(57)【要約】【課題】逐次近似計算法で用いる解の初期値を真値に近い値とすることが可能な逐次近似計算方法等を提供する。【解決手段】コンピュータは、ディジタルホログラフィ装置により測定された干渉縞強度データ１０等と、推定した物体像の位相の初期値である干渉縞位相初期値データ２０とを用いて逐次近似計算を行うことにより、位相回復された物体像の干渉縞位相推定値データ３０を算出する。干渉縞位相初期値データ２０は、初期位相推定器３００により算出される。初期位相推定器３００は、学習用の干渉縞強度データ等を用いて機械学習を実施することにより構築される。コンピュータは、位相回復により得られた物体像の干渉縞位相推定値データ３０と、初期位相推定器３００の入力データとして用いた干渉縞強度データ１０とを用いて光波伝搬計算を行うことにより、再構成された再構成強度データ４０および再構成位相データ５０を取得する。【選択図】図８
2020105534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価関数を最小もしくは最大にするように逐次近似計算を行う工程を有し、
前記工程において、前記逐次近似計算に用いる所定の物理量を入力とし、前記逐次近似計算に用いる一つまたは複数の初期値を出力とする学習済モデルを用いる、
逐次近似計算方法。
【請求項２】
前記物理量は、物体の干渉縞強度であり、
前記工程において、前記逐次近似計算により、前記物体の位相情報を求める、請求項１に記載の逐次近似計算方法。
【請求項３】
前記物理量は、放射線が物体を透過した放射線透視画像であり、
前記工程において、前記逐次近似計算により、前記物体の再構成断層像を求める、請求項１に記載の逐次近似計算方法。
【請求項４】
評価関数を最小もしくは最大にするように逐次近似計算を行う演算部を備え、
前記演算部は、前記逐次近似計算に用いる所定の物理量を入力とし、前記逐次近似計算に用いる一つまたは複数の初期値を出力とする学習済モデルを有する、逐次近似計算装置。
【請求項５】
前記物理量は、物体の干渉縞強度であり、
前記演算部は、前記逐次近似計算により、前記物体の位相情報を求める、請求項４に記載の逐次近似計算装置。
【請求項６】
前記物理量は、放射線が物体を透過した放射線透視画像であり、
前記演算部は、前記逐次近似計算により、前記物体の再構成断層像を求める、請求項４に記載の逐次近似計算装置。
【請求項７】
コンピュータに、
評価関数を最小もしくは最大にするように逐次近似計算を行い、当該逐次近似計算において、当該逐次近似計算に用いる所定の物理量を入力とし、前記逐次近似計算に用いる一つまたは複数の初期値を出力とする学習済モデルを用いる機能を、
実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逐次近似計算方法、逐次近似計算装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、解析的に数値解が求められない問題においては、モデルの関係式を解くに当たって最初に一つの任意の初期値（近似解）を設定し、次にこの初期値を用いてさらに精度の良い解を求め、逐次この計算を繰り返すことで一つの解に収束させる、逐次近似計算法が知られている。【０００３】
上述した逐次近似計算法は、例えば、特許文献１に開示されるＰＥＴ等の核医学用データの断層画像再構成、特許文献２に開示される放射線断層撮影装置における放射線の散乱成分推定、特許文献３に開示される断層画像処理における欠損データの補償、特許文献４に開示されるＸ線ＣＴ装置における再構成画像のアーティファクト低減等の分野で広く利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２６３４０２号公報
【特許文献２】特許第６１２３６５２号公報
【特許文献３】特許第６２０６５０１号公報
【特許文献４】国際公開第２０１７／０２９７０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した逐次近似計算法で用いる解の初期値は、できるだけ真値に近い方が、誤った局所解へ収束することが少なく、かつ、解の収束に要する繰り返しの計算の回数も少なくて済む。しかしながら、従来では、対象とする問題に応じて様々な解を取りうるため、適切な初期値を設定するのが難しいという問題があった。【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決するものであって、逐次近似計算法で用いる解の初期値を真値に近い値とすることが可能な逐次近似計算方法、逐次近似計算装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の例示的な逐次近似計算方法は、評価関数を最小もしくは最大にするように逐次近似計算を行う工程を有し、前記工程において、前記逐次近似計算に用いる所定の物理量を入力とし、前記逐次近似計算に用いる一つまたは複数の初期値を出力とする学習済モデルを用いるものである。【０００８】
また、本発明の例示的な逐次近似計算装置は、評価関数を最小もしくは最大にするように逐次近似計算を行う演算部を備え、前記演算部は、前記逐次近似計算に用いる所定の物理量を入力とし、前記逐次近似計算に用いる一つまたは複数の初期値を出力とする学習済モデルを有するものである。【０００９】
また、本発明の例示的なプログラムは、コンピュータに、評価関数を最小もしくは最大にするように逐次近似計算を行い、当該逐次近似計算において、当該逐次近似計算に用いる所定の物理量を入力とし、前記逐次近似計算に用いる一つまたは複数の初期値を出力とする学習済モデルを用いる機能を、実行させるものである。【００１０】
また、本発明の例示的な記憶媒体は、コンピュータ読み取り可能な非一時的記憶媒体であって、前記例示的なプログラムが記憶されたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、逐次近似計算の初期値として、真値に近い値を設定することができるため、誤った局所解へ収束することを回避できると共に、解へ収束するまでに必要な繰り返し計算の回数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るディジタルホログラフィ装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図２】逐次近似計算等を行う場合に用いられるコンピュータの機能構成の一例を示すブロック図である。
【図３】学習用データを生成する学習用データ生成段階を説明するための概要図である。
【図４】学習用データを生成する場合におけるコンピュータの動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】初期位相推定器を作成する際に用いられるコンピュータの機能構成の一例を示すブロック図である。
【図６】初期位相推定器を作成する学習段階を説明するための概略図である。
【図７】畳み込みニューラルネットワークを説明するための図である。
【図８】画像の再構成を行う実施段階を説明するための概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な一実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態では、以下の順番で説明を行う。
（１）学習用データを生成する学習用データ生成段階
（２）学習用データを用いて機械学習することで初期位相推定器を作成する学習段階
（３）初期位相推定器を用いた物体像の位相回復により画像の再構成を行う実施段階
【００１４】
＜（１）学習用データ生成段階＞
まず、学習用データを生成する学習用データ生成段階について説明する。（１）の学習用データ生成段階では、後述する初期位相推定器を構築するために機械学習を行う際に用いられる学習用データを生成する。本実施の形態において学習用データとは、例えば、教師データを含み、例題となる干渉縞強度データと答えとなる逐次近似計算で推定した位相データとの大量のデータセットを示す。
【００１５】
［ディジタルホログラフィ装置１００の構成例］
図１は、物体像１１０Ａのホログラフィを撮像するディジタルホログラフィ装置１００の構成の一例を示している。
【００１６】
図１に示すように、ディジタルホログラフィ装置１００は、顕微鏡であり、ｊ個のレーザーダイオード（ＬＤ）１０１（１）〜１０１（ｊ）と、スイッチング素子１０２と、照射部１０３と、検出器１０４と、インターフェース（Ｉ／Ｆ）１０５とを備えている。
【００１７】
ＬＤ１０１（１）〜１０１（ｊ）は、いずれもコヒーレント光を発振・出射する光源であり、光ファイバ等のケーブルを介してスイッチング素子１０２に接続されている。ＬＤ１０１（１）〜１０１（ｊ）の各発振波長λ（１）〜λ（ｊ）は、例えばこの順に長くなるように設定されている。
【００１８】
スイッチング素子１０２は、ネットワークを介して接続される後述するコンピュータ２００Ａ等からの指示に基づいて、光源として使用するＬＤ１０１（１）〜１０１（ｊ）を切り替える。
【００１９】
照射部１０３は、スイッチング素子１０２により切り替えられたＬＤ１０１（１）〜１０１（ｊ）に基づいて、照明光Ｌを物体像１１０Ａ等に向けて出射する。物体像１１０Ａは、例えば細胞等である。
【００２０】
検出器１０４は、例えばＣＣＤイメージセンサにより構成され、照射部１０３から出射された照明光Ｌによって生じた干渉縞（ホログラム）を撮像し、物体像１１０Ａにおける干渉縞強度データ１０を取得する。この干渉縞強度データ１０は、物体像１１０Ａによって回折した光波を物体波（同図中において物体像１１０Ａの右側の円弧型の線）、回折しなかった光波（透過光を含む）を参照波（物体像１１０Ａの右側の線分）とし、これらによって生じた干渉縞を記録したものである。
【００２１】
［コンピュータ２００Ａの構成例］
図２は、逐次近似計算および光波伝搬計算を行う逐次近似計算装置の一例であるコンピュータ２００Ａの構成の一例を示している。
【００２２】
図２に示すように、コンピュータ２００Ａは、演算部の一例を構成し、装置全体の動作を制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２１０を備えている。ＣＰＵ２１０には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の揮発性記憶装置を含むメモリ２１２と、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）等を含むモニタ２１４と、キーボードやマウス等を含む入力部２１６と、インターフェース２１８と、記憶部２２０とがそれぞれ接続されている。
【００２３】
インターフェース２１８は、ディジタルホログラフィ装置１００との間で通信可能に構成され、ディジタルホログラフィ装置１００にホログラム撮像の指示を送信すると共に、ディジタルホログラフィ装置１００からの撮像データを受信する。コンピュータ２００Ａとディジタルホログラフィ装置１００とは、ケーブル等により直接接続しても良いし、無線により接続しても良い。また、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）等の半導体メモリを用いた補助記憶装置によってデータを移動可能な構成としても良い。
【００２４】
記憶部２２０は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の不揮発性記憶装置により構成されている。記憶部２２０には、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）２２９、および撮像制御・データ解析プログラム２２１が格納されている。
【００２５】
撮像制御・データ解析プログラム２２１は、撮像指示部２３２、ホログラム取得部２３３、位相情報算出部２３４、画像生成部２３５、表示制御部２３６およびホログラム記憶部２３７等の機能を実行する。撮像制御・データ解析プログラム２２１は、ディジタルホログラフィ装置１００により撮像されたホログラムを用いて逐次近似計算等の処理を行い、物体像１１０Ａの像を再生してモニタ２１４の画面上に画像として表示させる機能を有する。また、撮像制御・データ解析プログラム２２１は、ディジタルホログラフィ装置１００によるホログラム撮像を制御する機能を有する。
【００２６】
［学習用データ生成段階の概略］
図３は、学習用データを生成する生成段階の概略を説明するための図である。ディジタルホログラフィ装置１００は、波長λ（１）〜λ（ｊ）の異なる光のそれぞれを光源から物体像１１０Ａに照射し、模様の異なる干渉縞強度データ１０ａ（１）〜１０ａ（ｊ）を一つのデータ群Ｇ（１）として取得し、さらに同様の手法によりＮ個のデータ群Ｇ（Ｎ）を取得する。Ｎは、正の整数である。
【００２７】
次に、コンピュータ２００Ａは、取得した干渉縞強度のデータ群Ｇ（１）〜Ｇ（Ｎ）と、予め設定した物体像１１０Ａの位相の初期値である干渉縞位相初期値データ２０ａとを用いて逐次近似計算を行う。物体像１１０Ａにおける位相の初期値は、任意の値を設定することができる。本実施の形態では、例えば位相の初期値として全ての画素値を０に設定している。また、画素値をランダムに設定しても良い。コンピュータ２００Ａは、逐次近似計算を行うことにより、位相回復した干渉縞位相推定値データ３０ａ（１）〜３０ａ（ｊ）をデータ群Ｇ（１）〜Ｇ（Ｎ）毎に算出する。
【００２８】
本実施の形態では、実際の測定により取得した各波長λにおける干渉縞強度データ１０ａ（１）〜１０ａ（ｊ）と、逐次近似計算により得られた干渉縞位相推定値データ３０ａ（１）〜３０ａ（ｊ）を、初期位相推定器３００を構築するために機械学習を行う際の学習用データとして用いる。つまり、本実施の形態では、位相初期値を画素値０などにして逐次計算することで得た位相情報を初期位相推定器３００の学習用データとして用いることになる。真値に近い位相情報を用意するために、学習用データ生成段階では、十分な繰返し回数の逐次演算を行い、評価関数が小さくなるようにすることが望ましい。
【００２９】
［逐次近似計算の実施例］
図４は、逐次近似計算により物体像１１０Ａの位相を算出する場合におけるコンピュータ２００Ａの動作の一例を示すフローチャートである。以下では、図１〜図３等を参照しつつ説明する。
【００３０】
ステップＳ１００において、コンピュータ２００Ａは、ディジタルホログラフィ装置１００により撮像された、物体像１１０Ａにおける干渉縞強度データ１０（１）を取得する。コンピュータ２００ＡのＣＰＵ２１０は、受信した干渉縞強度データ１０（１）をホログラム記憶部２３７に保存する。このようにしてコンピュータ２００Ａは、上述したホログラム撮像処理を波長λ毎に順番に行い、全ての光波長に対応する干渉縞強度データ１０（１）〜１０（ｊ）を取得し、ホログラム記憶部２３７に保存する。
【００３１】
ステップＳ１０１において、ＣＰＵ２１０は、ホログラム記憶部２３７に保存された複数の干渉縞強度データ１０（１）〜１０（ｊ）を振幅に変換する。ホログラムは強度値の分布であるため、強度情報のままでは後述の光波伝搬計算で用いるフーリエ変換に適用することができない。そのため、ステップＳ１０１において各強度値を振幅値に変換する。振幅への変換は、各画素値の平方根を算出することで行われる。
【００３２】
ステップＳ１０２において、ＣＰＵ２１０は、ｊ＝１、ａ＝１、ｎ＝１とし、検出面における物体像１１０Ａにおける位相の初期値である干渉縞位相初期値データ２０ａを設定する。本実施の形態では、学習済みモデルである初期位相推定器３００を用いて物体像１１０Ａの位相の初期値を推定して設定する。なお、ｊは照明光Ｌの光源となるＬＤ１０１の識別子であり（Ｊ１≦ｊ≦Ｊ２）、ａは１または−１の値をとる方向値であり、ｎ（１≦ｎ）は演算の繰り返し回数である。
【００３３】
ステップＳ１０３において、ＣＰＵ２１０は、波長λ（ｊ）における物体像１１０Ａの振幅を更新する。具体的には、ステップＳ１０１にてホログラムの強度値からの変換で求めた振幅を下記に示す式（１）に代入する。
【００３４】
ステップＳ１０４において、ＣＰＵ２１０は、更新した物体像１１０Ａの振幅（干渉縞強度データ１０（ｊ））および推定した干渉縞位相初期値データ２０ａを用いて、物体面への逆伝搬を下記に示す式（１）に基づいて計算する。
【００３５】
【数１】
2020105534.tif 000003
【００３６】
上記（１）式において、Ｅ（ｘ、ｙ、０）は物体面における複素振幅分布であり、Ｅ（ｘ、ｙ、ｚ）は検出面における複素振幅分布であり、ｚは伝搬距離に相当する。ｋは波数である。
【００３７】
ステップＳ１０５において、ＣＰＵ２１０は、ｊ＋ａの値がＪ１以上Ｊ２以下の範囲に収まるか否かを判定する。ＣＰＵ２１０は、ｊ＋ａの値がＪ１以上Ｊ２以下の範囲外であると判定した場合、ステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６において、ＣＰＵ２１０は、aの正負を反転させてステップＳ１０７に進む。
【００３８】
一方、ステップＳ１０５において、ＣＰＵ２１０は、ｊ＋ａの値がＪ１以上Ｊ２以下の範囲に収まると判定した場合、ステップＳ１０７に進む。
【００３９】
ステップＳ１０７において、ＣＰＵ２１０は、ａが正であるかまたは負であるかに応じてｊをインクリメントまたはデクリメントする。
【００４０】
ステップＳ１０８において、ＣＰＵ２１０は、波長λ（ｊ）による物体像１１０Ａの位相を更新する。具体的には、ステップＳ１０４で計算した物体面における複素波面において、計算により位相を次の波長のものに変換する。このとき、振幅については更新しない。
【００４１】
ステップＳ１０９において、ＣＰＵ２１０は、物体像１１０Ａの位相だけを次の波長に変換した状態で、検出面への伝搬を下記に示す式（２）の光波伝搬計算に基づいて計算する。
【００４２】
【数２】
2020105534.tif 000004
【００４３】
上記（２）式において、Ｅ（ｘ、ｙ、０）は物体面における複素振幅分布であり、Ｅ（ｘ、ｙ、ｚ）は検出面における複素振幅分布であり、ｚは伝搬距離に相当する。ｋは波数である。
【００４４】
ステップＳ１１０において、ＣＰＵ２１０は、光波伝搬計算により計算された物体像１１０Ａの振幅Ｕｊと、波長λ（ｊ）の実測値である干渉縞強度データ１０（ｊ）の強度値に基づく振幅Ｉｊとの差分（すなわち誤差）の総和が閾値ε未満か、つまり差分が最小値となったか否かを判定する。なお、本判定ステップは、評価関数の一例である。ＣＰＵ２１０は、差分の総和が閾値ε未満でないと判定した場合、ステップＳ１１１に進む。
【００４５】
ステップＳ１１１において、ＣＰＵ２１０は、ｎをインクリメントし、ステップＳ１０３に戻り、上述した処理を繰り返して実行する。
【００４６】
一方、ステップＳ１１０において、ＣＰＵ２１０は、差分の総和が閾値ε未満である場合、物体像１１０Ａの位相が十分に回復した、すなわち真値に近い値になったと判定し、位相情報算出処理を終了する。このようにして、評価関数が最小となるように逐次近似計算を行って干渉縞位相推定値データ３０を取得する。
【００４７】
＜（２）初期位相推定器３００を作成する学習段階＞
次に、初期位相推定器３００を作成する学習段階について説明する。（２）の学習段階では、機械学習により、物体像の干渉縞強度データから干渉縞位相推定値データを算出する逐次演算を近似する画像変換関数に相当する学習済みモデルを構築する。以下に詳しく説明する。
【００４８】
［コンピュータ４００の構成例］
図５は、初期位相推定器３００の作成に用いられるコンピュータ４００の機能構成の一例を示すブロック図である。コンピュータ４００としては、例えば、所定のソフトウェア（プログラム）がインストールされたパーソナルコンピュータ、ワークステーション、またはこれらのコンピュータ等と通信回線を介して接続された高性能なコンピュータシステムを用いることができる。
【００４９】
図５に示すように、コンピュータ４００は、演算部の一例であり、ＣＰＵ４２０と、記憶部４２２と、モニタ４２４と、入力部４２６と、インターフェース４２８と、モデル作成部４３０とを備えている。ＣＰＵ４２０、記憶部４２２、モニタ４２４、入力部４２６、インターフェース４２８およびモデル作成部４３０のそれぞれは、バス４５０を介して互いに接続されている。
【００５０】
ＣＰＵ４２０は、ＲＯＭ等のメモリに記憶されているプログラムやモデル作成部４３０のプログラム等を実行することにより、装置全体の動作を制御すると共に学習済みモデルを作成するための機械学習等を実施する。
【００５１】
モデル作成部４３０は、機械学習を行い、物体像の干渉縞強度データから干渉縞位相推定値データを算出する逐次演算を近似するための学習済みモデルを構築する。本実施の形態では、機械学習の手法としてディープラーニングを用い、その中でも広く利用されている畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）を用いる。畳み込みニューラルネットワークは、任意の画像変換関数を近似できる手法の一つである。なお、モデル作成部４３０により作成された学習済みモデルは、例えば図２に示したコンピュータ２００Ｂに保存される。
【００５２】
記憶部４２２は、ＲＯＭ（Read only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置により構成されている。
【００５３】
モニタ４２４は、例えば、液晶ディスプレイ等から構成されるモニタである。入力部４２６は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル等により構成され、機械学習の実施に関する各種操作を行う。インターフェース４２８は、ＬＡＮやＷＡＮ、ＵＳＢ等により構成され、例えばディジタルホログラフィ装置１００やコンピュータ２００Ｂとの間で双方向の通信を行う。
【００５４】
図６は、初期位相推定器３００を作成する学習段階の概要を説明するための図である。図７は、初期位相推定器３００を作成する際に用いられる畳み込みニューラルネットワーク３５０および逆畳み込みニューラルネットワーク３６０の概略構成の一例を示している。
【００５５】
図６および図７に示すように、畳み込みニューラルネットワーク３５０等のニューラルネットワーク結合重みパラメータの学習には、図３で説明した学習用データが用いられる。具体的には、ニューラルネットワークの入力に物理量である干渉縞強度データ１０ａ（１）〜１０ａ（ｊ）を用い、ニューラルネットワークの出力に干渉縞位相推定値データ３０ａ（１）〜３０ａ（ｊ）を用いる。干渉縞位相推定値データ３０ａ（１）〜３０ａ（ｊ）は、物体像１１０Ａにおける位相において真値に近い値を示す画像データである。なお、ニューラルネットワークの入力に干渉縞強度データ１０ａ（１）〜１０ａ（ｊ）の中の一部の波長の強度データを用いる畳み込みニューラルネットワークとしても良い。
【００５６】
畳み込みニューラルネットワーク３５０は、複数の畳み込み層Ｃを有している。図７では、畳み込み層Ｃを３層で構成した例について説明するが、これに限定されることはない。畳み込み層Ｃは、入力される干渉縞強度データ１０ａ（１）〜１０ａ（ｊ）に対してフィルタを作用させることで畳み込みを行い、画像内の局所的な特徴を抽出して特徴量マップを出力する。フィルタはｇ×ｇ画素等の要素を持ち、重みやバイアスといったパラメータを有する。なお、ｇは正の整数である。
【００５７】
逆畳み込みニューラルネットワーク３６０は、逆畳み込み層ＤＣを有している。図７では、逆畳み込み層ＤＣを１層で構成した例について説明するが、これに限定されることはない。逆畳み込み層ＤＣは、畳み込み層Ｃにより変換された変換画像に対して畳み込みのような演算を行うことにより、変換画像を入力画像としての干渉縞強度データ１０ａ（１）等と例えば同サイズに拡大させる。逆畳み込み層ＤＣにおける各フィルタは、重みやバイアスといったパラメータを有する。
【００５８】
このようにして、畳み込みニューラルネットワーク３５０では、学習用データ生成段階で生成した学習用データを用いてニューラルネットワーク結合重みパラメータを学習し、物体像の干渉縞強度データから干渉縞位相推定値データを算出する逐次演算を近似する画像変換関数に相当する学習済みモデルを作成する。作成された学習済みモデルは、図２に示すコンピュータ２００Ｂの破線で示す学習済みモデル記憶部２３８に保存、更新され、初期位相推定器３００として利用される。
【００５９】
＜（３）位相回復による画像の再構成を行う実施段階＞
次に、物体像の位相回復に基づいて画像の再構成を行う実施段階について説明する。（３）の実施段階では、上記（２）で作成した学習済みモデルを初期位相推定器３００として用いることで、物体像の新たな干渉縞強度データに対して逐次近似演算の初期値に適切な位相情報を推定する。以下に詳しく説明する。
【００６０】
図８は、本実施の形態に係る逐次近似計算法を用いた物体像の位相回復による画像の再構成方法の概要の一例を示している。実施段階では、図１に示すディジタルホログラフィ装置１００を用いて新たなデータの物体像１１０Ｂを撮像し、次に、図２に示すコンピュータ２００Ｂを用いて物体像１１０Ｂの位相回復による画像の再構成を行うプログラムを実行する場合について説明する。なお、物体像１１０Ｂを撮像する手段は、ディジタルホログラフィ装置１００と同等の機能を有する装置であれば良い。また、コンピュータ２００Ｂは、破線で示す学習済みモデル記憶部２３８を備える以外は、コンピュータ２００Ａと共通する構成、機能を有する。
【００６１】
図８に示すように、ディジタルホログラフィ装置１００は、波長λ（１）〜λ（ｊ）の異なる光のそれぞれを光源から測定対象の物体像１１０Ｂに照射し、模様の異なる干渉縞強度データ１０（１）〜１０（ｊ）を取得する。ｊは正の整数である。なお、物体像１１０Ｂの干渉縞強度データ１０は、予め取得しておいても良い。
【００６２】
次に、コンピュータ２００Ｂは、図２の破線で示す学習済みモデル記憶部２３８に保存されている学習済みモデルを初期位相推定器３００として用い、入力された新たな干渉縞強度データ１０（１）に対して逐次近似計算の初期値に適切な位相情報を設定する。これにより、従来のように任意の初期値を用いる場合よりも、真値に近い位相情報としての干渉縞位相初期値データ２０を取得できる。
【００６３】
次に、コンピュータ２００Ｂ（ＣＰＵ２１０）は、物体像１１０Ｂの物理量としての干渉縞強度データ１０（１）〜１０（ｊ）と物体像１１０Ｂの位相の初期値である干渉縞位相初期値データ２０とを用いて逐次近似計算を行うことにより、位相回復された物体像１１０Ｂの干渉縞位相推定値データ３０を算出する。逐次近似計算のアルゴリズムには、図４に示したフローチャートのＳ１０１〜Ｓ１１１の各処理を適用することができる。このようにして、コンピュータ２００Ｂは、図４に示したステップＳ１１０における評価関数を最小にするために、近似解としての干渉縞位相初期値データ２０を逐次更新し、物体像１１０Ｂにおける干渉縞位相推定値データ３０を算出する。
【００６４】
次に、コンピュータ２００Ｂは、位相回復により得られた物体像１１０Ｂの干渉縞位相推定値データ３０と、初期位相推定器３００の入力データとして用いた干渉縞強度データ１０（１）とを用いて光波伝搬計算を行うことにより、再構成された再構成強度データ４０および再構成位相データ５０を取得する。光波伝搬計算には、図４で説明した各ステップの処理、および式（１）、式（２）等を用いることができる。
【００６５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、実施段階において、逐次近似計算で用いる物体像１１０Ｂの位相の初期値を、機械学習により予め構築された初期位相推定器３００により算出するので、誤った物体像１１０Ｂの位相へ収束することを回避できると共に、物体像１１０Ｂ位相へ収束するまでに必要な繰り返し計算の回数を削減することができる。
【００６６】
また、本実施の形態によれば、学習用データ生成段階において、逐次近似計算法により推定した物体像１１０Ａの位相情報を教師データとして生成するので、環境が変わって新たに位相推定器を構築する必要が生じた場合にも、その環境で撮影して強度情報のデータを収集するとともに、学習用データとして必要な位相情報のデータも生成することができる。これにより、データを取得した環境に適した初期位相推定器３００を構築することができる。また、逐次近似計算法により物体像１１０Ａの位相を算出することで、真値に近い位相の値を得ることができるので、より精度の高くかつ安定した初期位相推定器３００を作成することができる。
【００６７】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
【００６８】
上述した実施の形態では、モデルの関係式の解における初期値の推定を細胞等の物体像（画像）の再生時に適用したが、これに限定されることはない。例えば、ＰＥＴ装置やＣＴ装置等における画像再構成、Ｘ線透視像散乱線推定、クロマトグラムやマススペクトル等の分野においても本発明を適用することができる。ＰＥＴ装置およびＸ線ＣＴ装置の場合、初期位相推定器３００には放射線信号が入力され、再構成断層像が出力される。Ｘ線透視像散乱線推定の場合、初期位相推定器３００には（放射線が物体を透過して生成される）放射線透視画像が入力され、（アーティファクトが除去された）放射線透視画像が出力される。
【００６９】
また、ステップＳ１１０で用いた評価関数は、例えばＸ線画像であって指標が変わるような場合には、評価関数が最大化するか否かで判定することができる。また、上述した実施の形態では、機械学習としてニューラルネットワークを用いた例について説明したが、これに限定されることはなく、例えばサポートベクターマシーンやブースティング等の他の機械学習を用いることもできる。
【００７０】
また、逐次近似計算に用いる物体像の位相の初期値は、一つに限定されることはなく、複数であっても良い。複数の初期値を用いる場合、複数の初期値で逐次近似計算を行い、解の結果が良い方の初期値を選択する。
【００７１】
さらに、逐次近似計算に用いる物理量としては、上述した物体像の干渉縞強度データに代えて、放射線が物体像を透過した放射線透視画像を用いることができる。この場合、コンピュータ２００Ｂは、放射線透視画像等を用いて逐次近似計算を行うことにより、物体像の再構成断層像を求める。
【符号の説明】
【００７２】
１０  干渉縞強度データ（物理量）
２０，２０ａ  干渉縞位相初期値データ
３０  干渉縞位相推定値データ
２００Ａ，２００Ｂ，４００  コンピュータ（逐次近似計算装置，演算部）
２１０  ＣＰＵ（演算部）
３００  初期位相推定器
３５０  畳み込みニューラルネットワーク（ニューラルネットワーク）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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