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コンピュータがよむ かく 石川正俊 東京大学 工学部計数工学科
基本コンセプト システムアーキテクチャダイナミクス整合 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアームロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ 3
高速ビジョンの基本思想と未来 従来の技術と応用分野技術 : 高分解能 低ノイズ画像の取得応用 : デジタルカメラ スマートフォン ビデオカメラ等概況 : 高いシェアを維持しているが 次の展開が待たれる. 処理速度 通信速度 空間軸重視 従来の設計思想 = 人間の機能の実現 イメージセンサの誕生 人間の眼を越えた! ( 速度と分解能 ) 設計目標の転換 撮像 視線制御対象トラッキング 映像メディア 時間軸重視 速度 (fps) 分解能 各種入力装置無拘束動作入力 ヒューマンインターフェイス e-books 電子図書館 極めて豊かな情報基盤 次世代に向けたアプローチ情報の選択 融合 統合階層的並列分散処理 実世界空間と最大情報量で繋がる情報世界 高速 3D 入力 制御行動限界の追求重視実世界情報処理への要求 手術の補助細胞検査 バイオ 医療 障害物検出 回避自動運転制御 自動車 交通 様々な応用展開 製造ラインの高速化位置制御 検査 FA 高速検査 製造ラインの高速化ロボットの高機能化 高速ロボット * 人物トラッキング個人識別 セキュリティ 新しい知能システムの考え方技術 : 認識機能と行動機能の融合応用 : 実世界で人間に取って代わる認識行動能力の発現. 様々な応用システムの開発概況 : 新しいシステムが続々と登場. 機能設計と性能の競争 4
基盤技術と応用展開 人間の眼 30fps で十分 (60fps) ビデオレート画像処理 スロー再生 画像処理画像メモリ 30fps, 60fps 1,000fps ~ 高速ビデオ ( 撮像のみ ) 高速画像処理 高速画像処理 ~1,000fps 高速ビジュアルフィードバック ~1,000fps 高速オーギュメンテッドリアリティ 高速画像処理は 通常の処理を高速化したものではない. 空間重視から時間重視の画像処理への転換が必要 イメージャと画像処理装置を繋いだだけでは動かない. 応用も含めた知能システムの設計コンセプトの転換か必要 5
階層的並列分散システム タスク分解問題 リアルタイム並列処理 認識 判断 ボトルネックの解消 軌道計画 生成 タスク切換 障害物回避 タスク切換 パターン認識 軌道計算 軌道計算 視覚サーボ 触運動生成 視触覚融合 ステレオ 特徴量抽出 運動処理 運動処理 運動処理 触覚処理 視覚処理 視覚処理 実世界 6
タスク分解 センサ認識計画制御アクチュエータ トラッキング 直列分解 リーチング センサ プリシェーピング アクチュエータ 並列分解の十分条件 : タスク間の直交性 ( 時間 and/or 空間 ) グラスピング 並列分解 直交分解 7
ゲイン ゲイン ゲイン ゲイン ダイナミクス整合 ダイナミクス 知能システムと環境 ダイナミクス 周波数 運動系 周波数 ダイナミクス 処理系 環境 ダイナミクス 周波数 感覚系 周波数 対象のダイナミクスの理解 アクチュエータの改良 = 定格出力より瞬時出力の重視 LSI 技術の導入 = センサの性能向上 高速化 ( 高速視覚 触覚 ) 並列処理の導入 = 処理の高速化 対象のダイナミクスの完全制御 機械の限界への挑戦 人間を超えるスピードの実現 8
高速ビジョン ビジョンチップ及びシステム並列アルゴリズム 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアームロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ 9
I/O 特徴抽出 A/D フレームレート 高速画像処理アーキテクチャ 従来技術人間の目 =30 枚 / 秒の画像処理 ビデオ信号の限界を打破 高速ビジョン 1000 枚 / 秒の画像処理 時速 150 km/h の速球 ビデオレートの場合約 4 cm 約 140 cm 高速ビジョンの場合ビデオレートの場 (1000fps) の動き合 (30fps) の動き SoC, 積層化, SIP 等 ビジョンチップ画像処理ハードウェアイメージャ ( イメージャー + A/D,I/O + 画像処理 ) FPGA, GPU,. 10kHz (100µs) 1kHz (1ms) 100Hz (10ms) 30Hz (33ms) 最初のチップ 高速ビジョン 従来の画像処理 64 x 64 256 x 256 1024 x 1024 4096 x 4096 (pixels) 画素数 メモリー システムのプロセッサ イメージャ (PD Array) 画像特徴量等 CPU 応用システム 10
フレームレート 高速画像処理アーキテクチャ 従来技術人間の目 =30 枚 / 秒の画像処理 ビデオ信号の限界を打破 高速ビジョン 1000 枚 / 秒の画像処理 時速 150 km/h の速球 ビデオレートの場合約 4 cm 約 140 cm 高速ビジョンの場合ビデオレートの場 (1000fps) の動き合 (30fps) の動き 10kHz (100µs) 1kHz (1ms) 100Hz (10ms) 30Hz (33ms) 最初のチップ 高速ビジョン 従来の画像処理 64 x 64 256 x 256 1024 x 1024 4096 x 4096 (pixels) 画素数 完全並列型 l アーキテクチャ 列並列アーキテクチャ re 高速インターフェイスアーキテクチャカメラリンク等 PD + PE アレイ PDアレイ PEアレイ PDアレイ PE アレイ 11
ビジョンチップのアーキテクチャ Output Circuit Photo Detector Processing Element Decoder Processing Element D-Latch A_EN D-Latch B_EN Output ビジョンチップ Instruction Clock I0-I4 W_EN Local Memory Memory-mapped I/O 0 output sensor 4-neighbors Z_EN D-Latch ALU ALU 400 Trs I0-I4 画素と PE が一対一で対応した SIMD 型完全並列構造 汎用プログラマブル PE( マイクロインストラクション ) ワンチップ VLSI 化を目指したコンパクト設計 ( ビットシリアル演算 メモリマップド I/O コンパクト AD 変換 ) 12
20μm 67.4μm 汎用ビジョンチップ 最初のモデル (1993) Process : Gate Array Area Size : 1.2m 1.2m Resolution : 64x64 pixels 近未来のデバイス Process : 90nm CMOS Area Size : 10mm 10mm Pixel Size : 20μm 20μm Resolution : 512x512pixels 20μm VLSI 実装 (1999) Process : 0.35μm CMOS TLM Area Size : 5.4mm 5.4mm Pixel Size : 67.4μm 67.4μm Resolution : 64x64 pixels 裏面照射型 CMOS イメージセンサ 著作権の都合によりここに挿入されていた画像を削除しました 以下を参照 : 報道資料 : カメラの進化を実現し続ける次世代の裏面照射型 CMOS イメージセンサーを開発 http://www.sony.co.jp/sonyinfo /News/Press/201201/12-009/index.html 67.4μm 13
高速ビジョンの開発と今後の動向 特定用途ワンチップ版 フルカスタムビジョンチップ 汎用ワンチップ版 フルカスタムビジョンチップ 画素並列演算機能限定ワンチップ 汎用積層型チップ版イメージャ + 積層 ASIC 著作権の都合によりここに挿入されていた画像を削除しました 報道資料 : カメラの進化を実現し続ける次世代の裏面照射型 CMOS イメージセンサーを開発 画素並列演算機能限定ワンチップ CMOSイメージャの今後の動向処理速度 :120fps 240fps 1,000fps iphone5 での120fps の採用サイズ : 積層化による処理回路内蔵, 汎用性 : 画像処理エンジンの内蔵一部特定用途は 専用化 小型低価格化消費電力 : アルゴリズムの簡素化価格 : 低価格化 画素並列 特定用途 ワンチップ レンズ付 汎用 ASIC 版イメージャ +ASIC 完全並列 汎用プログラマブルスケールアップモデル Computer (CPU) 汎用カメラ + コンピュータ (CPU) 完全並列 汎用プログラマブルワンチップ Computer (GPU) GPU 汎用カメラ + コンピュータ (GPU) PD 分離型 列並列 汎用ビジョン 画素並列プログラマブル汎用カメラ利用 汎用 FPGA 版イメージャ +FPGA 汎用画像処理用チップ版 イメージャ + 汎用画像処理エンジン 汎用 GPU 版イメージャ + 高速 GPU 汎用 CPU 版イメージャ + 高速 CPU 関連企業で実用化 14
アルゴリズムの簡素化 対象のダイナミクスに対して十分高速なフレームレート 欠落のない情報の取得 予測不要 k-1 Target Input Image Window Target セルフウィンドウ法 S k : 入力イメージ ( フレーム :k) i C k : 対象イメージ ( フレーム :k) k Sk = i Wk-1 i Ck i W k : ウィンドウ Input Image Window Target i C k+1 = S k+1 i W k = D 1 ( i C k ) U i W k k+1 Sk+1 = i Wk i Ck+1 高速化はアルゴリズムを簡素化する像面におけるサンプリング定理の意味 15
並列化高速画像処理アルゴリズム 対象 カメラ 位置計測 重心 : - x = m 10 / m 00, - y = m 01 / m 00 モデルベース形状認識入力画像 I 衝突と分離の判定 1 2 3 分離検出 S whole > ΣS i 新しく出現した対象 衝突検出 m i=1 1 2 3 m S whole < ΣS i i=1 二分探索によるラベリング 描画 差分絶対値 総和 モデル画像 M モデルパラメータ p SAD 修正 マルチターゲットトラッキング I[n] W[n-1] 2 対象追跡アルゴリズムを対象毎に順番に実行 3 1 W[n] 2 3 1 背景の除去 ( ウィンドウの設定 ) 高次モーメント 3 次元セルフウィンドウ法 ハフ空間セルフウィンドウ法 16
アクティブビジョン (x0, y0) 必要とする視野 速度 速い A A が優位 低分解能デバイスでも実質的に高分解能が得られる. [ 条件 ] 対象物が 1 つ デバイスの視野 遅い 64 64 B 4096 4096 分解能 エンコーダ B アクチュエータ (x0, y0) 中心座標は エンコーダ ( 高精度 ) より求める. 17
ビジョンチップの応用 インターフェイス 各種入力装置 無拘束動作入力 超高速ロボット 製造ラインの高速化 ロボットの高機能化 バイオ / 医療 手術の補助 細胞検査 FA 製造ラインの高速化 位置制御 検査 自動車 障害物検出 回避 自動運転制御 セキュリティ 人物トラッキング 個人識別 * 映像メディア 映像 視線制御 対象トラッキング その他の応用 マイクロマシン 半導体製造 振動解析 除振 次世代光ディスク その他 現在の画像処理の速度では実現できない用途 18
ヒューマン インターフェイス ジェスチャー認識インタラクティブディスプレイ 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアームロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ 19
ジェスチャー認識 (1994) ウェアラブルコンピュータユビキタスコンピューティングゲーム入力マルチモーダルインタフェイス Vision Chip 非接触 非拘束 高速 3 次元入力 人間の動作の完全把握 16 16 ピクセル, 1,000 fps アクティブビジョン = 高速ビジョンチップ +2 軸高速アクチュエータ 20
高速 低遅延ジェスチャー UI Input Buffer 33ms 1ms Computer or Game Camera Processing 33ms 1ms 33ms 10ms 33ms 1ms Output Buffer Display 高速通常 33ms 8ms ビジョン 高速 低遅延ジェスチャー UI 1,000fps 30ms 遅延 没入感 自己認識の向上による制御性能の向上 ( 通常ジェスチャー UI 30fps 200ms 遅延 ) 全体で 150ms~200ms 遅延 20ms~ 30ms 遅延 21
AIRR Tablet (2014) 高速ビジョン ハーフミラー 高速 LED ディスプレイ 対象の 3 次元認識高速ジェスチャー U I 高速 低レイテンシ操作感 没入感の向上 AIRR は 宇都宮大学山本裕紹先生の研究成果 AIRR: Aerial Imaging by Retro-Reflection 高速フィードバック 高速画像処理と空中ディスプレイの融合 22
3D ディスプレイと高速ジェスチャー UI 3D ディスプレイ (zspace) 操作への高速ジェスチャー UI(500fps) の応用 23
3 次元入力インターフェイス High Speed Vision Infrared LED 3 次元指位置入力 (154Hz) 24
サッカードミラーシステム ガルバノミラーによる高速応答 ステップ応答 3ms 以下 最大走査角 :± 15 deg 瞳転送系による広い画角 最大 30 deg Pupil Camera 本システムは 群馬大学奥寛雅先生らの研究成果 35 Collimator Field Lens Object Lens D c =40 D f =40 D o =40 f c =60 f o =80 30 60 f f =100 80 35 25
動体への Projection Mapping 高速視覚フィードバック 高速ビジョン 2ms = 500fps プロジェクター 2 軸ミラー 正確なターゲットトラッキングの実現 動いている対象に対して Projection Mapping が可能となる. (3 次元形状計測も可能 ) 動く対象 26
VibroTracker: 動体の振動計測 正確なターゲットトラッキングの実現 動いている対象に対して 様々な光計測の適用が可能となる. 高速視覚フィードバック 高速ビジョン 2ms = 500fps レーザードップラー振動計 2 軸ミラー 動く対象 27
高速ダイナミック情報環境 映像と触覚情報の提示 石川渡辺研究室篠田研究室 高速ビジョン 2ms = 500fps 対象物の 3 次元位置 高速ビジュアルフィードバック 高速ビジョン 2ms = 500fps プロジェクタ 2 軸ミラー 超音波振動子アレイ 高速ビジュアルフィードバック 2 軸ミラー 非接触触覚ディスプレイ 3!! 動く手のひら 高速で無拘束な視覚 触覚情報環境の実現 28
産業応用 / 検査 マルチターゲットトラッキング 3 次元形状認識 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアームロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ 29
高速道路設備検査の高速検査 チャレンジ通常巡回車両から トンネル壁面の 0.2mm を識別する! 条件 : 速度 100km/h, 車載可能な体積重量, 他車の走行を妨げない低照度照明 Nexco 中日本様との共同研究 映像サンプル 検査装置部 装置搭載イメージ通常の維持管理車両へ搭載 予備実験の様子 30
マルチターゲットトラッキング カメラ 測定領域 プロジェクタ 対象 1,000 個を約 1,000FPS でトラッキングが可能 31
高速 Book Scan (2008) 構造照明 + 高速画像処理 3 次元形状計測 + イメージデータ BFS-Auto: 自動ページめくり機構を有し 高速 3 次元形状計測により撮像に適したタイミングで撮像し 3 次元形状データを用いて平面イメージを再構成.1 分間に 250 ページのスキャンを実現. 電子書籍の普及を促進. LED Camera Laser BFS-Solo: 単眼カメラでスキャンを行い 同一ページの複数の高速撮像映像から 平面イメージを再構成. スマートホンやPDA 等での利用を想定. 変換速度の向上が課題. 32
バイオ / 医療 マイクロビジュアルフィードバック 3 次元ターゲットトラッキング 基本コンセプト 高速ビジョン ヒューマンインターフェイス 産業応用 / 検査 バイオ / 医療 ロボットアーム ロボットハンド 自動車 / セキュリティ まとめ 33
マイクロビジュアルフィードバック ゾウリムシ ホヤの精子のトラッキング 視覚フィードバックなし CCD カメラ インテリジェントビジョンシステム (CPV) 対象物 XY ステージ 34
高速可変焦点レンズ 1kHz 以上の高速な応答をもつ油圧による変位増幅機構 Dynamorph Lens 35
高速全焦点画像 Dynamorph Lens 焦点走査 8,000 Hz 画像合成により 1,000 fps 全焦点画像 36
ロボットアーム バッティングロボットスローイングロボット 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアームロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ 37
ロボット技術は何を目指すべきか ロボットの目標は 人間か? No 理由 : システムの限界は 人間の機能よりずっと上にあり 人間を超えるロボットが実現可能 なぜ ロボットは遅いのか? 答え : 産業ロボットは速いが プレイバック動作のみ. センサと処理系が遅い. 高い知能 柔軟性 特定用途 人間の知能 現在の知能ロボット 遅い 現在の産業用ロボット 高速性 将来のロボット 速い ロボットの限界への挑戦 サンプリング定理遵守 ( 理論限界 ) 知能の高速化 ( ダイナミックな知能 ) ボトルネックの除去 (VLSI アクチュエータの開発 ) より速く より賢く 産業用ロボットプレイバック動作は高速 知能レベルが低い 知能ロボット知能レベルが高い 動作は極端に遅い 38
バッティングロボット 対象に依存しない高速な動作 スイングモード + q=f(t) q=f(r 0, t) r o 対象を追従する正確な動作 ヒッティングモード 時間関数によるスイング動作と, 視覚フィードバックによるヒッティング動作の ハイブリッド軌道生成 フィードバックモードの直交分解 39
スローイング + バッティング (2009) Batting Throwing 40
ロボットハンド ダイナミックキャッチマテリアルハンドリング 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアームロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ 41
ダイナミックキャッチング ダイナミクス整合 目に見えないロボット 低コスト 高速製造ラインの実現 産業の空洞化を回避 対象 アクティブビジョン 高速ハンド アクティブビジョン 42
生卵キャッチング 仮想壁にそって落下する生卵の最適キャッチング位置を計算 = 仮想壁に沿ってハンドを動かす ビジュアルインピーダンス 低衝撃キャッチング 43
リグラスピング V1, V2 投げ上げ前 V0, ω0 投げ上げ後 P, θ キャッチング 44
高速ドリブル n 45
道具の操作 空中キャッチ 特徴べースビジュアルサーボ 1 θd kj ( ξd ξt ) θ x 46
柔軟物体の制御 布たたみ 47
じゃんけんロボットの動作 2012 年 6 月 26 日 : YouTube に Up 2014 年 11 月 1 日 : 新バージョンを Up 28 日 :100 万 30 日 :200 万 7 月 8 日 :300 万 views 11 日 : 50 万現在 ver.1:381 万 + ver.2:62 万 = 443views 48
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じゃんけんロボットの動作 2012 年 6 月 26 日 : YouTube に Up 2014 年 11 月 1 日 : 新バージョンを Up 28 日 :100 万 30 日 :200 万 7 月 8 日 :300 万 views 11 日 : 50 万現在 ver.1:381 万 + ver.2:62 万 = 443views 人間 手の完成度 始手めをる出し 手の完成までの所要時間約 60ms 完手成が 人間の目には後出しとわからない範囲 30~60ms 時間 ロボット 手ロのボ完ッ成ト度の 相手の手の認識 1ms 始手めをる出し ハンドの動作時間約 20ms 完手成が 時間 50
走るロボット 高出力アクチュエータ ZMP 制御からの脱却 不安定な前傾走行姿勢 高速姿勢認識 回復 高速ビジョン 最高速度 : 4.2km/h 二足ロボットを高速ビジョンで制御して高速走行を実現 瞬間的な行動 ( 高出力アクチュエータ ) 瞬間的な認識 ( 高速ビジョン ) = 転倒回避のための バランス回復可能な許容範囲が拡大 反応スピードが増加 転倒しそうになったら, 走行軌道を瞬時に修正して許容範囲へ回復する動作を繰り返す. 通常の二足ロボット : 転倒しないための狭い許容範囲で走行軌道を生成 51
野球ロボットの実現に向けて Throwing Tracking Batting Running Catching 野球 = Throwing + Tracking + Batting + Running + Catching 52
自動車 / セキュリティ 社会システム 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアーム ロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ * 53
その他の応用分野 自動運転 ( 前方 遠方 後方 側方監視 ) 近未来では自動車運転補助. 将来は完全自動運転の実現. 車車間 路車間制御. 群走行制御. 駐車 車庫入時対応. 飛行体 ( 飛行機 ヘリコプター ) の視覚制御 無人計画飛行 空撮情報取得. 自動車 ITS 鉄道飛行機 路面 障害物検出 リアルタイム環境情報取得実走行時の路面 架線等の 3 次元形状計測. 障害物 衝突対象の瞬時検出. 完全マップの取得と活用. 環境情報取得 ネットワーク化. 交通流制御交通流計測 全車追跡. 信号の知能化. 死角の衝突情報の提供. 監視カメラ ( 人物追跡 高速高精度動画記録 ) ビル内の ID 付き完全人物追跡. 見逃しの防止による高信頼化. カメラからの知的選択出力による不要情報の除去と必要情報の選択によるスロー再生可能な高分解能監視カメラの実現. 危急時の自動制御の実現. 高精度顔認識 個人識別能動的顔トラッキングによる高精度顔画像取得.POS 陳列棚等の視線検出. * セキュリティ建物管理 54
まとめ 基本コンセプト高速ビジョンヒューマンインターフェイス産業応用 / 検査バイオ / 医療ロボットアームロボットハンド自動車 / セキュリティまとめ 55
高速ビジョンとその応用システム Khronos Projector Haptic Radar 3D 入力 Sticky Light Sensing Display ネットワークカメラ 自動車交通 じゃんけんロボット 高速ドリブル 高速ハンド 3 次元表現 ジェスチャー UI ゲーム操作 VibroTracker 映像メディア 空中 3D 入力 マウス操作 ターゲットトラッキングビジョンチップ完全並列 特定用途 レンズ付 ヒューマンインターフェイス 画素並列演算機能限定ワンチップ 高速情報環境 完全並列プログラマブルワンチップ デフォーマブル 3D ビデオ制御 投上カメラ 高速対象追跡 列並列ビジョンシステム PD 分離型汎用ビジョンシステム 高速ビジョンの開発 Modality Transform 画素並列プログラマブル汎用カメラ利用 高速ジェスチャー るみペン 関連技術 全焦点画像 どこでもキーボード AIRR Tablet 3D Display 操作 ITS 自動運転 室内外監視 障害物検出 回避 バイオ 医療 超高速検査 個数形状検査 3D 形状計測 能動ビジョン 微生物追跡 高速可変焦点レンズ * セキュリティ 個人追跡 動体検出 個人認証 医療ロボット 高速細胞検査 FA 高速検査 3D 形状計測 トンネル検査 超高速ロボット バッティングスローイング 書籍電子化 auto じゃんけんロボット 2 高速走行ロボット ビンピッキング 振動表面検査 衝突回避 生卵キャッチ ボールキャッチ ペン回し 書籍電子化 solo 空中キャッチ リグラスピング 超高速ロボットハンド ペグインホール 柔軟体操作 コネクタ挿入 スピニング 56
関連資料等 本日の講義の関連資料は 以下から入手可能です. 研究室ホームページ [ 動画もあります ] 約 100 万アクセス / 年 http://www.k2.t.u-tokyo.ac.jp/index-j.html 研究成果集 [A4 178 頁 ] 数千 ~1 万ダウンロード / 年 http://www.k2.t.u-tokyo.ac.jp/booklet/all.pdf ビデオ集 (88 本のビデオ ) とセットで発売中! YouTube Ishikawa Watanabe Laboratory チャンネル http://www.youtube.com/ishikawalab Facebook Ishikawa Watanabe Laboratory ページ https://www.facebook.com/ishikawalab YouTube Ishikawa Watanabe Laboratory Channel (2014.11.4 現在 ) IshikawaLab Channel 動画数 58 登録者数 2,422 動画の再生回数 626 万回 他で紹介された当研究室のビデオの主要なものを含めた再生回数 1,326 万回 < 比較 > (2014.7.3 現在 ) 動画数 登録者数 動画の再生回数 Harvard 大学のChannel 1,809 188,354 2,741 万回 Stanford 大学のChannel 2,224 399,,961 7,825 万回 MIT Media LabのChannel 66 7,587 244 万回 57 57