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1 発表文献 統計的アプローチに基づく汎用的な画像モデルの構築 南角吉彦 ( 名古屋工業大学 ) ジャーナル論文 1 件 国際会議 2 件 研究会発表 3 件 全国大会 1 件 1. Akira Tamamori, Yoshihiko Nankuaku, Keiichi Tokuda, ``An extension of separable lattice 2-D HMMs for rotational data variations,'' IEICE Transactions on Information and Systems, vol.e95-d, no.8, pp , August Kei Sawada, Akira Tamamori, Kei Hashimoto, Yoshihiko Nankaku, and Keiichi Tokuda, ``Face Recognition Based on Separable Lattice 2-D HMMs Using Variational Bayesian Method,'' 2012 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP 2012), pp , Kyoto, Japan, Mar Keisuke Kumaki, Yoshihiko Nankaku, and Keiichi Tokuda, ``Face Recognition Based on Extended Separable Lattice 2-D HMMs,'' 2012 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP 2012), pp , Kyoto, Japan, Mar 牧野貴也, 高木信二, 橋本佳, 南角吉彦, 徳田恵一, `` 状態継続長制御に基づいた拡張 による変動に頑健な画像認識,'' PRMU2013, 信学技報, vol.112, no.441, pp , February 沢田慶, 橋本佳, 南角吉彦, 徳田恵一, `` 変分ベイズ法を用いた可変固有画像モデルに基づく画像認識 '', PRMU2013, 信学技報, vol.112, no.441, pp , February 沢田慶, 玉森聡, 橋本佳, 南角吉彦, 徳田恵一, `` 変分ベイズ法を用いた分離型 2 次元格子 HMM に基づく顔画像認識,'' 電子情報通信学会技術研究報告, vol. 111, no. 317, PRMU , pp , Nov 熊木慶介, 南角吉彦, 徳田恵一, `` の構造を用いた隠れ条件付確率場に基づく顔画像認識,'' 電子情報通信学会技術研究報告, vol. 111, no. 317, PRMU , pp , Nov 沢田慶, 玉森聡, 橋本佳, 南角吉彦, 徳田恵一, `` 変分ベイズ法を用いた分離型 2 次元格子 HMM の学習におけるアニーリング制御の適用,'' 情報処理学会第 74 回全国大会, vol. 2, pp , Mar 背景と目的 (1/2) 画像認識システムの需要増加 計算機ハードウェアの高性能化 インターネットの普及 画像データの氾濫 画像データを自動的にモデル化 分類して有効に利用する方法の重要性例 : 文字認識 顔画像認識 指紋認証 物体認識 動作認識 動画像検索など 様々な画像処理のタスクに利用可能な汎用的なモデル 新しいシステムを容易に構築可能 背景と目的 (2/2) これまでの画像認識 データ構造に着目した画像認識 人間の知識を積極的に利用 認識対象を固定するため非汎用的 統計的手法に基づいた画像認識 大量の画像データを有効活用した汎用的な手法例 : 主成分分析 SVM ニューラルネットワークなど 画像を固定長の多次元ベクトルと仮定 画像の持つデータ構造を考慮せず認識 適切な特徴選択や画像の正規化が必要 タスク依存の知識が必要 ( あまり重視されていない ) データ構造を考慮可能かつ汎用的な認識手法が理想

2 これまでの研究と今回の成果 一般的な画像データの特性を考慮した統計モデル 多次元に拡張された隠れマルコフモデル (HMM) 画像変動の正規化を含む統計モデル 位置や大きさなどの画像変動に対応可能 可変固有画像モデル に主成分分析を組み込んだ構造 照明条件の変動に頑健 自動特徴選択への拡張 様々な変動を含む画像データを直接モデル化 より複雑な画像変動への対応 モデル学習における推定精度の改善 統計的なパターン認識 パターン認識の問題データが与えられた時のクラスの事後確率を求める問題 認識結果 ベイズの定理 データ がクラス である尤もらしさ ( から推定 ) ( クラス の頻度 ) 統計的パターン認識 隠れマルコフモデル (HMM) Aさんの Bさんの 学習学習 Aさんのモデル Bさんのモデル 各状態の遷移を状態遷移確率で表現 対応する出力確率分布から観測系列を出力 状態遷移確率 状態 出力確率分布 C さんの 学習 C さんのモデル 類似度を比較して最も確率が高い人を認識結果とする 観測系列 状態系列 系列データを適切にモデル化可能

3 2 次元 HMM(1/2) 1 次元 HMM 状態により複雑な信号を表現 時系列信号を定常区間に分割 2 次元 HMM 格子状に隠れ変数が配置 各隠れ変数から画素が出力 状態遷移確率によって画像変形の自由度が決定 画像変動を適切に表現する制約が必要 Hidden variables 次元 HMM 2 次元 HMM 2 次元 HMM(2/2) Planar HMM ある画素の状態は上と左の画素の状態により決定する 自由度が高いため, 莫大な計算量を要する問題 Embedded HMM 縦方向 HMMの各状態に横方向 HMM が埋め込まれた構造 一方向の各 HMMが互いに独立 画像の連続性が失われる問題 計算量を削減しつつ 画像の変形を適切に表現可能なモデルが必要 Hidden variables 縦と横の 2 次元にマルコフ連鎖を持つモデル 対応する出力確率分布から特徴量を出力 次元毎に独立した状態遷移を行い画像変動を吸収 縦と横の 2 次元にマルコフ連鎖を持つモデル 対応する出力確率分布から特徴量を出力 次元毎に独立した状態遷移を行い画像変動を吸収 縦方向の状態遷移横方向の状態遷移出力確率分布 縦方向の状態遷移横方向の状態遷移出力確率分布

4 縦と横の 2 次元にマルコフ連鎖を持つモデル 対応する出力確率分布から特徴量を出力 次元毎に独立した状態遷移を行い画像変動を吸収 縦方向の状態遷移横方向の状態遷移出力確率分布 拡張 (1/2) マルコフ連鎖の数を特徴量の行と列の数へ拡張 各行 各列毎に状態割り当てが可能 長方形状に制限されない状態割り当てが可能本特徴量数横 縦 本 状態の割り当ては長方形状に限定 画像変動への対応が不十分 拡張 拡張 (2/2) 状態割り当ての自由度の上昇 細かな変形や回転変動を表現可能 状態継続長を考慮した (1/2) 隠れセミマルコフモデル (HSMM) [Levinson; 86] HMM に明示的な状態継続長分布を導入 信号列の長さに応じた状態継続長を表現可能 HMM : 状態継続確率 HSMM : 平均, : 分散 拡張 画像に過剰にフィッティングした状態割り当て 画像の幾何学的なトポロジーが欠落する可能性 状態割り当ての制御をする必要

5 HMM (1/2) 隠れセミマルコフモデル (HSMM) [Levinson; 86] HMMに明示的な状態継続長分布を導入 信号列の長さに応じた状態継続長を表現可能 : 状態継続確率 : 平均, : 分散 HMM HSMM 率状態継続長を考慮した分離型格子 態継続確状態継続長状状態継続長を考慮した (1/2) 隠れセミマルコフモデル (HSMM) [Levinson; 86] HMM に明示的な状態継続長分布を導入 信号列の長さに応じた状態継続長を表現可能 HMM 態継続確率状態継続長状: 状態継続確率 HSMM : 平均, : 分散 態継続確状態継続長状率状態継続長の表現精度の向上したモデル 状態継続長を考慮した (2/2) と HSMM を統合 大きな変動に対しても適切な状態割り当てが可能 状態継続長制御に基づいた(1/2) HSMM における各状態継続長は独立に伸縮 HSMM 各パーツの比率を考慮不可 理想 状態継続長を考慮したモデル 各パーツの比率を保持した割り当て 画像変動に対する正規化精度の向上

6 状態継続長制御に基づいた(1/2) HSMM における各状態継続長は独立に伸縮 HSMM : 各分布が独立 状態継続長制御に基づいた(1/2) HSMM における各状態継続長は独立に伸縮 HSMM : 各分布が独立 理想 各パーツの比率を保持した割り当て 提案法 : 各分布が相関を保持 変換変数 :, 線形回帰 状態継続長制御に基づいた(2/2) 状態継続長を考慮したモデルに変換変数, を導入 変換変数, は画像毎 次元毎に定義した潜在変数, による線形回帰 状態継続長制御に基づいた拡張 拡張 に状態継続長制御を導入 過度に柔軟な状態割り当ての制御が可能 状態継続確率 座標 :, による線形回帰 状態継続長を考慮したモデル 状態継続長制御に基づいたモデル 幾何学的なトポロジーを考慮したモデル化が可能 ( 縦座標 ) 長方形状以外の状態割り当てが可能 画像の各パーツの比率や位置関係を考慮可能 様々な画像変動に頑健に対応可能であると期待

7 実験条件 ( 顔画像認識実験 ) データベース使用画像サイズ階調数特徴量被験者 ( クラス ) 2 次元 HMM 状態数 画像変動 XM2VTS 64 64pixel 256, グレースケール 輝度値, 2 次元 DCT 係数 100 名 6 枚 / 1 人 2 枚 / 1 人 8 8, 16 16, 24 24, 32 32, 移動 縦 : 最大 20pixel, 横 : 最大 40pixel 伸縮 最小 : 最大 =1 : 1.3 回転 -10 度から10 度 データベースの顔画像例 実験に用いたデータセット 変動を含まない画像 位置 伸縮 回転変動を含んだ画像 実験結果 ( 輝度値, 変動有り ) 認識率 (%) SL-HMM SL-HSMM SL-LR ESL-HMM ESL-LR 状態数従来法より少ない状態数で最高認識率を改善 幾何学的トポロジーを考慮することで認識精度が向上 様々な変動に対応可能なモデル構造

8 状態アライメントの例 可変固有画像モデルのベイズ推定 モデル学習には変動有りデータを使用 学習したモデル SL-HMM SL-LR ESL-HMM ESL-LR 正解 ( 変動無し ) 正解 ( 変動有り ) 不正解 ( 変動無し ) 確率的固有画像モデル 固有顔法 部分空間法 照明条件に頑健 主成分分析を確率統計モデルとして定式化 可変固有画像モデル (HMEM) 確率的主成分分析と を統合 固有画像が から生成 : 観測データ : 因子負荷行列 : 固有画像 ( 基底 ) : 因子ベクトル : ノイズベクトル : 観測データ : 因子負荷行列 : 固有画像 ( 基底 ) : 因子ベクトル : ノイズベクトル 利点 : データ間の共分散や相関を効率的にモデル化可能欠点 : 事前に幾何学的変動に対する正規化処理が必要 利点 : 照明条件と幾何学的変動をモデル化

9 可変固有画像モデルを用いた画像認識 可変固有画像モデル 画像固有の特性をモデル化 照明条件や認識対象の変化 ( 確率的固有画像モデル ) 認識対象の幾何学的変動 ( ) 複雑なモデル構造であるため過学習の問題 から汎化能力の高いモデルを学習する必要 尤度最大化 (ML) 基準 尤度が最大となるモデルパラメータ 予測分布 を点推定 確率統計モデルの学習基準 尤度最大化 (ML) 基準 従来 :ML 基準による可変固有画像モデルの学習 ベイズ基準 提案 : ベイズ基準による可変固有画像モデルの学習 量 母集団 多量 少量 推定モデル 欠点 : 量が少量の場合に過学習の問題 ベイズ基準 モデルパラメータの事後分布を推定 ベイズ基準 モデルパラメータの事後分布を推定 多数の人の顔画像 事後分布 予測分布

10 ベイズ基準 モデルパラメータの事後分布を推定 ベイズ基準 モデルパラメータの事後分布を推定 事後分布 事後分布 1 名分の顔画像 予測分布 利点 : が利用可能, モデルパラメータを周辺化欠点 : 積分計算が困難 ベイズ基準 モデルパラメータの事後分布を推定 ベイズ基準 モデルパラメータの事後分布を推定 事後分布 事後分布 予測分布 予測分布 利点 : が利用可能, モデルパラメータを周辺化欠点 : 積分計算が困難 : 潜在変数 利点 : が利用可能, モデルパラメータを周辺化欠点 : 積分計算が困難 MCMC 法 [Gilks, et al.; 96] MAP 法 [Gauvain, et al.; 94] 変分ベイズ法 [Attias; 99]

11 顔画像認識実験実験条件 データベース 画像サイズ 被験者 ( クラス ) モデル構造 HMM の状態数 XM2VTS 画素,256 階調, グレースケール 100 名 1 名あたり 6 枚 1 名あたり 2 枚 PPCA, SL-HMM, HMEM-PPCA 状態 推定手法 ML 法 (ML 基準 ),VB 法 ( ベイズ基準 ) 一様分布 全から学習したモデル (UBM) モデル構造と推定手法による認識率 Recognition rate (%) ML 法と VB 法の認識率の比較 ( は一様分布 ) Number of factors 点線 :ML 法実線 :VB 法色 : モデル構造 SL-ML SL-VB HMEM-PPCA-ML HMEM-PPCA-VB 全てのモデル構造において VB 法は ML 法より高い認識率 むすび 画像固有の特性を考慮した汎用的な手法の開発 画像変動を自動的に正規化 可変固有画像モデル より複雑な画像変動への対応 モデル学習における推定精度の改善 今後の課題 より汎用性の高い画像モデルの探求 識別的基準による特徴量の自動選択 様々なタスクにおける評価 一連の研究成果をフリーソフトウェアとして公開

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