パノプティックセグメンテーションとは？仕組みや他の手法との違い、活用例について解説！

AIによる画像認識は、より高い精度を求めて、その進歩は止まることを知りません。パノプティックセグメンテーションは、画像認識AIの重要な技術であるセグメンテーション手法の一つです。

多くの新技術と同じく、パノプティックセグメンテーションにも基盤となる技術や手法が存在します。基になっている技術との関係性を知ることで、その新技術の特性や長所、活用法も見えてきます。

この記事では、パノプティックセグメンテーションと、その基盤となっているセマンティックセグメンテーション、インスタンスセグメンテーションとの関係性についてわかりやすく説明します。また、活用例についてもまとめてあるため、パノプティックセグメンテーションを導入後どのように使うかも、イメージしやすい記事となっています。ぜひ参考にしてみてください。

1. パノプティックセグメンテーションとは

パノプティックセグメンテーションとは、画像内のすべてのピクセルに対してクラス情報と個別のオブジェクト情報を同時に割り当てる手法です。セマンティックセグメンテーションとインスタンスセグメンテーションの長所を組み合わせた、画像認識のなかでも高度な手法と言えます。

従来のセグメンテーションと異なり、各オブジェクトを個別に認識すると同時に、画像内での位置関係や形状を詳細に把握することも可能です。そして、数えられるオブジェクトと材質や質感で識別される背景要素の両方を扱えます。

自動運転や監視システム、医療画像解析など、多岐にわたる応用分野での高度な分析と判断が可能になります。

パノプティックセグメンテーションの仕組み

パノプティックセグメンテーションでは、セマンティックセグメンテーションによって、各ピクセルがどのクラス（例：空、道路、建物など）に属するかを特定します。同時に、インスタンスセグメンテーションを用いて個々のオブジェクトを識別し、それぞれにラベルを付けます。

この2つの手法を統合することで、画像内のすべてのピクセルにラベルを付けつつ、個々のオブジェクトも識別できるようになります。この仕組みには、畳み込みニューラルネットワーク(CNN)やTransformerなどのディープラーニング（深層学習）モデルが中心的な役割を果たします。

2. パノプティックセグメンテーションと他のセグメンテーションとの違い

セグメンテーションの手法と以下のセグメンテーション手法の違いについて説明します。

• セマンティックセグメンテーション
• インスタンスセグメンテーション

セマンティックセグメンテーションとの違い

セマンティックセグメンテーションは、画像内の各ピクセルに対してその所属するクラスを割り当てる手法です。画像全体でどの部分がどのクラスに該当するかを識別できます。

しかし、セマンティックセグメンテーションでは同一クラス内の個々のオブジェクトを区別できません。例えば、画像内に複数の自動車が存在していても、それらはすべて単一の「自動車」というグループで扱われます。

一方、パノプティックセグメンテーションはクラスごとの識別に加え、同一クラス内の個々オブジェクトのインスタンスも識別します。つまり、複数の自動車があれば、それぞれに固有のラベルを付けます。

なお、「セマンティックセグメンテーションとは？種類や手法、画像処理活用事例を解説！」で、セマンティックセグメンテーションの仕組みや活用事例などについて詳しく解説しています。

インスタンスセグメンテーションとの違い

インスタンスセグメンテーションは、画像内の各オブジェクトを個別に識別し、それぞれの輪郭や位置を特定する手法です。画像内のオブジェクトの認識にシフトした手法と言えます。そのため、インスタンスセグメンテーションでは背景や非オブジェクト領域についての詳細な情報は提供されません。

一方、パノプティックセグメンテーションは画像内のすべてのピクセルに対してカテゴリ情報を割り当てます。つまり、背景や環境要素も含めて、画像全体を総合的に解析できます。

「インスタンスセグメンテーションとは？セマンティックとの違いや代表モデル、手法、利点を徹底解説！」で、インスタンスセグメンテーションの仕組みや活用分野などについて詳しく解説しています。

3. パノプティックセグメンテーションに適用するAI技術

パノプティックセグメンテーションでは、主に以下のAI技術が適用されています。

• ダイレイト畳み込み(Dilated Convolution)
• 注意機構(attention mechanism)
• GAN(敵対的生成ネットワーク)
• 動的輪郭モデルとCNNの連携

それぞれについて解説します。

ダイレイト畳み込み(Dilated Convolution)

ダイレイト畳み込みは、パノプティックセグメンテーションを含むセグメンテーション全般において重要な役割を果たす畳み込み手法です。通常の畳み込みよりも広い範囲の情報を捉えることができ、オブジェクトの全体的な形状や周囲の文脈を理解しやすくなります。

ダイレイト畳み込みを活用することで、高解像度の特徴マップを維持しながら、遠く離れたピクセル間の関係性をモデルが学習できます。オブジェクトの輪郭や背景との境界を正確に捉え、細かいディテールと大局的な情報の両方を保持することが可能です。

注意機構(attention mechanism)

注意機構とは、深層学習モデルが入力データのより重要な部分に選択的に焦点を当てる技術です。

パノプティックセグメンテーションにおいては、複数の注意機構を並列に使用します。これにより、「things」（個別のオブジェクト）と「stuff」（背景や材質）の両方を効果的に処理できます。

GAN(敵対的生成ネットワーク)

GANはパノプティックセグメンテーションにおいて、データの質と多様性を向上させ、モデルの学習と適応を支援する役割を果たします。

敵対的生成ネットワーク（GAN）は、生成器と識別器の2つのネットワークから構成され、生成器が本物に似た画像データを生成し、識別器がその画像データを本物か偽物か判別することで、生成能力を向上させる手法です。

パノプティックセグメンテーションでは、GANを使用して既存の画像データセットを拡張します。特に、「things」（個別のオブジェクト）と「stuff」（背景や材質）の両方を含む、より多様なシーンを生成することができます。

動的輪郭モデルとCNNの連携

動的輪郭モデル（ACM：Active Contour Models）とは、画像内のオブジェクトの輪郭を正確に捉えるための手法です。このモデルはエネルギー最小化の原理に基づき、オブジェクトの境界線を滑らかに追跡します。

一方、CNNは画像から特徴を自動的に抽出し、高度なパターン認識を実現します。

CNNによって抽出されたセマンティック情報を活用し、動的輪郭モデルがオブジェクトの詳細な境界を精密に検出します。これら2つの技術を組み合わせることで、パノプティックセグメンテーションの精度と効率を大幅に向上させることが可能です。

この連携手法は、医療画像解析や自動運転など、細部の認識が求められる分野で特に効果を発揮します。例えば、医療分野では、腫瘍や病変部位の正確な境界を検出することで、診断や治療計画の精度を高めることが可能です。

4. パノプティックセグメンテーションの活用例

パノプティックセグメンテーションはその高い画像理解能力により、多様なシーンで活用されています。中でも導入が進められているのが、以下の3つです。

• 自動運転技術
• 医療画像の処理
• ロボットの制御

それぞれの活用例について解説します。

自動運転技術

自動運転車は安全かつ効率的な走行を実現するために、周囲の環境をリアルタイムで正確に理解する技術が必要です。この高度な環境認識を実現するために、パノプティックセグメンテーションの活用が期待されています。

車両のカメラやセンサーから得られる画像データに対して、パノプティックセグメンテーションを適用することで、道路・歩行者・他の車両・信号機・標識など、あらゆる要素をピクセル単位で分類できます。同時に各オブジェクトを個別のインスタンスとしても識別します。

医療画像の処理

パノプティックセグメンテーションは、医療画像解析の分野にも用いられます。医療現場では、X線、CT、MRI、超音波など多種多様な画像データが診断や治療計画に活用されています。これらの画像から臓器や病変部位を正確に識別することは、患者の診療品質と治療効果を向上させる上で重要です。

パノプティックセグメンテーションを導入することで、臓器全体だけでなく、その内部に存在する個々の病変や組織構造をピクセルレベルで詳細に解析することが可能となります。

ロボットの制御

パノプティックセグメンテーションによって、ロボットは周囲のオブジェクトや背景を解析し、より高度な判断と動作が可能になります。ロボットを実世界で運用する場合、人間の代替や補助として多様な環境で活動することになります。そのため、周囲の環境を正確に、そして迅速に認識し理解する能力が求められます。

パノプティックセグメンテーションは、背景との境界や同一クラス内の複数オブジェクトの区別を可能にします。そして、画像内のすべてのピクセルに対してクラスと個別ラベルを割り当てます。これによって、ロボットは周囲の状況をより総合的に理解することが可能です。

5. パノプティックセグメンテーションにおけるアノテーションの重要性

パノプティックセグメンテーションを自社のニーズで必要とする精度で実現するためには、質の高いアノテーションが不可欠です。

パノプティックセグメンテーションは、セマンティックセグメンテーションとインスタンスセグメンテーションの両方の要素を組み合わせています。そのため、アノテーション作業においては、学習画像内のすべてのオブジェクトに対して、クラスラベルとインスタンスIDの両方を正確に付けなければいけません。

具体的には、以下のような多段階のアノテーションプロセスを構成することもあります。

• 大まかなセグメンテーション
• 細かい調整
• インスタンスIDの付与

段階的に作業を行っていくため、パノプティックセグメンテーションでのアノテーション作業はより複雑で時間を要します。各プロセスを明確にコントロールできる品質管理プロセスの構築が必要です。

アノテーション工程をスムーズに行うために、専用のアノテーションツールの使用を検討しましょう。加えて、複数のアノテーターによるクロスチェックや専門家による確認をフローに組み込むことも求められます。

パノプティックセグメンテーションの成功には、正確なアノテーションが不可欠です。アノテーションの重要性を理解しておくと、高精度なパノプティックセグメンテーションを運用できるでしょう。

「アノテーションとは？AI活用でなぜ必要？プロセスと作業内容を解説」も併せてご覧ください。

6. まとめ

パノプティックセグメンテーションはクラスと個別の画像認識を可能にするセグメンテーション手法で、高精度な解析を実現します。そのためには高度なアノテーションが必要となりますが、専門的な知識と技術を要するため、作業負荷も大きくなります。

アノテーションの精度をAIモデルに反映させるためには、ラベル付けの一貫性や正確性を維持することが重要です。精度が低いアノテーションを行うと、パノプティックセグメンテーションの精度も低下してしまいます。

社内にアノテーション人材がいない場合は、アノテーション専門会社に相談することも検討してみてください。