GPUと深層学習を用いた広視野サーベイのための高精度・高速天体認識技術の開発

• 研究課題/領域番号: 16K13783
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 天文学
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 谷津 陽一 東京工業大学, 理学院, 助教 (40447545)
• 研究分担者: 篠田 浩一 東京工業大学, 情報理工学院, 教授 (10343097) ; 井上 中順 東京工業大学, 情報理工学院, 助教 (10733397) ; 下川辺 隆史 東京大学, 情報基盤センター, 准教授 (40636049)
• 研究協力者: 河合 誠之
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 機械学習 / 画像認識 / 深層学習 / 畳み込みニューラルネットワーク / 重力波 / 時間領域天文学 / ロボット望遠鏡 / GPU / CNN / マルチメッセンジャー天文学 / 重力波天文学 / 気象識別 / 深層学習（DEEP LEARNING） / 畳み込みニューラルネットワーク（CNN） / 画像処理 / 超高速情報処理 / 天文 / Ｘ線天文学 / 衛星測位

研究成果の概要

重力波天文学に代表される時間領域天文学に必須となる天体観測装置のソフトウェア的な基盤技術の開発を行った。現在のロボット観測においてどうしても人間が介在せざるを得ない、観測スケジュールのアレンジと取得画像からの突発天体抽出の完全自動化のために、深層学習やGPUを用いた気象識別と全く新しい突発天体検出アルゴリズムを開発した。これらは、既存のハードウェアをそのまま応用して、多くの観測所で使用することが可能である。また、これらの処理に用いたGPUを従来のデータリダクションに用いることで、30倍の解析時間短縮を実現した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

2015年にスタートした重力波観測はすでに多くの重力波イベントを検知しているが、これらから物理的な情報を引き出すためには可視光での追観測が必須である。現状、当番制で国内望遠鏡の監視を継続しているが、この人的な負担は極めて大きい。本研究はこの完全自動化を阻む主要な問題を解決するための要素技術を、安価な市販の計算機で実現するものである。この技術は容易に移植が可能であり、すぐさま重力波監視作業に適用することが国内外の重力波電磁波観測コミュニティから期待されている。

研究成果

• [雑誌論文] J-GEM follow-up observations to search for an optical counterpart of the first gravitational wave source GW150914 (2016)
  • 著者名/発表者名: T Morokuma, M Tanaka, Y Asakura, F Abe, PJ. Tristram, Y Utsumi, M Doi, K Fujisawa, R Itoh, Y Itoh, K S. Kawabata, N Kawai, D Kuroda, K Matsubayashi, Yoshihiko Saito, Yoichi Yatsu, et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 68 号: 4
  • DOI: 10.1093/pasj/psw061
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 突発天体検知のための MITSuME 望遠鏡用自動解析パイプラインの GPU を用 いた高速化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 庭野聖史,村田勝寛,伊藤亮介,橘優太朗,河合誠之,谷津陽一,針田聖平,森田浩太郎,大枝幹, 飯田 康太, 間宮 英生, 白石 一輝, 安達 稜 (東京工業大学), 下川辺 隆史 (東京大学)
  • 学会等名: 日本天文学会2019年春季年会
• [学会発表] 深層学習を用いた MITSuME 望遠鏡画像からの突発天体検知 (2019)
  • 著者名/発表者名: 飯田 康太, 谷津 陽一, 伊藤 亮介, 村田 勝寛, 橘 優太朗, 河合 誠之 (東工大理),Yan Long, 篠田 浩一, 井上 中順 (東工大情報理工), 下川辺 隆史 (東京大)
  • 学会等名: 日本天文学会2019年春季年会
  • 国際学会
• [学会発表] Development of weather monitor utilizing Deep Learning (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Yatsu
  • 学会等名: Third Workshop on Autonomous Observatory Software - RTS2
  • 国際学会
• [学会発表] Image subtraction and Transient Detection with CNN (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Yatsu
  • 学会等名: GROWTH Conference 2018 IITB, Mumbai, India
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a cloud detection system utilizing image recognition technology (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoichi Yatsu
  • 学会等名: Fifth workshop on robotic autonomous observatories
  • 国際学会
• [学会発表] Fault Tolerant Circuit Design for Low-cost and Multi-Functional Attitude Sensor Using Real-time Image Recognition (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuhei Kikuya, Masanori Matsushita, Masaya Koga, Kei Ohta, Yuki Hayashi, Takehiko Koike, Toshiki Ozawa, Yoichi Yatsu, and Saburo Matunaga
  • 学会等名: 31st International Symposium on Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] 深層学習を応用した革新的姿勢センサ「DLAS」のエンジニアリングモデル開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 菊谷侑平，林雄希，小澤俊貴，新谷勇介，小泉翔，増田雄斗，下川辺隆史，谷津 陽一，松永 三郎
  • 学会等名: 第 61 回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] On-board Satellite Imagery Classification using Convolutional Neural Networks (2017)
  • 著者名/発表者名: Kei Ohta, Takehiko Koike, Yoichi Yatsu, and Saburo Matunaga
  • 学会等名: 31st International Symposium on Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] Study for three-axis attitude determination using visible light image in low earth orbit (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuki Hayashi, Takehiko Koike, Yuhei kikuya, Yoichi Yatsu, and Saburo Matunaga
  • 学会等名: 31st International Symposium on Space Technology and Science
  • 国際学会
• [学会発表] 地球低軌道における可視光画像を用いた 3 軸姿勢決定法に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 林雄希，小池毅彦，菊谷侑平，谷津陽一，松永三郎
  • 学会等名: 第 61 回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 民生品を流用した低コスト・高精度スタートラッカの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小澤俊貴, 谷津陽一, 吉井健敏, 間宮英生, 河合誠之,下川辺隆史, 松永 三郎
  • 学会等名: 第 61 回宇宙科学技術連合講演会
• [学会発表] 畳み込みニューラルネットワークを用いた 夜間全天画像からの雲領域検出 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐久間淳一ほか
  • 学会等名: 情報処理学会第79回全国大会
  • 発表場所: 名古屋大学
• [学会発表] 深層学習を用いた軌道上実時間衛星画像分類 (2016)
  • 著者名/発表者名: 太田 佳ほか
  • 学会等名: 第60回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 函館
• [学会発表] 深層学習を応用した革新的姿勢センサの実証 (2016)
  • 著者名/発表者名: 谷津陽一ほか
  • 学会等名: 第60回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 函館
• [学会発表] 突発天体観測用天文台全球リレーのための気象モニターの開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 谷津陽一ほか
  • 学会等名: 日本天文学会秋季年会
  • 発表場所: 愛媛大学
• [備考] 深層学習でリアルタイム軌道上画像識別を実現
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/pdf/tokyotechpr20181218_dlas.pdf
• [備考] 研究テーマを宇宙で実証 JAXAのイプシロンロケット4号機で打ち上げへ
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2019/043335.html
• [備考] 超小型人工衛星で宇宙産業を切り開く
  • URL: https://www.titech.ac.jp/research/stories/space_and_satellite.html
• [備考] 深層学習を応用した革新的姿勢センサの開発
  • URL: http://www.hp.phys.titech.ac.jp/yatsu/DLAS/
• [備考] JAXA 革新的衛星技術実証プログラム
  • URL: http://www.kenkai.jaxa.jp/kakushin/index.html
• [備考] 革新的衛星技術実証一号機
  • URL: http://www.kenkai.jaxa.jp/kakushin/kakushin01.html
• [産業財産権] 画像処理装置 (2018)
  • 発明者名: 谷津陽一ほか
  • 権利者名: 国立大学法人東京工業大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-139611
  • 出願年月日: 2018
• [産業財産権] 画像処理装置 (2018)
  • 発明者名: 谷津陽一
  • 権利者名: 国立大学法人東京工業大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2018-134620
  • 出願年月日: 2018