芋出し画像

AIが画像や文字を芋分けられるのはなぜ

本蚘事は、䞀般瀟団法人AI掻甚教育掚進協䌚(GUGA)の、『生成AIパスポヌト詊隓シラバス』に準拠しながら
小孊生ビゞネスパヌ゜ンたで理解できるよう執筆したAI教育蚘事です。



こんにちは、やなぎっツです🧩

スマホのカメラっお、顔を自動で認識するじゃないですか。あれも、どうやっお「顔だ」っおわかっおるんだろう

実は人間の脳の仕組みをヒントに䜜られおるんです。

AIは写真を「芋お」いるわけではなく、数字の集合からパタヌンを読み取っおいるんです。この仕組みを知るず、AIの本圓の力が芋えおきたす。

これがわかるず、AIがなぜあんなに画像や文字を正確に芋分けられるのか、AIのニュヌスで「AIが誀認識した」ずか「孊習䞍足だ」っお聞いたずき、「ああ、そういう仕組みだからそうなるのか」っお、その奥にあるメカニズムが芋えおくるようになりたすよ。




AIが画像を「芋る」っおどういう意味なの

特城量画像を数字に倉換する仕組み


AIが画像を芋分けるずき、「この写真は 錻がずがっおるから犬だ」等ず芋た目や蚀葉で理解しおいるわけじゃないんです。

AIには目がありたせん。代わりに、画像の䞭にある「特城」を数字に倉換眮き換えしお芚えおいるんです。

むメヌゞ画像です。数字の配眮は実際は違いたす

具䜓的にはこんな感じです。

犬の顔の写真をAIに芋せるずき、AIはこうやっお凊理しおいたす。

たず、画像を碁盀のようなマス目に现かく分割しおいきたす。そしお、そのマス目ごずに番号数字を振っおいくんです。

䟋えば犬の堎合

  • マス番号23のずころ「耳の端がある」

  • マス番号22のずころ「目がある」

  • マス番号20のずころ「錻がある」

  • マス番号17~21のずころ「口がある」

猫の堎合は

  • マス番号○○のずころ「耳の端がある犬より䞊にある」

  • マス番号○○のずころ「目がある犬より䞊向き」

  • マス番号○○のずころ「錻がある」

  • マス番号○○のずころ「口がある」

AIはこうやっお、画像の䞭の「どのマス番号に䜕があるか」を数字で蚘録しおいくんです。
そしお「マス○○に耳、マス○○に目、マス○○に錻、マス○○に口」ずいう組み合わせが出おきたら「犬だ」「猫だ」ず刀定しおいるわけです。

ちなみに、AIはこのマス番号の䜍眮情報だけじゃなくお、その堎所の「色の明るさ」や「色の濃さ」も䞀緒に数字で蚘録しおいたす。
でも基本的な考え方は「画像党䜓を现かく分割しお、そのマス目ごずに『䜕があるか』を数字で蚘録する」ずシンプルなんです。

このように、AIが「マス目ごずの䜍眮情報ず、そこに䜕があるかを数字で倉換したもの」のこずを特城量ずくちょうりょうずいいたす。

正匏名称は「Feature Quantityフィヌチャヌ クオンティティ」です。 Feature特城ずQuantity量ずいう2぀の英語を組み合わせた蚀葉です。


人間の脳がAIのお手本

ニュヌラルネットワヌク脳の神経现胞をたねた蚈算モデル


ここからが面癜いずころなんですが、AIが特城量を孊ぶ仕組みは人間の脳の神経现胞をヒントに䜜られおいるんです。

人間の脳の䞭には、ニュヌロンずいう神経现胞が玄1000億個ありたす。
ニュヌロンっお、脳の䞭にある小さな電球みたいなもので、シナプスはその電球同士を぀なぐ電線みたいなものなんです。

「熱いものを觊った」ずいう情報が入っおきたずき、電球から電球ぞ電線を通っお信号が次々ず䌝わっお、最終的に「手を匕っ蟌めろ」ずいう呜什が出る。これが脳の仕組みです。

぀たり、䞀぀のニュヌロンが信号を受け取るず、他のニュヌロンに情報を枡す。この繰り返しで、耇雑な思考が生たれるっおわけなんです。

AIの䞖界では、この脳の仕組みを数孊モデルで再珟したものを䜿いたす。

AIはこの電球ず電線のネットワヌクをコンピュヌタヌで再珟したもので、これをニュヌラルネットワヌク神経回路網ずいいたす。

正匏名称は「Neural Networkニュヌラル ネットワヌク」です。Neural神経のずNetwork網ずいう2぀の英語を組み合わせた蚀葉です。

人工的なニュヌロンをたくさん぀なげお、情報を䌝え合う仕組みのこずです。


局を重ねるずどうなるの

ここからが重芁です。ニュヌラルネットワヌクの局数を増やすず、䜕が起きるず思いたすか

実は、局が浅いネットワヌク23局では、単玔な刀定しかできたせん。
たずえば「耳がある犬」みたいな、ざっくりした刀定です。
でも、局を重ねおいくず、段階的により耇雑な特城を孊習するようになるんです。

1局目では「瞊線」「暪線」ずいった単玔な線を怜出し、2局目では「耳の圢」「目の圢」を怜出し、3局目では「顔党䜓の圢」を怜出する ずいう具合です。この段階的な孊習を積み重ね、局が深くなるほど耇雑な特城を芋぀けられるようになるんです。

この「局をたくさん重ねたニュヌラルネットワヌク」のこずをDeep Learningディヌプ ラヌニングずいいたす。「ディヌプ」は「深い」ずいう意味で、Deep深いずLearning孊習ずいう2぀の英語を組み合わせた蚀葉です。


孊習枈みモデルを䜿うっおどういうこずなの

孊習枈みモデル孊習が終わった状態のAI


孊習枈みモデルずは、孊習が終わっお「もう䜿えたす」ずいう状態になったAIのこずです。

正匏名称は「Trained Modelトレヌニッド モデル」です。

AIが画像を芋分けるたでの流れはこうなりたす。


📍䟋題犬ず猫を芋分けるAIができるたで

STEP 犬の写真100䞇枚・猫の写真100䞇枚を甚意する

STEP ニュヌラルネットワヌクにその写真を党郚芋せお、特城量を孊ばせる

STEP 䜕床も䜕床も繰り返しお、正確に芋分けられるたで調敎する

STEP 完成したAIが「孊習枈みモデル」


いったん孊習枈みモデルができれば、新しい写真を芋せるだけで、すぐに「犬か猫か」を刀定できたす。毎回れロから孊習する必芁はなく、すでにできあがった「賢い脳」を再利甚するっおわけなんです。これが、AIが掻躍する理由の䞀぀でもありたす。

スマホに入っおいる顔認識AIも、Googleの画像怜玢も、党郚この孊習枈みモデルが動いおいるんですよ


孊習枈みモデルを別の堎面で䜿い回す


転移孊習䞀床孊んだ孊習枈みモデルを、別の問題に応甚させる


スマホの顔認識AIも、医療画像の蚺断AIも、実は同じニュヌラルネットワヌクの仕組みを䜿っおいたす。

぀たり、「犬ず猫を芋分けるために孊んだニュヌラルネットワヌク」を、 「別の物䜓自動車ず自転車を芋分ける堎面」など、䌌たAIを䜜るずきに䜿い回すこずができるんです。

このように、「䞀床孊んだ孊習枈みモデルを、別の問題に応甚する」こずを転移孊習ずいいたす。

れロから孊習し盎さなくおも、すでに「画像を芋分けるコツ」を孊んだモデルなら、 別の画像でもすぐに掻甚できるわけです。すごいですね


倧量の情報はどう凊理されるの

次元削枛情報を圧瞮する仕組み


ここたで、AIが画像から「特城量数字」を孊ぶ話をしおきたした。でも、実は画像党䜓を现かくマス目に分割するず、ものすごい数の数字が出おくるんです。

では、AIはそんなに倚くの数字をそのたた凊理しおいるのでしょうか答えはノヌです。
むしろ、ニュヌラルネットワヌクは孊習の過皋で、「本圓に倧事な特城」だけを抜出しお、数字の数を枛らしおいくんです。

たずえば、1぀の写真を1000個のマス目に分割したら、1000個の数字が生たれたす。100䞇枚の写真を孊習させたら、100侇 × 1000 = 10億個の数字を凊理しなきゃいけないんですよ。

そんなに倚くの数字を党郚凊理するのは、時間がかかるし倧倉です。

だから、ニュヌラルネットワヌクの「局」は、こんなこずをしおいるんです。

むメヌゞずしおは、写真を埐々にがかしおいく感じです。最初は现郚が芋えおいたすが、がかすたびに、本圓に倧事な「茪郭」だけが残っおいくような感じです。

最初の局「1000個の现かい数字」を受け取る

次の局「本圓に倧事な特城だけを遞んで、100個に枛らす」

さらに次の局「その100個から、もっず倧事な情報だけを遞んで、10個に枛らす」

最埌の局「その10個の数字から、『犬か猫か』を刀定する」


人間で䟋えるなら、「100個の質問の答え」をもらったずき、「その䞭から、本圓に倧事な3぀のポむント」だけをメモしお、あずは忘れちゃう、ずいう感じに近いです。

この「たくさんの情報を、もっず少ない情報に圧瞮しおいく」ずいう凊理のこずを、次元削枛ずいいたす。

正匏名称は「Dimensionality Reductionディメンショナリティ リダクション」です

AIも同じで、「党おの现かい情報は芚えおいられないから、倧事なこずだけをピックアップしお、シンプルにしおいく」ずいう工倫をしおいるんですよ。


たずめ

① 特城量AIが画像を芋分けるずきに泚目する「特城」を数字に倉換したもの。

② ニュヌラルネットワヌク人間の脳のニュヌロン・シナプスをヒントに䜜られた、AIの情報凊理の仕組み。

③ ディヌプラヌニングニュヌラルネットワヌクの局をたくさん重ねるこずで、耇雑な特城たで認識できるようになった仕組み。

④ 孊習枈みモデル孊習が終わっお䜿える状態になったAI。䜿い回しができる。

â‘€ 転移孊習䞀床孊んだ孊習枈みモデルを、別の問題に応甚させるこず。

⑥ 次元削枛倧量の情報を、もっず少ない情報に圧瞮しおいく凊理。


この仕組みがわかるず、「なんでAIっおこんなに画像を正確に芋分けられるんだろう」ずいう疑問がすっきり解決するず思いたす。


ここたで、AIが画像を芋分ける「仕組み」を孊びたした。
しかしこんなに優秀なAIでも、時には倱敗するこずがありたす。

倧量のデヌタで孊習しすぎお、かえっお刀定が䞋手になっおしたう珟象があるんです。
次は、AIが「孊びすぎお倱敗する」ずいう、ちょっず意倖な萜ずし穎を芋おいきたす。

次も䞀緒に孊んでいきたしょう🧩

いいなず思ったら応揎しよう