| 1 対人プラスチック地雷可視化システム |
| 廣瀬 明・増山 惣一・安田 健造 |
| 本年度は特に、集積アンテナの横方向解像度の実効的高解像度化とアンテナエレメント間の相互結合の補正を実現した。現在、地雷探知には主に金属探知機が利用されているが、地雷以外のものに反応してしまう偽陽性が問題である。より短い波長を利用する地中レーダは、これを解決できる可能性を持つ。われわれはこれまでに複素自己組織化マップを利用する適応的処理によって、特徴量を効果的に分類し、地雷を可視化することに成功している。反射波からより多くの特徴量を抽出することにより、より高い区別を実現することができる。そのためには透過性が小さすぎない範囲でなるべく高い周波数を利用し、またイメージのピクセルを小さくして、３次元的に一層高い解像度を実現する必要がある。本年度は、特殊な高周波スイッチ網を構築し、高解像度化を実現した。またアンテナエレメント間の相互結合の補正も実現した。実際にカンボジアでラテライト土質での実験を行い、より高い区分性能が得られることを確認した。 |
| 2 干渉型開口合成レーダ |
| 廣瀬 明・山城遼 |
| 位相アンラッピングの手段として広く用いられようとしているネットワークフローコスト最小化(NCFM)法では、位相に含まれている特異点を解消するために、逆向きの位相回転成分を離散的に位相マップに挿入している。われわれは、この手法では位相特異点発生の原因である波動の干渉雑音を根本的には解決できないと考え、新たに特異性拡散(SSPU)法を提案した。この方法は、位相の不整合量を特異点の周辺も含めて連続的に補正する方法である。実際に富士山周辺の位相観測データにこれを適用し、NCFM法よりも高いSN比を短い計算時間で達成することが可能であることを示した。また、位相不整合を1/4ずつ4方に拡散させる通常のSSPU法とあわせて、重み付け特異性拡散法も提案した。これは振幅情報も利用して、より信頼性の低い方向により多くの拡散を行う方法である。多くの場合、重み付けSSPU法がより高いSN比を示すことが確認された。さらに、地形とSSPU法の性能の関係について考察した。 |
| 3 アダプティブ アンテナ |
| 廣瀬 明・タン ソフヤン |
| 移動体通信でアダプティブアンテナを基地局に用いる場合、基地局は受信したアップリンク信号からユーザ端末の方向を推定してアンテナ荷重を決定し、空間分割多重を実現できる。その際、特に時分割二重通信方式では、アップリンク受信信号によって決定した荷重をダウンリンクにも利用できる可能性がある。そのためにはユーザ方向の移動の予測が必要となるが、ダウンリンク時間が長いため、これまで十分な性能を得ることが難しかった。われわれは、複素マルコフランダムフィールド(CMRF)モデルに基づく新たな予測方式を考案し、まずシミュレーションによってその性能が優れていることを確認した。現在、検証実験を進めている。 |
| 4 適応的で高機能な超音波イメージング |
| 廣瀬 明・西野智弘・植木雅司 |
| 位相情報を複素ニューラルネットワークで有効に柔軟に扱う超音波イメージングシステムの開発を進めた。従来の超音波計測は、その画像再構成や形状認識などの性能が未だ貧弱である。われわれは、複素ニューラルネットワークを利用することにより、より高機能な計測の実現を目指している。今年度は、まず2次元曲面を対象に、位相特異点拡散法によってその形状を取得する方法を提案し、実験によりその有効性を確認した。この手法は、レーダイメージングで始めてわれわれが提案してモノであるが、超音波イメージングにおいても極めて優秀なイメージング手法であることが確認された。また、フェイズドアレイによる柔軟なパーソナル音響システムの構築も行った。超音波の高い指向性と自己復調効果を利用するパーソナル音響システムでは、原理的にはフェイズドアレイによるビーム走査が可能である。しかし放射素子のばらつきなどにより実際には実現が難しかった。われわれはニューラルネットワークによる学習を取り入れることにより、ビームフォーミングを実現することに成功した。今後、振れ角の増大を進める予定である。 |
| 5 光通信における適応的信号 |
| 廣瀬 明・谷澤 健 |
| 光交換によるメトロネットワークでは、伝送路の分散特性が時々刻々変化する。これに適応的に追随し、また分散特性計測が不要な安定かつ高速に分散補償する方法を提案した。本方法は受信光波形の誤差を直接利用して勾配法によって周波数領域のパラメータを自動調整するものである。本年はその特性をシミュレーションによって解析するとともに、特にVIPAを用いて伝送実験を行い、広い分散値に対する速い補償性能を実証した。すなわち、補償可能な分散レンジは、10Gb/s伝送時に-6000〜6000ps/nmであり、補償に要する時間は1000ps/nmの補償値に対して1〜2sである。補償に要する時間は主にVIPAの応答時間である。しかしこの方式は、その他のさまざまな分散補償デバイスに対して有効であり、速いデバイスを利用することにより、さらに応答時間を改善する音が可能である。 |
| 6 計算機ホログラムによる３次元動画の高速作製 |
| 廣瀬 明・谷澤 健・テー チョーシェン |
| 複素ニューラルネットワークの汎化性に基づく、コンピュータ合成ホログラム(CGH)の動画を高速に生成する方法を提案した。ホログラムは３次元画像の生成や光ピンセットなどへの利用が期待されている。昨年は、複素ニューラルネットワークで画像フレームを内挿して生成速度を大きく向上させる方法を提案した。すなわち、複素振幅情報を扱う複素ニューラルネットワークのうち、特に搬送波を想定するコヒーレント型ニューラルネットワーク(CNN)を用い、そのキャリア周波数領域汎化性を利用して、キャリア周波数を掃引することで滑らかな３次元動画を生成する方法である。学習には、キャリア周波数依存型のヘブ則を用いた。今年は、本手法で生成される画像の誤差を低減する、ハイブリッド学習法(HLM)を提案し、実験によりその優れた性質を確認した。まず内挿された画像に含まれる誤差を解析し、低周波のひずみと高周波の雑音があることを発見した。そしてそれらを現ずる方法としてHLMを提案した。実験により誤差が極めて低減されることを確認した。 |
| 7 遅延が学習にもたらす影響の解析 |
| 廣瀬 明・東 佑輔 |
| 人の感覚・運動系が持つ遅延時間が運動制御性能にもたらす影響とその利用に関する研究を進めた。人間の知覚や運動には100ms程度の遅延の存在がある。そのため、通常のフィードバック制御では理想的な運動制御結果は得られない。その欠点が、人間に知能をもたらした、とする考え方がある。われわれは、人工ニューラルネットワークの学習においても、この遅延の影響が有効に用いられる場合があると考え、その機序を実験的に解析している。力学シミュレーションによって、自転車に乗る際の反射運動と随意運動の学習について遅延の影響を調べたところ、遅延が随意運動の運動生成機構にも影響を与えることが確認された。すなわち、遅延が小さいうちはフィードバック制御を行うが、遅延が大きくなるとフィードフォワード制御に転換し、そこでは粗い予測を行うようになる。実験で、そのような対応が見出された。 |
| 8 文書画像中の手書き文字と活字文字の判別 |
| 廣瀬 明・小山純平 |
| 人は瞬時にテクスチャ（模様、きめ）を見分けることができる。そのような機構をモデル化することにより、柔軟で有用なテクスチャ解析を実現できる可能性がある。たとえば、事務書類の手書き文字領域と活字文字領域を分類することもできるかもしれない。そうであれば、領域判断結果によって光学文字読み取り器（OCR)のエンジンを切り替えて、文字認識率を上げることが可能になる。本年はそのようなことを実現する、初期視覚野の機構に基づく新しい手法を提案した。その手法では、われわれは２次元スペクトルを評価し、手書き文字にどうしても含まれてしまうゆらぎ成分を含む特徴量を抽出する。実験によって、実際に手書き文字に関するある特徴量が、活字文字に比べて大きくなることを確認した。またその特徴量を元の画像と重ねたマップをつくることにより、この特徴量が手書き文字領域をよく表していることを確認した。 |
| 9 共同注意と学習 |
| 廣瀬 明・北原 邦紀 |
| マルチモーダルな情報を統合する際、情報どうしの対応付けや概念の獲得が大きな意味を持つ。学習者が他の人間とのやりとりによって対応付けを獲得するにあたって、重要な役割を持つと考えられるものが共同注視あるいは共同注意である。自立して学習するロボットへの応用を考えながら、共同注意をうまく利用した学習の機構を構築している。 |
| 10 発火タイミング依存可塑性がもたらす自己組織化 |
| 秋光淳生・廣瀬 明 |
| 脳の情報表現方法は、発火パルスの時間平均回数によるだけでなく、個々の発火のタイミングにもよっている可能性がある。今年度は、発火タイミング依存可塑性(STDP)に基づく大脳皮質の自己組織化機構のモデルを提案し、それによって結合と発火の振る舞いを数値的に解析した。その結果、結合が持つ遅延時間が、個々の結合の強化・減衰に大きな影響を与えること、またその結果、パルスの統計状況に応じてパルスの集団化と分散化が生じることを示した。それによって、神経細胞が空間的な発火頻度とより精緻な時間タイミングとの両方を利用して情報処理を行っている可能性が高いことを数値計算的に具体的に明らかにした。 |
| 1 Antipersonnel Plastic Landmine Visualization System |
| A.Hirose, S.Masuyama and K.Yasuda |
| 2 Interferometric Synthetic Aperture Radars |
| A.Hirose and R.Yamaki |
| 3 Adaptive Antennas |
| A.Hirose and S.Tan |
| Recently there is an increasing interest in adaptive antenna technology since its capability of user tracking, co-channel interference reduction, and spatial diversity offer better coverage, capacity, multipath rejection, and power efficiency. Generally used adaptive algorithms such as directional constant modulus algorithm (DCMP), minimum mean square error (MMSE), and power inversion (PI) adjust the weights in adaptive antenna system to suppress interference signals while amplify desired signal. The adaptive antenna technology is very useful in time division duplex (TDD) scheme. Because a frequency is used for uplink and downlink transmission commonly, then the antenna beamforming for uplink channel can also be used for downlink channel considering a slow time selective fading channel. However, as the user moves faster, the time selective fading, mainly caused by movement of user relative to the base station, reduces the performance of the system at the downlink period. We propose a new scheme to realize a good performance in user prediction. That is, we employ the complex-valued Markov random field (CMRF) model in amplitude-phase domain, which is more suitable for continuously changing time selective fading channel. The proposed method can be used generally for any TDD scheme using adaptive antenna. |
| 4 Highly-Adaptive Ultrasonic Imaging |
| A.Hirose and K.Tanizawa |
| Based on the theory of the complex-valued neural networks, we investigate highly functional adaptive ultrasonic imaging. Conventional ultrasonic systems have wide room for improvement in imaging and shape-reconstructing performance. Phase-sensitive adaptive processing is making a big breakthrough. In this year, we first proposed a spread-singularity phase unwrapping method, which we previously proposed in airborne radar systems, in the ultrasonic measurement of two-dimensional curved surface. Experimental results show a drastic reduction of the number of singular points, resulting in a better SN ratio in comparison with conventional methods. Secondly we constructed a beamforming in personal information system, which utilizes the high directivity and the nature of autodemodulation of ultrasonic wave. Theoretically speaking, the personal information system can obviously incorporate with phased array principle. However, the beamforming has been difficult in reality because of unevenness in individual radiator characteristics. We introduced neural learning process to realize a successful beamforming. Now we work on the increase of the directivity angle in continuing experiments. |
| 5 Adaptive Dispersion Compensation in Optical Communications |
| A.Hirose and K.Tanizawa |
| 6 Fast 3D-Movie Generation by Computer-Generated Holograms |
| A.Hirose, K.Tanizawa and C.S.Tay |
| Computer-generated hologram (CGH) requires a long calculation time. In particular, the generation of a CGH stream for three-dimensional movies takes a huge amount of calculation cost. Last year, we proposed a small-calculation-cost method to generate a CGH stream based on a coherent neural network (CNN) that deals with complex-amplitude information with generalization ability in the frequency domain. We demonstrated successfully that, after carrier-frequency-dependent learning, the system can generate a CGH stream by sweeping the carrier frequency with neural interpolation thanks to frequency-domain generalization. In the system, however, the error that appears in the interpolated CGH images need to be reduced even further so that the method with frame interpolation can be accepted for use generally. This year, we proposed a new hybrid CNN learning method that is able to generate the movies almost just as efficiently and yet reduces even more error that is present in the generated holographic images as compared to the method based solely on correlation learning. |
| 7 Influence and Utilization of Delay in Neural Sensorimotor Systems |
| A.Hirose and Y.Azuma |
| We investigate the influence of delay in sensorimotor systems on motion control and its utilization. Human beings have unavoidable delay of approximately 100ms in sensing and motion. Therefore, we cannot perform a good motion control with a simple feedback mechanism. Some researchers say that, because of this delay, we have been able to develop our intelligence. We believe that the delay should also be effective in the learning in artificial neural networks,. This year, we investigated the influence of the delay on its control performance and mechanism in numerical experiment with a simple network. The result suggests not only the fact that the delay degrades control performance of reflex motion in proportion to the amount of the delay, but also that the delay influences signal generation for relevant volitional motion. A moderate delay can even be in favor of volitional motion learning. The motion generation mechanism also seems dependent on the amount of delay. That is, a feedback strategy changes into a feedforward one with rough prediction. |
| 8 Distinction between Handwritten and Printed Characters in Document Images |
| A.Hirose and J.Koyama |
| Human beings are capable of distinguishing a variety of texture almost at a glance. By modeling the mechanism, we will realize a flexible texture analysis. For example, we will be able to distinguish handwritten character regions from machine-printed regions in document images. If it is possible, we can switch the engines in optical character readers (OCRs) to obtain a higher recognition rate. We propose a new technique inspired by such human early-vision ability. In the technique, we evaluate the two-dimensional power spectrum to extract feature values that reflects fluctuations unavoidable in handwritten characters. Experiments show that a certain feature value of handwritten characters is often larger than that of machine-printed characters. We generated a map obtained by superimposing the feature value on the document image. The map showed that our proposed method is useful to distinguish handwritten character regions. |
| 9 Joint Attention and Its Effect on Learning |
| A.Hirose and K.Kitahara |
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In the fusion of multimodal information, acquisition of correspondence between individual information in different modes, or acquisition of concept, is considered significantly important. Joint attention is a key action for a learning person when he learns concept of various things through interaction with other people in his environment. We intend to construct a workable mechanism of joint attention for possible application to robotics. |
| 10 Self-Organization through spike-timing dependent plasticity (STDP) |
| T.Akimitsu and A.Hirose |
| It has been suggested that the brain information is represented not only by time averaged pulse number, but also by coincidence of individual pulses. This year, we modeled the self-organization mechanism in cerebral cortex based on the spike-timing dependent plasticity (STDP) to analyze the dynamics of firing timing and changes in connection weights. In numerical experiments, we found that the increase and decrease of connection weights are highly sensitive to the statistics of spikes as well as the amount of delay in each connection. As a result, it was also shown that clustering and spreading of firing occurs depending on the statistics of input signals. In total, we demonstrated that the neurons in the cerebral cortex represent information by utilizing both the firing rate and the precise spike timing. |
| 論文・著書一覧（2006年度） |
| Publications List |
| 研究論文 [1] K.Tanizawa A.Hirose: "Adaptive control of tunable dispersion compensator that minimizes time-domain waveform error by steepest-descent method," IEEE Photon. Technol. Lett., 18, 13 (2006) 1466-1468. [2] A.Hirose T.Higo K.Tanizawa: "Efficient generation of holographic movies with frame interpolation using a coherent neural network," IEICE Electronics Express, 3, 19 (2006) 417-423. [3] T.Akimitsu Y.Okabe A.Hirose: "Self-Organization of Clusters Having Locally Distributed Patterns for Highly Synchronized Inputs," International Journal of Biomedical Sciences, 1, 3 (2006) 161-166. [4] A.Hirose Y.Asano T.Hamano: "Developmental learning with behavioral mode tuning by carrier-frequency modulation in coherent neural networks," IEEE Trans. on Neural Netw., 17, 6 (2006) 1532-1543. [5] T.Akimitsu Y.Okabe A.Hirose: "Self-organization through spike-timing dependent plasticity using localized synfire-chain patterns," Neural Processing Lett., 25, 1 (2007) 79-89 国際会議論文 [6] S.Masuyama A.Hirose: “Integrated walled-LTSA handset for quick and high-spatial-resolution phase-sensitive imaging,” Int'l Conf. on Ground Penetrating Radar (GPR) 2006 Columbus, Proc. (June 19-22, 2006, Ohio) UXO.7. [7] A.Hirose Y.Asano T.Hamano: “Developmental Learning Based on Coherent Neural Networks with Behavioral Mode Tuning by Carrier-Frequency Modulation,” World Congress on Comput. Intelligence (WCCI) / Int'l Joint Conf. on Neural Netw. (IJCNN) 2006 Vancouver, Proc. (July 16-21, 2006, Vancouver) 8874-8881. [8] A.B.Suksmono A.Handayani A.Hirose: “Snake in Phase Domain: A Method for Boundary Detection of Objects in Phase Images,” World Congress on Comput. Intelligence (WCCI) / Int'l Joint Conf. on Neural Netw. (IJCNN) 2006 Vancouver, Proc. (July 16-21, 2006, Vancouver) 1208-1212. [9] A.Hirose T.Higo K.Tanizawa: “Holographic Three-Dimensional Movie Generation with Frame Interpolation Using Coherent Neural Networks,” World Congress on Comput. Intelligence (WCCI) / Int'l Joint Conf. on Neural Netw. (IJCNN) 2006 Vancouver, Proc. (July 16-21, 2006, Vancouver) 1219-1224. [10] A.Hirose R.Yamaki: “Phase unwrapping with phase-singularity spreading,” Int'l Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS) 2006, Denver, Proc. (July 31-Aug. 4, 2006, Denver) Prof. 1259-1260. [11] S.Masuyama A.Hirose: “Plastic Landmine Imaging with Integrated Walled LTSA Handset,” Progress in Electromag. Research (PIERS) 2006 Tokyo, Proc. (August 2-5, 2006, Tokyo) 463. [12] R.Yamaki A.Hirose: “Phase Unwrapping by Spreading Phase Singularity in Airbone Interferogram,” Progress in Electromag. Research (PIERS) 2006 Tokyo, Proc. (August 2-5, 2006, Tokyo) 311. [13] A.Hirose T.Higo: "Proposal of holographic 3D-movie generation using coherent neural-network interpolation," Fuzzy Days 2006 Dortmund, Proc. (Sept. 18-20, 2006) 437-439. [14] T.Akimitsu A.Hirose Y.Okabe : “Self-organization through spike-timing dependent plasticity using localized synfire-chain patterns,” Int'l Conf. on Neuroal Inform. Process. (ICONIP) 2006 Hong Kong, Proc. (Oct. 3-5, 2006, Hong Kong) 49-58. [15] T.Akimitsu Y.Okabe A.Hirose: “Self-organization of clusters having locally distributed patterns for synchronized inputs,” Int'l Conf. on Neural Networks (ICNN) 2006 Barcelona, Proc. (Oct. 27-29, 2006, Barcelona) Enformatica Vol. 15, 43-48. [16] T.Akimitsu Y.Okabe A.Hirose: “Effect of Long-delay Connections to Realize a Self-Organization of Firing Patterns that Vary Smoothly in Space,”Int'l Conf. on Neural Networks and Associative Memories (NNAM) 2006 Mexico City, Proc. (Nov. 20-24, 2006, Mexico City) RCS Vol. 21, 105-114. [17] R.Yamaki A.Hirose: “Singularity spreading phase unwrapping,” IEEE-GRSS SAR Workshop 2007 Tsukuba, Proc. (March 6-7, 2007, Tsukuba) paper 17. シンポジウム・研究会・大会等発表 [18] 谷澤 健, 廣瀬 明: “最急降下法を用いた適応的な可変分散補償器制御の補償分散範囲と補償に要する時間の検討,” 信学会光通信システム研究会, OCS2006-45 OPE2006-98 LQE2006-87, pp.39-44. [19] 小山 純平、加藤 雅弘、廣瀬 明: “テクスチャを特徴量とする手書き文字領域と活字文字領域の判別,” 信学会パターン認識・メディア理解研究会, PRMU2006-108, pp.23-28. [20] 山城 遼、廣瀬 明: “位相アンラッピングのための位相特異点の重み付け拡散法,” 信学会/電気学会電磁界理論研究会, EMT-06-88. [21] 増山 惣一、安田 健造、廣瀬 明: “地雷可視化ハンドセットにおける直接結合波の除去,” 信学会/電気学会電磁界理論研究会, EMT-06-90. [22] 西野 智弘、山城 遼、廣瀬 明,、“位相特異性拡散法による３次元イメージング,” 信学会超音波研究会, US2006-116 (2007-2). [23] 廣瀬明: “一芸に秀でた脳 -- 複素ニューラルネットワーク,” 信学会東海支部講演会 (Dec. 20, 2006, 豊橋技術科学大学). [24] 秋光 淳生、岡部 洋一、廣瀬 明: “局所的に同期した入力に基づく分散発火パターンの自己組織化,” 信学会ニューロコンピューティング研究会、NC2006-129 (2007-3). [25] 東 佑輔、廣瀬 明: “感覚運動系の遅延時間が制御性能と制御機構へ与える影響,” 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2006-162 (2007-3). [26] C.S.Tay, K.Tanizawa, A.Hirose: “Generation of holographic movies with frame interpolation using coherent neural networks -- Error-reduction using a hybrid learning method --,” 信学会ニューロコンピューティング研究会, NC2006-210 (2007-3). [27] 西野 智弘、山城 遼、廣瀬 明: “最小コストネットワークフロー法と位相特異性拡散法の精度の比較,” 2007信学総大, A-11-5 (2007) 250. [28] テー チョーシェン, 谷澤 健, 廣瀬 明、「フレーム内挿によるホログラム動画の生成におけるハイブリッド学習法に基づく誤差の低減」、2007信学総大、A-20-10 (2007) 389 [29] 増山 惣一、安田 健造、廣瀬 明: “地中探査用Walled-LTSAアレイにおける直接波の除去,” 2007信学総大, A-11-5 (2007) 250. [30] 谷澤 健、廣瀬 明: “時間波形3 点サンプリングによる最急降下法を用いた可変分散補償器の適応的な最適制御,” 2007信学総大, B-10-50 (2007) 389. [31] 小山 純平、加藤 雅弘、廣瀬 明: “手書き文字と活字文字領域判別のためのテクスチャ特徴量の抽出,” 2007信学総大, D-12-140 (2007) 256. [32] 廣瀬明: “スーパー右脳で対人プラスチック地雷を見つけよう,” 近畿大学理工学部セミナー (Jan. 26, 2007). [33] 廣瀬明: “波動と相性のよい複素ニューラルネットワーク,” 近畿大学理工学部セミナー (Jan. 27, 2007). [34] 増山惣一 廣瀬 明: “高速・高空間分解能の地中イメージング用集積アンテナ・ハンドセット,” 第6回21世紀COEワークショップ, Proc. (March 13, 2006, Tokyo) 55-60. 著書 [35] A.Hirose, "Complex-Valued Neural Networks," Studies in Computational Intelligence, vol.32, Springer-Verlag (August 2006) ISBN 3-540-33456-4 特許 [36] 廣瀬明、小山純平、加藤雅弘: “文書処理方法および文書処理装置,” 特許出願, 特願2006-205784. その他の活動 [37] Japan-The Netherlands Research Cooperative Program, Joint-Seminar for evaluation procedure of dual sensors for landmine detection (December 4-5, 2006, Delft) Motoyuki Sato, CNEAS Tohoku University, Leo Ligthart, IRCTR, TU Delft, Alex Yarovoy, IRCTR, TU Delft. [38] Hirose Laboratory & Cambodian Mine Action Centre (CMAC), Field experiment of SO-1 Plastic Landmine Visualization System in landmine action center in Siem Reap, Cambodia, March 24-30, 2007 受賞 [39] A.Hirose, IEEE/INNS WCCI-IJCNN Best Presentation Award, IEEE / INNS, 20-Jul-06 |