理的に保証
    ・A/D変換特性が連続的で補正が容易。

  • 境界要素解析フレームワークと分散H行列法

    最先端の大規模・高精度解析を実現する

    並列計算環境において高性能な境界要素解析を実現するためのソフトウェアフレームワークを開発しました。また、同解析を高速化する技術であるH行列法について、分散環境に対応したライブラリを開発し、多様な応用分野のプログラム上で性能評価を行いました。

    • 図1. JST CRESTによる開発ソフトウェア

    • 図2. 開発ソフトウェアを用いた表面電荷法による解析例

    研究の内容

    本研究では、JST CREST「自動チューニング機構を有するアプリケーション開発・実行環境」の一環として、並列境界要素解析フレームワークを開発しました。本フレームワークを利用することにより、少ないプログラミングコストで大規模並列計算システムに対応する境界要素解析プログラムを開発することができます。また、本プロジェクトでは、H行列と呼ばれる密行列をよりデータ量の少ない行列で近似する手法のライブラリを開発しています。本ライブラリは境界要素解析以外のN体問題等の解析でも利用が可能であり、既にスパコン上の地震シミュレーション等に活用されています。複数のスレッドとプロセスを活用するハイブリッド並列処理に対応したH行列に関するライブラリは国内外でも他に例がなく、本研究の特徴となっています。

    岩下 武史 教授 Takeshi Iwashita
    博士(工学)
  • 光複素振幅計測技術

    光の空間位相情報を検出可能にする「見えないものを見るための技術」

    本技術は、2台のセンサと偏光光学素子によって、空間補完誤差を生ずることなく1回の計測で光位相分布の精確な検出を可能にします。3D画像計測、3D断層計測、デジタル位相共役、3D光メモリ、空間モード光通信など多岐にわたる応用が期待されます。

    • ◆ホログラフィックダイバーシティ干渉計の構成

    • ◆位相計測例(リング状の構造を有する光学素子)

    • ◆複素振幅虚部の計測例(ファイバから出射した空間モード)

    研究の内容

    ホログラフィックダイバーシティ干渉法では、複数のイメージセンサを偏光光学素子と組み合わせて配置することで、空間補完誤差を生ずることなく1回の計測で精確な光位相分布の検出を可能にします。これまでに、2台のイメージセンサによる干渉光学系の開発と計測アルゴリズムの大幅な改良を行い、高精度な位相計測を実現すると共に、計測された位相分布データを用いた3D情報処理を可能にしました。この技術は、3D光情報の取得やデジタル位相共役による光断層撮影、ならびに、3D光メモリに直接応用することができます。また、本研究では、信号光に空間フィルタリングを施した光を信号光と再干渉させる参照光不要型位相検出装置の開発にも成功しました。これにより、空間モードを用いた次世代超高速光通信システムやリモートセンシング分野への応用が期待されます。

  • コミュニケーションロボットシステム

    対話の活性度を用いた社会空間認識システムおよび複数ロボットによる注意誘導システム

    人同士の対話の活性度を計算することにより、ロボットはその対話空間の「強度」を認識することができ、文脈に適応した行動をとることができる。さらに、このメカニズムを複数ロボットの動作に応用することにより、ユーザの注意誘導が可能となる。

    • 図1 携帯端末を用いた2者間の対話活性度の計算と対話空間の可視化

    • 図2 対話活性度を利用した、ロボットによる対話の割り込み動作

    • 図3 複数ロボットの共同注視による視線誘導

    研究の内容

    本研究の対話活性度計算システムでは、対話者間の距離、音声データ、身体動作などの情報を用いて、リアルタイムで活性度を計算する。この活性度を用いることにより、ロボットは対話空間に侵入してよいのか、対話を中断してよいのかを判断することができ、文脈適応的な行動をとることができる。さらに、複数のロボット同士の行動に対して、対話活性度を高めるような動作をさせることにより、ユーザの注意(視線など)を容易に誘導することができるようになる。このような対話活性度を用いたロボットの動作生成システムは、従来の社会的ロボットの研究にはなかったものであり、受付窓口のロボットや、家庭向けホームロボットにも応用可能である。

  • イベント情報推薦システム

    イベント数週間前から開催日までにデータを収集して
    適切にイベント情報を推薦するシステム

    イベントに関する情報は情報としての有効期間が短く、従来の情報推薦技術では扱いにくいものでしたが、ユーザの興味や地理的特性など複数の要因を組み合わせることで柔軟に推薦を行う手法を開発しました。

    研究の内容

    ユーザの過去の情報閲覧履歴から、どのようなジャンルや情報源を好むのかを推定し、また興味の似通ったユーザの閲覧傾向を参考にしながら、対象ユーザが興味を持つイベント情報を推定します。さらに、ユーザの地理的特性を考慮して、最終的にユーザへ情報提示を行います。システム全体のパフォーマンスが上がるよう、情報配信のタイミングを全体で調整しています。

    川村 秀憲 教授 Hidenori Kawamura
    博士(工学)
  • クラウドソーシングにおける品質管理

    人間の確信度判断を利用した高精度な意思決定

    インターネットを通して多数の人に仕事を依頼できるクラウドソーシングにおいて、作業結果の品質を保証する研究を行っています。作業結果に対する作業者の確信度判断を用いることで、高品質な作業結果を導きます。

    • クラウドソーシングサービスの概念図。インターネットを通して多数の人に容易に仕事を依頼できます。

    • 確信度と実際の正解率の関係。自信過剰な作業者や自信過小な作業者がいるため、品質管理においては作業者の確信度判断の正確さの違いを考慮することが必要です。

    研究の内容

    近年クラウドソーシングサービスの出現により、インターネットを通して多数の人に容易に仕事(タスク)を依頼できるようになり、画像認識、自然言語処理、情報検索、データベースなど情報科学の様々な分野で活用が進んでいます。クラウドソーシングにおいては、必ずしもすべての作業者がタスクに取り組むのに必要な能力や真面目さを備えているとは限らないため、作業結果の品質管理が重要となります。我々は作業者に自分の作業結果に対する自信(確信度)を申告してもらうことで、作業結果の品質を担保する方法を提案しました。作業者の申告した確信度をそのまま信用するのではなく、自信過剰な作業者や自信過小な作業者の存在を考慮した統計的な品質管理を行う点が技術的な特徴です。

  • ドローン搭載用マルチスペクトルカメラシステム

    次世代の農林水産業に向けたセンシング技術

    可視~近赤外域の光を自由に選択できるマルチスペクトルカメラシステムをドローン搭載用に開発しました。空間走査の必要がないスナップショット方式のため、風などによるドローンのブレに強く、画像解析が容易です。

    研究の内容

    ドローン(マルチコプター)を利用したスペクトル計測、特にハイパーまたはマルチスペクトル撮像の農林水産業等への応用が急速に広まっていますが、機体の軽いドローンは風の影響を受けやすいため、空間走査が必要なプッシュブルーム方式等を採用した従来の撮像方法ではブレや画像の歪みを抑えるのが困難でした。そこで可視~近赤外(460-780 nm)の領域で波長を自由に選択できる液晶波長可変フィルタ(LCTF)を採用したマルチスペクトルカメラをドローンに搭載してスナップショット方式で撮像するシステムを開発しました。これにより、ブレによる空間分解能の低下を抑制しつつ、多波長の情報を取得することが可能になりました。ドローンの高度が150 mの場合は240×180 mの地面を空間分解能36 cmで撮像することができます。

    栗原 純一 特任准教授 Junichi Kurihara
    博士(理学)
  • キーワードプログラミングシステム

    あいまいなキーワード入力からJavaコード片を自動生成

    ユーザ(プログラマ)が統合開発環境Eclipseに入力する少数のあいまいなキーワードに基づき、適切なJavaコード片を自動生成するツール。Javaの文法やAPIを正確に覚えていないユーザでも正しいコード片を効率よく書けるよう支援する。

    • 図1 ツールの動作

    • 図2 ツールの動作. (あいまいキーワード)

    研究の内容

    図1のようにadd lineという2つのキーワードを入力し、Cntl+Spaceを押すと、キーワードをできるだけ含み、文法的に正しく、APIを正しく使い、周辺の変数を使用し、この場所にふさわしい型のデータを計算するarray.add(src.readLine())のようなコード片を出力する。図2では正しい単語から母音を削除したあいまいなキーワードencd txtを入力している。出力はGoogleの検索結果のように評価値の高い順に複数表示され、最適なencodeText(value, charset) をユーザが選択できる。入力ミスで文字が1文字置換または追加されても精度は極端には悪くならない。
    C++等の経験はあるがJavaの経験に乏しいプログラマが暗記すべき知識を少なくして認知的負担を軽くするのに役に立つ。

    栗原 正仁 特任教授 Masahito Kurihara
    工学博士
  • 小型空中映像表示システム

    デスクトップで目の前に映像が浮いて見えて
    直接触れる視覚提示システム

    従来、ディスプレイに表示されていた3DCGなどの映像を、空中に表示する小型映像表示システムを開発しました。デスクトップで目の前に浮いて見える映像に直接手を伸ばして触ることができます。

    • 空中映像表示システム

    • 空中映像とのインタラクション

    研究の内容

    立体視ディスプレイやヘッドマウントディスプレイ(HMD)などの性能向上が、3DCGや仮想現実(バーチャル・リアリティ:VR)の体験の質を向上させました。本研究ではそれらに続く次世代の情報インタフェースを研究しています。空中映像表示技術では、目の前の空間にディスプレイやゴーグルなどの設備はありません。また、ユーザが仮想空間に入り込むのではなく、現実空間に3DCGを表示することで、設備的にも視覚的にも自然な情報提示が可能となります。さらに、映像が見えている場所へ直接手を伸ばすことができるため、映像に触れたり動かしたりすることができます。この空中映像表示システムをデスクトップサイズで実現するとともに、それに適した映像コンテンツの作成技術も研究しています。

  • 垂直離着陸型無人航空機

    飛行機のように高速で飛行し、ヘリコプタのように
      空中停止(ホバリング)可能な無人航空機

    飛行機のように主翼で揚力を得て高速飛行しつつ、ヘリコプタのようにホバリングできる垂直離着陸型無人航空機を実現しました。例えば災害発生時に素早く災害現場に飛行し、上空でホバリングしながら被災地の様子を撮影する、などへの応用が期待されます。

    • テールシッタ型無人航空機

    • 飛行実験

    • クアッドロータテールシッタ型無人航空機

    • 飛行実験

    研究の内容

    DHLやアマゾンが無人航空機による配送のテストを行うなど、無人航空機の産業応用が期待されています。これらの無人機にはマルチコプタと呼ばれるヘリコプタ型が使われていますが、固定翼を使って飛行機のように飛行することで効率よく高速で移動が可能となり、一般のマルチコプタと比較すると同じバッテリで遠くまで飛行することができます。

  • 次世代超高速通信網の核となる高度光通信技術

    情報通信ネットワークの飛躍的な高度化を目指して

    今後20年間に1,000倍の大容量化が必須とされる情報通信ネットワークの飛躍的な高度化のため、次世代超高速通信網の核となるフォトニック基盤技術を実現することを目指しています。

    • マルチコア光ファイバ(1本の光ファイバに複数のコアを有するマルチコア光ファイバを用いた空間分割多重光通信技術の研究を進めています。)

    • シリコン細線光導波路デバイス(超小型光波回路実現のための新規光導波路の開発を行っています。)

    • マルチモード制御技術(モード多重伝送を実現するために、伝送モードを多重・分離可能なモード合分波器やモード依存特性の低減技術に関する研究を行っています。)

    研究の内容

    既存の光ファイバの限界を打ち破る新構造光ファイバの研究、安心と安全を確実にするための光ファイバ応用技術の研究、光化に対応するための超小型光回路の研究、光ファイバや光回路の設計を支援するための光シミュレータの研究を行っています。

  • 電子ホログラフィックHMD装置の開発

    理想的な3D映像の表示

    電子ホログラフィによる3D表示のヘッドマウントディスプレイ(HMD)装置の開発を行っています。これには新たな計算アルゴリズムと新設計の光学系が用いられ、小型、軽量な実用的装置を実現しました。

    • 3DホログラフィックHMD装置

    • 開発された装置による映像
      (赤の矢印と数字はホログラム映像,
      Cと十字は実物体)
      左: 2.0mに焦点   右: 0.5mに焦点

    研究の内容

    電子ホログラフィによる表示装置では人間の視覚生理に適合したストレスの無い3D映像を表示することができます。本研究で開発した電子ホログラフィを用いたヘッドマウントディスプレイ(HMD)では従来必要であった複雑な光学系を、計算機による補正を用いて単純な構成の光学系に置き換えました。これによって、電子ホログラフィとしては世界で最小、最軽量、かつ低価格を実現しています。また、下の図に示すようにホログラムの像を奥行きに合わせて表示することができ,従来のHMDの様に利用者に奥行き焦点ズレによるストレスを与えることはありません。

  • ARコミュニケーションシステム

    端末の位置・姿勢情報の共有によるアバタベースの
    拡張現実グループコミュニケーション

    アバタを仲介とすることで時空の制約を越えたコミュニケーションが可能である。本システムでは、グループコミュニケーションの参加者の位置・姿勢情報を共有し、各参加者の端末から見えるアバタの振る舞いに反映させるARコミュニケーションを実現した。

    • アバタベースのARコミュニケーション

    • ARターゲット上に現れたアバタが参加者端末に追従してポーズを変える様子を、同じ場に参加する別の端末から見た様子

    研究の内容

    従来のアバタベースのコミュニケーションシステムは1対1の通信を基本としているため、仮想と現実が混在する3人以上のコミュニケーション場において、その場に参加する物理的な人の位置や姿勢情報を個々に認識し、それに応じたアバタの振る舞いを、場全体の整合性を保持したまま、個別に制御することは困難であった。
    本研究では, コミュニケーション場に参加する物理的な人々(スマートフォン端末等)の位置・姿勢情報を共通ARターゲットの認識と端末間のネットワーク連携で共有し、これを各端末から見えるアバタの振る舞いに反映させるARコミュニケーションシステムを開発した。アバタはコミュニケーション場の参加者の誰が何処にいるかを把握し、ある参加者端末の動きに追従してポーズを変えるアバタの様子を、別の参加者がそれぞれの視点から見ることができる。

  • 高精度音響位置認識、時刻同期、選択的フリッカレス可視光通信

    サブミリオーダー位置計測とその展開

    従来手法より2桁高精度な測距技術および照明を用いた独自の時刻同期技術とを統合し、携帯端末やロボットの3次元位置ならびに速度を高速かつ正確に推定する。さらに、特定の移動体に対する選択的フリッカレス可視光通信や位置依存の情報配信を実現する。

    • スマートフォンによるジェスチャ認識

    • 室内照明による可視光通信と
      ロボット位置推定

    • ロボットトラッキングシステム

    研究の内容

    室内でのユーザや移動物体の位置をリアルタイムで正確に取得するため、位相一致法と呼ばれる高精度時刻基準点設定法を独自に提案した(測距誤差0.03 mm)。この技術を基にスマートフォンユーザのジェスチャ認識、ロボットトラッキングシステム等を開発した。さらに、カメラ機能搭載の携帯端末とLED照明を用いた独自のアルゴリズムにより、マイクロ秒オーダーの時刻同期を実現した。LED変調と端末位置の位置情報を統合することにより位置依存の情報配信や室内照明によるフリッカレス可視光通信が可能になる。

    杉本 雅則 教授 Masanori Sugimoto
    博士(工学)