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2017 年度 実施状況報告書

超広帯域レーダによる人体の歩行形態認識と異常検出技術

研究課題

研究課題/領域番号 15K18077
研究機関兵庫県立大学

研究代表者

阪本 卓也  兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (30432412)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
キーワード計測工学 / アルゴリズム / レーダ / イメージング
研究実績の概要

平成29年度には、平成27年度および28年度にそれぞれ開発した人体の運動解析手法およびイメージング手法により得られた運動・姿勢の情報を統合し、機械学習により運動識別する手法を開発した。開発手法で用いる機械学習アルゴリズムとして、画像処理分野で広く用いられる畳み込みニューラルネットワークを採用した。機械学習アルゴリズムをレーダデータから生成される時間周波数分布を表すデータ列へ適用し、人体の行動を自動識別する信号処理法を開発した。開発手法の性能を評価するため、実験参加者に指示どおり繰り返し行動させ、超広帯域レーダによる反射波の測定を行った。今回の測定で想定した行動は3種類とした。様々な姿勢や運動方向へ行動する被験者からの反射波を繰り返し測定し、レーダデータに行動種別のラベル付けを行ったレーダ信号データベースを構築した。機械学習へ入力するデータ量を削減するため、ドップラー偏移の時間変動特徴量を抽出する手法を開発した。提案する特徴量のデータを機械学習の入力として用いることで、比較的少数のニューロンで構成される畳み込みニューラルネットワークにより効率的に識別を行うことができることを確認した。今回の測定データを用いた評価により3種類の行動を98%以上の高精度で識別できることを示した。この結果により、研究計画に記載のレーダ信号および機械学習による運動識別技術が実現できたことが分かる。ただし、研究課題の最終目標である異常検出技術の実現のためには、より多くの運動に対応した測定を行い、性能評価をすることが必要である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本課題の目標は、対象者の容態の急変や転倒などの人体の異常をレーダにより自動検出する技術を開発することである。対象目標を人体に特化させ、人体の形状・運動の数値モデルを用いた技術を開発し、少数アンテナのみを用いた簡易な装置により行動の異常検知を行うことを目指している。この目標を達成するためには人体の(1)運動・(2)姿勢の高精度推定技術、さらに(3)機械学習による異常検出技術を開発する必要がある。平成27年度および28年度にはそれぞれ(1)と(2)の開発を完了している。これらに続いて平成29年度には(3)に関する機械学習による行動識別技術を実現した。平成29年度に識別技術の評価に用いた行動種別は歩行・走行・跳躍の3種類のみであり、(3)で目標とした異常検出のためにはさらに多くの行動パターンに対するデータ測定と評価を進めてゆく必要がある。ただし、平成29年度までに異常検出技術の基礎となる運動の自動識別技術の開発は済んでおり、研究全体の進捗としてはおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

本課題の研究計画に記載の3種類の要素技術の開発はそれぞれ完了している。最終年度となる平成30年度には、これらの要素技術を組み合わせて人体の異常検出技術を完成させ、最終目標を達成する。このためには、異常検出に必要となる多くの行動パターンに対応するレーダ測定を実施し、機械学習アルゴリズムの学習に用いる。さらに、システム全体の性能を実際のデータで評価することにより、各手法の改良も進めてゆく。異常検出精度を向上させるために、対象者の運動・姿勢のパラメータのうちどれが支配的なのかを定量評価するとともにニューラルネットワークの規模やトポロジーも含めて全体の性能を向上させるための改良を進める。最後に、様々な運動種別に対応したデータを用いたクロスバリデーションにより、開発システムの性能を詳細に評価する。

次年度使用額が生じた理由

平成29年度には、研究計画に記載された人体の異常検出技術開発の要素技術である行動識別技術の開発を実施した。一方で、最終目標である異常検出技術の開発に必要な異常行動に対応するレーダ測定は実施しなかった。この理由は、異常ではない通常の行動であっても、高精度に自動識別するためにはデータから適切な特徴量を抽出する必要があり、この手法開発には当初の予想よりも時間がかかったためである。そのため、平成29年度には人体の異常に対応するデータ取得に必要な経費を執行せず、次年度使用額が生じた。平成30年度には最終目標の達成に向けて平成29年度に実施しなかった測定を実施する予定であり、そのために同額を使用する計画である。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 5件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] デルフト工科大学(オランダ)

    • 国名
      オランダ
    • 外国機関名
      デルフト工科大学
  • [雑誌論文] Doppler radar techniques on accurate respiration characterization and subject identification2018

    • 著者名/発表者名
      Ashikur Rahman, Victor Lubecke, Olga Boric-Lubecke, Jan Prins, and Takuya Sakamoto
    • 雑誌名

      IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1109/JETCAS.2018.2818181

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Noncontact measurement of the instantaneous heart rate in a multi-person scenario using X-band array radar and adaptive array processing2018

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto, Pascal J. Aubry, Shigeaki Okumura, Hirofumi Taki, Toru Sato, and Alexander G. Yarovoy
    • 雑誌名

      IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems

      巻: - ページ: -

    • DOI

      10.1109/JETCAS.2018.2809582

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 時間領域適応型信号処理を用いた超広帯域レーダにおける複数運動目標の分離2018

    • 著者名/発表者名
      森本和志, 奥村成皓, 阪本卓也, 佐藤 亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会電磁界理論研究会
  • [学会発表] キルヒホッフマイグレーションによる超音波イメージングの分解能改善の評価2018

    • 著者名/発表者名
      岸本優莉, 阪本卓也, 奥村成皓, 佐藤 亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] 超広帯域ドップラアレイレーダを用いた適応型ビームフォーマによる非接触心拍測定2018

    • 著者名/発表者名
      村垣政志, 奥村成皓, 阪本卓也, 佐藤 亨, 水谷研治, 井上謙一, 福田健志, 酒井啓之
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] 低次元化畳み込みニューラルネットワークを用いた超広帯域レーダによる人体運動の自動識別2018

    • 著者名/発表者名
      日下部響土, 阪本卓也
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] 超広帯域レーダと時間周波数領域適応型信号処理を用いた複数運動目標の分離2018

    • 著者名/発表者名
      平元一喜, 奥村成皓, 阪本卓也, 佐藤 亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] UWBレーダを用いた生活環境における心拍・呼吸・運動推定技術2018

    • 著者名/発表者名
      三谷壮平, 奥村成皓, 阪本卓也, 佐藤 亨, 酒井啓之, 水谷研治, 福田健志, 井上謙一
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] ミリ波レーダによる睡眠中の遠隔心拍測定のための距離カメラを用いた電磁波散乱解析2018

    • 著者名/発表者名
      小西建太朗, 阪本卓也, 山下幸祐, 村垣政志, 奥村成皓, 佐藤 亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
  • [学会発表] Frequency-domain interferometric imaging and velocity vector estimation using networked ultra-wideband 80-GHz array radar systems2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto, Toru Sato, Kenta Iwasa, and Hidekuni Yomo
    • 学会等名
      2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Super-resolution array radar imaging of human bodies for heartbeat monitoring2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto, Pascal J. Aubry, Alexander G. Yarovoy, Shigeaki Okumura, Hirofumi Taki, and Toru Sato
    • 学会等名
      XXXIInd International Union of Radio Science General Assembly & Scientific Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Breast cancer imaging using ultra-wideband radar and modified Kirchhoff migration2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto, Hang Song, and Takamaro Kikkawa
    • 学会等名
      The 2nd International Symposium on Biomedical Engineering
    • 国際学会
  • [学会発表] Radar-based hand gesture recognition using I-Q echo plot and convolutional neural network2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto, Xiaomeng Gao, Ehsan Yavari, Ashikur Rahman, Olga Boric-Lubecke, and Victor M. Lubecke
    • 学会等名
      2017 IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] Radar imaging of breast cancer using Kirchhoff migration and singular value decomposition2017

    • 著者名/発表者名
      Takuya Sakamoto, Hang Song, and Takamaro Kikkawa
    • 学会等名
      2017 IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] 超広帯域ドップラアレイレーダを用いた複数人体の呼吸情報非接触測定2017

    • 著者名/発表者名
      村垣政志, 奥村成皓, 阪本卓也, 水谷研治, 井上謙一, 福田健志, 酒井啓之, 佐藤 亨
    • 学会等名
      電子情報通信学会電磁界理論研究会
  • [学会発表] 人体表面変位の高調波成分に着目した超広帯域ドップラレーダによる非接触心拍間隔測定2017

    • 著者名/発表者名
      奥村成皓, 大石健太郎, 阪本卓也, 佐藤 亨, 水谷研治, 井上謙一, 福田健志, 酒井啓之
    • 学会等名
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 修正キルヒホッフマイグレーションを用いた超広帯域レーダによる乳がんイメージング技術2017

    • 著者名/発表者名
      阪本卓也, 宋 航, 吉川公麿
    • 学会等名
      電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • [学会発表] 超広帯域レーダによる人体遠隔計測技術2017

    • 著者名/発表者名
      阪本卓也
    • 学会等名
      平成29年電気関係学会関西連合大会
    • 招待講演

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公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-02-22  

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