2015 Fiscal Year Research-status Report
超圧縮センシングの基礎構築と多様なトモグラフィーへの応用
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15K06103
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
工藤 博幸 筑波大学, システム情報系, 教授 (60221933)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 圧縮センシング / コンピュータトモグラフィー / CT / 画像再構成 / 画像処理 / 雑音除去 / インペインティング / 逆問題 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H27年度は、提案手法である「超圧縮センシング」と名付けた新しい圧縮センシング（CS, Compressed Sensing）手法の数学的枠組みを構築して、最終目的である多様なトモグラフィーに適用する前段階として、画像の「雑音除去」と「欠損修復（インペインティング）」を対象として実装と評価実験を行った。
H27年度前半において、提案手法の数学的枠組みと信号復元手法の理論構築を行った。提案手法は、CSにおいて対象信号をスパースな信号に変換する際に用いられるフィルタを、画像処理分野でエッジやテクスチャーの保存性が高いことが知られる非線形フィルタ（具体的には最高の非線形フィルタと言われる非局所平均フィルタ）で置き換えることで、テクスチャーやエッジの再現性を高めるアイデアに基づいている。また、信号復元の手法として、劣化した画像データから構成されるデータ項と上記の非線形フィルタを用いて信号のスパース性を評価する正則化項の和を、近接点法と呼ばれる反復法に基づき最小化することで信号復元を行う手法を構築した。
H27年度後半において、雑音除去と欠損修復を対象として評価実験を行った。6種類のテスト画像に対して人工的に劣化を施した劣化画像を作成して、提案手法と既存のCS手法の中で最も良く使用されるトータルバリエーション（TV, Total Variation）正則化により画像復元を行い、復元画像の画質を比較評価した。その結果、提案手法は、既存のCS手法の主要な問題点である「画像を階段状関数で近似するためパッチ状アーティファクトが発生」、「エッジ・テクスチャー・滑らかな濃度変化を上手く再現できない」を克服できる一線を画する優れた手法であることが明らかになった。
更に、研究が予定より早く進んだため、H28年度に予定していた医療用低被曝X線CT画像再構成法の開発に、前倒しして着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、H27年度は、提案手法である「超圧縮センシング」の数学的枠組み構築と画像の「雑音除去」と「欠損修復（インペインティング）」を対象とした実装と評価実験までを実施する予定であった。しかし、研究が上手く進展して時間に余裕があったため、H28度に予定していた医療用低被曝X線CT画像再構成法の開発に着手することができた。更に、これまで実施した評価実験の結果などから、提案手法は既存の圧縮センシングと比較して一線を画する優れた画質性能を持つことが明らかになり、代表者自身その高画質性能に大変驚いている。これらの点に関しては予想以上の進展があった。
また、本研究課題の取り扱う内容である「圧縮センシングを用いたトモグラフィー画像再構成」は、多様なトモグラフィー技術を扱う分野（例えば、医療用CT、非破壊検査CT、電子線トモグラフィーなど）において国内外で非常に注目度が高い研究テーマと考えられており、H27年度中に5件の解説論文執筆依頼と4件の招待講演依頼を受け、そのうちH27年度中に3件の解説論文執筆と2件の招待講演を完了して、予想外の数多くのアウトリーチ活動を行うことができた。この点に関しても予想以上の成果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度は、当初の予定通り、主に「医療用低被曝X線CT画像再構成法の開発」と「電子線トモグラフィー（TEM, Transmission Electron Microscopy）画像再構成法の開発」を実施する。医療用低被曝X線CTに関しては、代表者の先行研究を出発点として、「X線量を小さくして撮影を行う低線量CT」と「投影データの測定方向数を削減して撮影を行うスパースビューCT」に対して、超圧縮センシングに基づく画像再構成法を開発する。TEMに関しては、撮影時間を短縮する目的で測定方向数を削減してかつ（試料台の最大傾斜角度が±70度であることに由来する）角度欠損がある投影データから高画質の画像再構成を行うことを目的として、超圧縮センシングに基づく画像再構成法を開発する。医療用低被曝X線CTやTEMの研究においては、実際の装置で測定した実データが研究に必要であり他機関や企業との連携が必須になるが、その方策として既にH27年度に他機関や企業との密な連携体制を整備しており直ちに研究を開始できる状況にあり、円滑に研究が進むと予想している。
また、H27年度に研究がほぼ完成した「超圧縮センシング」の基礎部分に関して、雑誌論文投稿と国際会議発表を行うことを目指す。更に、H28年度も解説論文執筆依頼や招待講演依頼があるものと予想されるが、これらのアウトリーチ活動を積極的に行う。
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| Causes of Carryover |
H27年度の研究費に335,361円の未使用額が発生した。これは、1) 高速計算用のGPUボード購入を予定していたが以前の研究で使用したものを再利用して済んだ、2) 共同研究打ち合わせの計画の細部変更により国内旅費が予想より少なくて済んだ、3) 短期雇用で大学院学生に作成を委託する予定であったプログラムを代表者が自分で作成した、の3点が主な理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
未使用額は、H28年度に「医療用低被曝X線CT画像再構成法の開発」と「電子線トモグラフィー画像再構成法の開発」におけるシミュレーション実験に使用するための物品購入費として有効に使用する予定である。未使用額を除いたH28年度の研究費は1,600,000円であるが、ほぼ申請書に記載した予定通りに、ソフトウェア・ノートPC・コンピュータ用品・研究資料・旅費・短期雇用などの用途に使用する計画である。
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