北海道大学 研究シーズ集

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「システム」の検索結果:98件

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  • 圧縮センシング法を用いた電波の状態推定

    高精度な位置推定・チャネル予測をめざして

    圧縮センシング法は、必要とする未知数の数よりも少ない観測データから、ある条件の下で解を求める手法である。この研究では、圧縮センシング法を用いて、電波の到来方向推定や、チャネル予測、散乱体検出を行っている。

    • 図1.電波の到来方向推定のイメージ図
      受信機の周囲を細かい角度に分割して,各角度において到来波があれば複素振幅を(到来波がなければ0を)ベクトルの要素とすることで、圧縮センシングのアルゴリズムを適用する。

    • 図2.到来素波を合成することによるチャネル予測
      端末に到来する電波を細かく分離し、それを再合成することで未来の通信状況(チャネル)を予測することができる。

    • 図3.散乱体検出の模式図
      送信アンテナから電波を送出し、散乱体からの反射波を複数の受信アンテナで受信する。送信信号と受信信号の変化、若しくは、受信信号間の差異を分析することで、散乱体の位置を検出することができる。

    研究の内容

    必要とする未知数の数よりも少ない観測データからは、一般にその未知数を一意に求めることはできない。ところが、未知数の大多数が0であるという条件があるとき、その解を正確に得ることができる場合がある。圧縮センシング法は、この性質を利用して、観測をできる限り少なくしつつ正確な解を得る方法である。当研究室では、図1に示すような電波の高精度な到来方向推定への応用や、それを利用して到来波を素波に分割してチャネル予測する方法(図2)、およびレーダシステムにおいて圧縮センシング法を利用した散乱体検出(図3)について検討を行っている。

  • 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。

  • 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。

    工藤 峰一 教授 Mineichi Kudo
    工学博士
  • 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。

  • 高速ロボティクス

    "高速性"をキーワードとして,高速化に必要なアーキテクチャから,高速化に付随して生じる課題解決技術まで,理論・アルゴリズム・デバイス・システム・アプリケーションといった総合的な観点でロボット開発をおこなっています.

    • 視覚情報による姿勢安定化を利用した高速二足走行

    • ハイブリッド軌道生成によるバッティング動作

    • 環境拘束を利用した片手ルービックキューブ操作

    • 接触探索に基づく高速ネジ回し

    研究の内容

    主に以下の3つのカテゴリーから構成される高速ロボティクスを研究しています.
    I. スポーツスキル:従来のロボットが不得意としていたダイナミックな運動を実現する研究.特に,スポーツ時に観測されるような投打走捕に関する技能の創出を目指します.
    II. 動的操り:多指ハンドを利用して特定作業の自動化・高速化を実現する研究.特に,組立から検査までを対象とした多種多様なタスク/工程の遂行を目指します.
    III. 衝撃完全制御:高速接触時に生じる撃力を抑制して,高速性と柔軟性を両立する研究.特に,バックドライバビリティに着目した新たな衝撃緩和技術の確立を目指します.

  • 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。

    小野 哲雄 特任教授 Tetsuo Ono
    博士(情報科学)
  • 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。

  • 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。

  • 情報科学・工学のための数理解析技術

    システム同定・設計と逆問題

    システム同定・設計や未知対象の推定などに関連する情報科学・工学分野の問題を解決するための方法論の探求、及び、応用技術の開発。

    • 色彩復元ソフトウエアの実行例

    • 画像からの不要物体の除去例

    研究の内容

    情報科学や工学の分野においては、所望の結果を与える数理的なシステムの設計問題や、所与の入出力を与える数理モデルの特定問題、システムと観測から未知入力を推定する逆問題などが多く現れます。これらの問題を扱う際に、個々の問題特有の条件と個々の問題とは独立した数理モデルに分けて解析を行うことで、性能や限界を理論的に見極めることが可能となり、また、類似した数理モデルで記述できる問題への水平展開も可能となります。これまで、この独自のスタンスで、画像や色彩の復元や、音響信号に含まれる個々の音の分離、パターン認識や標本化理論を含む機械学習問題において様々な方法論の構成や応用技術を開発してきました。今日の発展著しい多様な計測技術に我々の方法論を適用することで、理論に裏打ちされた様々な応用技術の開発が期待できます。

  • 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。

  • 数理的手法に基づくシステム制御技術

    機械システムからエネルギーマネジメントシステムまで

    数理モデルに基づくシステム制御技術は、四輪ロボットなどの機械システムからエネルギーマネジメントシステムなどの社会システムまで幅広い分野に適用できます。本研究室では特に、非線形システムとハイブリッドシステムに対する制御手法を開発しています。

    • 図1 四輪ロボット

    • 図2 高低差(制御リアプノフ)の設定例

    研究の内容

    マニピュレータや自動車のエンジンなど多くのシステムは非線形システムになります。多くの従来手法では個別ケースを考えています。本研究室では制御リアプノフ関数を用いた統一的な制御手法を開発しています。例として、平面を走る四輪ロボットを考えます(図1)。障害物回避や目標位置への移動を達成するために、疑似的に高低差を設定します(図2)。障害物がある場所は高く、目標位置は低く設定します。これにより、四輪ロボットは「低い位置をたどる」という簡単なルールだけで、制御目的が達成できます。
    また、ダイナミクスの切替を含むダイナミカルシステムはハイブリッドシステムと呼ばれ、多くの応用が知られています。最近は、ハイブリッドシステムのエネルギーマネジメントシステムへの適用を進めています。特に、需要家の電力消費モデルを開発しています。

  • スポーツコンテンツの次世代可視化技術

    知識共有を加速させる情報提示技術の創世

    スポーツの観戦や教育等を助けるデータを提示する次世代可視化技術を構築します。利用者やその周辺環境から得られる多様なデータから、「分析データ」と「利用環境に適応した提示方式」を定める理論を導出し、知識共有を加速させる情報提示を可能とします。

    • サッカー競技におけるパス可能な領域の可視化の例

    • フォーメーションを分析する様子の例

    • 優勢な度合いの分析・可視化の例

    研究の内容

    スポーツを取り巻く現状として、様々な映像配信が普及し、映像と共に関連するデータをスマートフォン等のモバイル端末によって閲覧する新しい観戦の環境が構築されつつありますが、サッカーにおいては、フリーキックの成功率や走行距離等の基本的なデータを閲覧可能としていることに留まっています。本研究は、利用者やその周辺環境から得られる多様なデータを分析し、利用者の理解を助け、知識や経験が必須な場合においても、その知識共有を加速させる可視化を可能とします。例として、パスコースや優勢な度合い等が挙げられます。本研究の可視化技術は、利用者を取り巻く様々なデータを取得し、多様な情報を利用環境に適応して提示可能とするものであることから、IoTやAIの分野への応用可能性が高く、これら分野における新技術の創世への貢献が期待できます。

    高橋 翔 准教授 Sho Takahashi
    博士(情報科学)
  • 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。

  • 大規模電磁界解析による乗り物内
    無線接続サービスの電波伝搬特性評価手法

    ワイヤレス環境の最適設計を目指して

    航空機や旅客鉄道車輛内などの複雑で特殊な伝搬環境評価,電波の人体侵入,さらに体内埋込み型医療機器の電磁干渉評価とメカニズム推定,電気自動車無線給電装置の漏洩電磁界評価など,様々な電波利用分野での研究実績を上げてきている。

    研究の内容

    乗り物内の無線伝搬環境は,周囲が金属であることによる多重反射,加えて内部に什器や乗客の存在により,従来の伝搬モデルとは異なる特殊な環境になる。そのため,実運用状況の無線接続品質を見積もるには,乗客人体等による電波の吸収・散乱の効果を含めた電波伝搬特性の評価が必要となるが,実測や簡便な数値解析(レイトレース等)にてこれらを評価することは困難である。本研究は,従来困難であった乗り物内の伝搬環境モデリングに取り組み,超大規模解析空間におけるシミュレーション手法をスーパーコンピュータの利用により実現するものである。

  • 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。

  • 動画像リアルタイム処理技術

    アルゴリズム開発とそのハードウェア実装

    本研究室では、近年大容量(高解像度・高フレームレート)化が著しい動画像を対象として、画像平滑化(スムージング)や明るさ補正を中心とした、各種画像処理アルゴリズムならびにそのリアルタイム実装に関する研究開発を推進しています。

    • (a)入力画像 (b)推定照明光 (c)明るさ補正結果
      図1 Retinex理論に基づく動画像適応的明るさ補正

    • (a)入力画像(b)画像平滑化結果(c)実装で用いるFPGAボードの例
      図2 コスト最適化に基づく画像平滑化

    研究の内容

    画像処理では一般に取り扱うデータ量が膨大であるため、ハードウェア/ソフトウェアを組み合わせたシステム全体としての最適化が必要不可欠です。本研究室では、画像処理のアリゴリズムおよびその実装に関する検討を相補的に行うことにより、画像処理システムの構成手法に関する研究を行っています。その成果の1つであるRetinex理論に基づく動画像リアルタイム適応的明るさ補正(図1)では、逆光などの照明変化が大きい状況下で撮影された映像の明るさを、適応的かつリアルタイムで補正することが可能です。また、コスト最適化に基づく高品位な画像平滑化(スムージング) (図2)に関する研究も進めており、これは写真のイラスト化といった画像加工処理や、各種画像処理の前処理、明るさ補正、細部強調などへの応用が期待されます。

  • ナノ知識探索プロジェクト

    ナノ結晶デバイスの実験記録からの知識発見

    本研究では、ナノ結晶デバイスの研究開発の過程で作成される実験記録やその成果を取りまとめた論文などから、デバイス開発に有用な情報を抽出し、整理する知識マネージメントの研究を行っています。

    研究の内容

    本発表では、実際のナノ結晶デバイス開発の研究者からのインタビューに基づいた、実験記録管理システムを提案しています。本システムでは、これまで別々に保存記録されていた実験に用いていたパラメータの記録と、その結果である実験記録を統合的に管理する方法を提案しています。また、最終的な実験のまとめである論文からの情報抽出を行うことにより、研究者によって行われる一連の実験の目的や特徴などを詳細に分析し、様々な事例間の類似性などを議論するための基盤として活用する方法を提案しています。本手法では、少数の手作業で作成した情報抽出のためのコーパスに、機械学習の方法を用いることにより、未知の論文に対し、有用な情報抽出を行うための方法を提案しています。

  • バイオメディカル光イメージングのための数理アルゴリズム開発

    生体における光伝搬数理モデルの構築

    バイオメディカル光イメージングの発展には、高精度かつ計算効率に優れた光伝播モデルが必要です。本研究では、光伝播を高精度に記述する輻射輸送方程式の高速解法を構築することに成功しました。提案手法による光診断・治療の高度化に取り組んでいます。

    • 近赤外光
      近赤外光(700nm-900nmの波長領域の光)は生体深部まで伝播することが可能で、図のように成人男性の手の厚み程度であれば透過することができます。

    • 伝播モデルの構築:輻射輸送方程式の高速解法
      光拡散方程式(DE)が成立しない検出点位置において、輻射輸送方程式(RTE)と本研究提案の連結モデル(Hybrid)による積分光強度Φは良く一致しています。

    • ヒト頸部内における光伝播
      頸部前方(紙面上部)から光を照射した場合における積分光強度分布シミュレーションです。甲状腺の情報を有した光は検出可能であると考えられます。

    研究の内容

    本研究では、輻射輸送方程式に基づいたバイオメディカル光イメージングの数理アルゴリズム構築を行っています。従来の数理モデルに基づいたイメージングでは適用できなかった生体組織や生体部位にも適用でき、また画像解像度の優れたイメージング技術を目指しています。これまで、輻射輸送方程式の数値計算負荷は膨大であることから、小さいサイズの生体に適用が制限されていました。本研究では、輻射輸送方程式と光拡散方程式を連結することによって、高精度かつ計算効率に優れた光伝播モデルを開発することに成功しました。開発した光伝播モデルに基づいた光イメージングは、様々な生体組織・部位に適用可能です。現在は、ヒト頸部における甲状腺腫瘍の光診断や、生体組織における光学特性値のin-vivo評価への適用に向けて取り組んでいます。

  • 発想支援型マルチメディア検索システム

    画像や映像などのデータを有機的に連携することで、検索者に気づきを与え発想を支援する情報検索システム

    発想支援型マルチメディア検索システムは、画像、音楽、映像等の非構造化データを有機的に連携し、内在する類似性の抽出、およびその効果的な提示によって、検索者に気づきを与え、発想を支援する情報検索を実現します。

    • 画像検索システムImage Vortexは実用化され、Image Cruiserとして利用されています。(http://spir.ist.hokudai.ac.jp/shiga_photo.html)

    • ・連想型映像検索エンジン (Video Vortex)

    • ・トリガーレス情報推薦システム (Query is You! & COSMOS)

    研究の内容

    異なるメディア間での関連付けと類似性の導出、マルチメディア情報が持つ曖昧性を許容した連想型の検索スキーム(融合型検索)、ユーザネットワークによる個人の嗜好のモデル化、及びユーザインタフェースによる嗜好の類似性のビジュアライゼーション(個人適応型検索)を逸早く導入した新たな検索エンジン及びインタフェースを実現しています。これらを用いることによって、マルチメディアコンテンツ固有の多義性と曖昧性を効果的に利用した全く新しい検索が可能となっています。

  • バンディット手法を用いた推薦技術

    知識を獲得しながら累積利得を最大化するオンライン学習技術

    ユーザが好むであろうアイテムのお勧め(知識の利用)のみでなく、ユーザの好み情報が多く得られるであろうアイテムのお勧め(知識の獲得)もバランスよく行い、ユーザの累積満足度を最大化するお勧め手法を研究しています。

    • 人工データによるシミュレーション実験結果。
      1000×1000(ユーザ,アイテム)ペアから毎ラウンド50ペア選んで
      リコメンデーションメールを送る設定。
      提案手法(UCBVB,UCBPMF)の方が100ラウンド後累積平均評価値が高い。

    研究の内容

    現在のインターネット社会において、リコメンデーション技術はうまく働けばサービスを提供する側・受ける側の双方に利益をもたらすものです。リコメンデーションサービスは1回きりのものではなく、毎回フィードバックを受けながら繰り返し行うものであり、しかもフィードバックはお勧めしたもののみに対して得られるものです。したがって、フィードバック履歴よりユーザが好むであろうアイテムをお勧め(知識の利用)するのみでなく、フィードバックからユーザの好み情報が多く得られるであろうアイテムもお勧め(知識の獲得)することがその後のお勧め精度を上げるためには重要です。この知識の利用と獲得のバランスをとってユーザ満足度の最大化を試みるのがバンディット手法です。 バンディット手法を用いたお勧め方式の開発を行っています。