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Analysis of mimetic traits of butterflies using deep learning.

Research Project

Project/Area Number 22KJ0606
Project/Area Number (Other) 21J20942 (2021-2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2021-2022)
Section国内
Review Section Basic Section 45040:Ecology and environment-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

網野 海  東京大学, 農学生命科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2022: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords捕食回避 / 深層学習 / 擬態 / 画像解析 / チョウ類
Outline of Research at the Start

深層ニューラルネットワークにより捕食者の視覚に基づいた画像認識AIを開発し、捕食者の視点から擬態の完成度を評価できる新システムを構築することで、これまで人間が恣意的に捉えてきた擬態現象を定量的に解明するとともに、他生物群の擬態研究でも捕食実験なしに解析が行えるツールを提供する。具体的には、人間の視覚に基づいた画像分類ネットワークに対して、チョウの捕食者として想定される鳥類の捕食実験等データを元にして転移学習などの補正を行うことにより、捕食者の視覚を再現した画像分類AIを作成する。この画像分類AIの識別力を元に日本産チョウ類のベイツ型擬態を包括的に評価することを試みる。

Outline of Annual Research Achievements

最終年度は主に、畳み込みニューラルネットワーク(以下、CNN)を利用して生物画像間での類似度を算出する既 存手法の課題解決を試みた。これまでの先行研究で、CNNは生物画像からの網羅的な特徴抽出を可能にし、擬態形質の定量化を初めとした様々な形態解析に応用可能であることが分かっていた。しかしながら、CNN に特徴抽出を学習させるうえで、 対象とする生物に関する大規模なデータセットが必要であることは、取得できるデータ規模の限られる分類群への適用においてはハードルとなることが考えられる。そこで、CNNによる画像分類に必要な「学習時間」に着目し、「学習完了に時間のかかるクラス同士は類似していると考えられる」ことを利用した新規類似度評価手法の開発をおこなった。その結果、本手法はチョウ類の類似度評価においてCNNを利用した先行研究の手法(Learned Perceptual Image Patch Similarity、以下LPIPS)よりも高い精度を示したうえ、ベイツ型擬態の定量化においても先行研究の精度を上回った。本手法は類似度評価をおこないたいクラスのペアについて 10 枚ずつ程度の画像があれば実現可能であることから、データセットの規模が限られる対象においても有用な類似度評価指標となり、擬態形質の解析レベルを向上させることが期待された。
研究期間を通じて、1) チョウ類標本画像間からの類似度評価において既存手法を比較検討した上、新規類似度評価手法を開発し、擬態形質定量化への応用および精度の向上を実現した。 2) 既存の類似度評価手法(LPIPS)を応用し、過去におこなわれた捕食実験の結果を元に捕食者から見て擬態の完成度が高い/低い形質を網羅的に探索できる手法を開発した。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Reproductive advantage of the winners of male-male competition in Drosophila prolongata2023

    • Author(s)
      Amino Kai、Matsuo Takashi
    • Journal Title

      Behavioural Processes

      Volume: 206 Pages: 104831-104831

    • DOI

      10.1016/j.beproc.2023.104831

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of a past contest on the future winning probability in a hyper‐aggressive fruit fly2023

    • Author(s)
      Amino Kai、Matsuo Takashi
    • Journal Title

      Ethology

      Volume: - Issue: 8 Pages: 380-389

    • DOI

      10.1111/eth.13375

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 捕食者の色覚を模倣したCNNによるチョウ類擬態形質の定量化2024

    • Author(s)
      網野海・平川翼・矢後勝也・松尾隆嗣
    • Organizer
      第71回日本生態学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 捕食者の反応を考慮したCNNによるベイツ型・ミュラー型擬態の定量化2023

    • Author(s)
      網野 海・平川 翼・矢後 勝也・松尾 隆嗣
    • Organizer
      第25回日本進化学会年大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 深層学習を利用したチョウ類擬態形質の定量化 -捕食者の反応を模倣する試みについて-2023

    • Author(s)
      網野海・平川翼・矢後勝也・松尾隆嗣
    • Organizer
      日本蝶類学会 2023年度総会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Quantification of mimicry resemblance in butterflies using feature extractor of deep neural network2022

    • Author(s)
      Kai Amino, Tsubasa Hirakawa, Masaya Yago & Takashi Matsuo
    • Organizer
      Congresses of the European Society for Evolutionary Biology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 深層ニューラルネットワークによる特徴抽出を利用したチョウ翅模様の類似度定量化2022

    • Author(s)
      網野 海・平川 翼・矢後 勝也・松尾 隆嗣
    • Organizer
      第24回日本進化学会年大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 深層学習の特徴抽出過程を利用したチョウ翅模様の形質間距離の解析2022

    • Author(s)
      網野 海・平川 翼・矢後 勝也・松尾 隆嗣
    • Organizer
      第69回日本生態学会大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 深層学習の特徴抽出過程を利用したチョウ翅模様の形質間距離の解析.2022

    • Author(s)
      網野海・平川翼・矢後勝也・松尾隆嗣
    • Organizer
      第69回日本生態学会大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] AIを用いたチョウの翅模様の類似度解析

    • URL

      https://lboeticus.com/index.php/2022/03/20/poster_esj69/

    • Related Report
      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-05-27   Modified: 2024-12-25  

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