要点まとめ・第6章 ディープラーニングの応用例
画像認識(シラバス 技術26)
学習目標
画像認識で扱うタスクの種類と出力の違いを理解し、代表的なモデルがどんな工夫で精度や速度を高めたかを説明したうえで、製造や医療などの現場でどう活用されているかを理解します。
要点
タスクの種類
- 物体識別:写っているものをラベルで答えます。
- 物体検出:物体ごとに位置を囲む矩形とクラスを出します。
- セマンティックセグメンテーション:画素ごとにクラスを付け、同じクラスの物体は区別しません。
- インスタンスセグメンテーション:物体を1つずつ画素単位で切り出します。
- パノプティックセグメンテーション:全画素にクラスを付け、人や車などは個体も区別します。
- 姿勢推定:人の関節などの位置を推定します。
多様な物体をカテゴリとして認識することを一般物体認識と呼びます。画像認識は外観検査や自動運転、医用画像の診断支援などに使われます。
物体識別のモデル
- AlexNet:2012年のILSVRCで優勝し、ディープラーニング普及のきっかけになりました。
- VGG:3×3の畳み込みを深く重ねました。
- GoogLeNet:大きさの違う畳み込みを並べたInceptionモジュールが特徴です。
- ResNet:層を飛び越えるスキップ結合で、100層を超える学習を可能にしました。Wide ResNetは、層を減らして幅を広げた改良版です。
- DenseNet:ブロック内で各層の出力を後続の全層に結合します。
- SENet:チャンネルごとの重要度を学習して重み付けします。
- MobileNet:Depthwise Separable Convolutionで計算量を減らしました。
- NAS(Neural Architecture Search):ネットワークの構造を自動で探します。MnasNetは端末での処理時間も考慮して探したモデルです。
- EfficientNet:深さ・幅・解像度をバランスよく拡大します。
- Vision Transformer:画像をパッチに分けて単語のように並べ、Transformerで処理します。
物体検出のモデル
- Fast R-CNN:特徴マップを画像全体で1回だけ計算し、高速化しました。
- Faster R-CNN:候補領域の抽出もニューラルネットワークで行う2段階型です。
- YOLO、SSD:位置とクラスを一度に予測する1段階型で、高速です。
- FPN:深い層の情報を浅い層に足し戻すピラミッド構造で、小さな物体の検出を助けます。
領域分割・姿勢推定のモデル
- FCN(Fully Convolutional Network):全結合層を使わず畳み込み層だけで画素ごとのクラスを出します。
- SegNet:最大値プーリングの位置を記録し、デコーダでの復元に使います。
- U-Net:エンコーダの特徴マップを、同じ解像度のデコーダ側へ結合します。医用画像でよく使われます。
- PSPNet:大きさの違うプーリングで、画像全体の文脈をとらえます。
- DeepLab:Atrous Convolutionで解像度を保ったまま広い範囲を見ます。
- Mask R-CNN:Faster R-CNNにマスクを出す枝を加えました。
- Open Pose:複数人の関節位置と、そのつながりを同時に推定します。
つまずきやすい点
- セマンティックセグメンテーションは同じクラスの物体を区別せず、インスタンスセグメンテーションは物体を1つずつ区別し、パノプティックセグメンテーションは両方をまとめて扱う点
- Faster R-CNNは候補領域を出してから分類する2段階型、YOLOやSSDは1回の処理で位置とクラスを同時に出す1段階型という違い
- Mask R-CNNは物体検出のFaster R-CNNにマスクを出す枝を加え、インスタンスセグメンテーションに広げたモデルである点
- EfficientNetは深さ・幅・解像度をバランスよく拡大する手法で、MnasNetはモバイル端末での実際の処理時間を考慮したNASで作られたモデルである点
シラバスのキーワード
シラバス第1.4版に載っている語をすべて並べています。色のついた語は用語集で解説しています。「2問」などの数字は、その語を扱う練習問題の数です。シラバスの誤植は正しい表記に直し、元の表記を添えています。
- AlexNet 練習問題2問
- DeepLab 練習問題1問
- DenseNet 練習問題1問
- EfficientNet 練習問題2問
- Fast R-CNN 練習問題1問
- Faster R-CNN 練習問題4問
- FCN(Fully Convolutional Network) 練習問題2問 シラバス表記:FCN (Fully Convolutional Netwok)
- FPN 練習問題1問
- GoogLeNet 練習問題2問
- Mask R-CNN 練習問題3問
- MnasNet 練習問題1問
- MobileNet 練習問題1問
- NAS(Neural Architecture Search) 練習問題1問
- Open Pose 練習問題2問
- PSPNet 練習問題1問
- ResNet 練習問題2問
- SegNet 練習問題1問
- SENet 練習問題1問
- SSD 練習問題4問
- U-Net 練習問題2問
- VGG 練習問題3問
- Vision Transformer 練習問題3問
- Wide ResNet 練習問題2問
- YOLO 練習問題3問
- 一般物体認識 練習問題1問
- インスタンスセグメンテーション 練習問題3問
- 姿勢推定 練習問題4問
- セマンティックセグメンテーション 練習問題7問
- 物体検出 練習問題8問
- 物体識別 練習問題2問
- パノプティックセグメンテーション 練習問題2問
練習問題
- #0063 画像認識タスクの使い分け 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0064 物体検出モデルの特徴 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0065 セグメンテーションモデルの構造 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0066 画像分類モデルの設計の工夫 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0207 ResNet以降のCNNの工夫 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0208 MobileNetのパラメータ数計算 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0209 モバイル向けモデルの自動設計 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0210 FPNによるマルチスケール検出 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0211 Open Poseによる多人数姿勢推定 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0212 Mask R-CNNの構造 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0213 一般物体認識と物体識別 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0214 ViTとCNNの性質の違い 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0215 AlexNetの学習の工夫 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0399 パノプティックセグメンテーションの出力 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0400 物体検出のIoUの計算 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0401 VGGの3×3畳み込みの積み重ね 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
- #0402 重複した検出結果の除去 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0403 2段階型と1段階型の物体検出 難易度 基礎・組合せ 未回答 付箋
- #0404 FCNの構造の特徴 難易度 標準・単一選択 未回答 付箋
- #0405 画像認識タスクと正解データ 難易度 基礎・単一選択 未回答 付箋
- #0406 ViTの系列長と計算量 難易度 応用・単一選択 未回答 付箋
復習の時期が来た問題と、まだ解いていない問題から順に出題します。
混同しやすい用語
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出典
- G検定 試験出題範囲(シラバス2024)第1.4版 (技術分野 項目26 画像認識)
- Alex Krizhevsky, Ilya Sutskever, Geoffrey E. Hinton, ImageNet Classification with Deep Convolutional Neural Networks, Communications of the ACM 60(6), 84–90 (2017; 初出はNIPS 2012)
- Christian Szegedy et al., Going Deeper with Convolutions (2014)
- Kaiming He, Xiangyu Zhang, Shaoqing Ren, Jian Sun, Deep Residual Learning for Image Recognition (2015)
- Mingxing Tan et al., MnasNet: Platform-Aware Neural Architecture Search for Mobile (2018)
- Mingxing Tan, Quoc V. Le, EfficientNet: Rethinking Model Scaling for Convolutional Neural Networks (2019)
- Alexey Dosovitskiy et al., An Image is Worth 16x16 Words: Transformers for Image Recognition at Scale (2020)
- Shaoqing Ren, Kaiming He, Ross Girshick, Jian Sun, Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with Region Proposal Networks (2015)
- Joseph Redmon et al., You Only Look Once: Unified, Real-Time Object Detection (2015)
- Tsung-Yi Lin et al., Feature Pyramid Networks for Object Detection (2016)
- Olaf Ronneberger, Philipp Fischer, Thomas Brox, U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation (2015)
- Kaiming He, Georgia Gkioxari, Piotr Dollár, Ross Girshick, Mask R-CNN (2017)
- Alexander Kirillov et al., Panoptic Segmentation (2018)
- Zhe Cao et al., OpenPose: Realtime Multi-Person 2D Pose Estimation using Part Affinity Fields (2018)