立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

人工視覚系のための刺激座標情報圧縮技術に関する研究
Data compression method for stimuli position in visual prostheses devices
2167003

研究代表者

大阪大学大学院情報科学研究科

博士課程後期杉浦友紀

れた刺激インタフェースを外部の情報を元に制[研 究 の 目 的］

御し，視神経系に刺激を与えることにより，使集積回路の微細化技術の向上により組込み機用者に擬似的な視覚を認知させる，といったシ器の小型化および情報処理能力の飛躍的な向上ステムである。視神経が刺激されることにより，がもたらされ，医療分野では使用者の恒常的な視覚上に光覚 (phosphene) が発生することが身体機能の補助および維持を目的とした埋め込知られており，光覚の集合によって擬似的な視み型医療機器 (IMD：Implantable medical de-覚を形成する研究がなされている。刺激方法はvice) が登場した。IMD は主にセンサ，アク電極による電気的な刺激が多く用いられてきたチ ュ エ ー タ，制 御 回 路，お よ び 無 線 通 信 モ

一方で，光による刺激を用いる研究も増加してジュールから構成され，体内側のセンサで計測おり，光遺伝学の応用によって刺激に用いる波した情報をもとにアクチュエータを作動させて長ごとに神経の興奮および抑制を選択できるよ神経の刺激や薬物の投与などを行い，使用者のうになったことを用いて低消費電力量かつ選択状態を恒常的に維持する。また，無線通信モ的な刺激を可能とする人工視覚システムの開発

ジュールによって外部機器へ測定データを送信に取り組む研究が現れている。他の IMD と比する。IMD の利点として医療従事者が遠隔に較して，人工視覚システムは消費電力量についいながらにして使用者の容態を知ることができ，て刺激点数の多さや長時間使用に耐えうる消費また使用者も在宅ながら診断を受けることによ電力量が求められる。これらの課題を改善する

り，双方の負担を軽減することが期待できる。

ために，本研究では人工視覚システムの消費電一方で，定期的なデータ送受信に起因する消費力量の削減について取り組んだ。

電力量は IMD の消費電力量の多くを占めてお

人工視覚システムでは刺激情報の更新頻度のり，内蔵電源の小型化や稼働時間の延長のため高さが要求されるため無線通信モジュールの消に IMD の消費電力量の削減が重要な課題と費電力量が占める割合が大きくなることが予想なっている。

される。一方で，無線通信における通信速度をIMD の中でも，人工視覚システムは従来の落とすことは擬似視覚認識のリアルタイム性を手術による治療では難しかった疾患や事故によ損なう恐れがあるため，無線通信部に情報処理る視力の低下もしくは損失から使用者の視覚をを加え通信量を削減することで人工視覚システ回復することができる手法として注目されていムの消費電力量の削減を図る。

る。人工視覚システムは，視神経系上に配置さ― 1 ―本研究では，刺激情報のデータサイズを効率立石科学技術振興財団良く削減する圧縮手法について取り組んだ。提案する圧縮手法は，刺激情報の中でも更新頻度の高い，電極を用いて刺激する座標の情報である刺激位置情報に対して圧縮処理を行う。先行研究では，外部から入力された画像から非線形な変換処理によって生成される刺激位置情報を図2

1 次元の情報とみなしており，時間的に連続す被写体の例

る 2 フレーム分の刺激位置情報から差分情報を情報を生成している。図 2 にデータセット内の生成し，差分情報中の変更部分および非変更部

被写体の例を示す。被写体として自動車や歩行分に対しそれぞれ異なる圧縮手法を用いていた。

者などが画像に含まれており，全 4,650 フレー

本研究では新たに刺激位置情報を 2 次元平面上ムで構成されている。連続する 2 フレーム分のの情報ととらえ，2 次元平面上の冗長性を利用

刺激位置情報のフレーム間で排他的論理和を計することで 1 次元情報と捉えるよりもより多く算して取得した差分情報では，ʻ1ʼ で前後のフの冗長性を削減できることを明らかにすると共レームで変更があったことを，ʻ0ʼ で変更がなに，差分情報の 2 次元平面上の変更部分の局所かったことを表す。刺激位置情報と差分情報を性を利用することでより圧縮後のデータサイズ比較すると，差分情報では刺激位置情報よりを小さくできることを示した。

ʻ1ʼ のビットの発生頻度が低いことが確認できる。このビット発生頻度の偏りを用いて差分情報の冗長性を削減することで，差分情報のデー[研究の内容，成果]タサイズを効率良く削減できることが期待でき圧縮の対象とする刺激位置情報は電極によるる。

刺激の有無をビットによって表現しており，

図 3 に刺激位置情報を 2 次元平面にマッピンビットが ʻ1ʼ の場合は刺激することを表しておグしたときの ʻ1ʼ のビットの発生率を表現した

り，ʻ0ʼ の場合は刺激しないことを表している。

ヒートマップを示す。各ヒートマップはそれぞ

本稿では，1,024 本の電極の使用を想定し刺激れデータセット中の被写体サンプルごとのデー位置情報は 1,024 ビットで構成される。図 1 はタで，サンプル car の刺激位置情報を用いて計刺激位置情報を 32×32 ビットの 2 次元平面に測している。ヒートマップでは，各点の明度がマッピングしたものであり，白点が ʻ1ʼ のビッ

同じ座標における ʻ1ʼ のビットの発生頻度を表ト，黒点が ʻ0ʼ のビットを表現している。本研現しており，ある点の色が暗い場合は ʻ1ʼ の究で使用したデータセットは各種被写体が撮影ビットの発生頻度が低く，ある点の色が明るいされた映像からエミュレータを用いて刺激位置場合は ʻ1ʼ のビットの発生頻度が高いことを表している。また，図 3(b)に差分情報を用いて計測した発生頻度のヒートマップを示す。ここから，ʻ1ʼ のビットの発生の局所性を活用するために，差分情報を正方形に分割し，全てがʻ0ʼ のビットで埋まっている領域に対し新たに符号語を割り当てることで差分情報に含まれる冗長性を大いに削減することが期待できることが分かる。

図1

ここから，本研究で提案する圧縮手法につい刺激位置情報の例― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundationて述べる。圧縮の効率の良さを表すために圧縮

D c は圧縮後のデータサイズを表す。

比 (CR : Compression ratio) を指標として用図 4 に提案する圧縮手法の概要図を示す。提いる。圧縮比 CR は以下の式によって定義され案する圧縮手法は以下の手順で刺激位置情報のる。

データサイズを圧縮する。
(1) 現在の刺激位置情報およびその直前フDr
CR=,Dc

レームの刺激位置情報の連続する 2 フレームに対し排他的論理和を計算することで差分情報を取得する。

ただし，D r は圧縮前のデータサイズ (=1024)，(2) 差分情報を 32×32 ビットの 2 次元平面上にマッピングし，正方形のウィンドウによって格子状に分割し，それぞれの領域に対し符号語を割り当てる。領域内のすべてのビットが ʻ0ʼ の場合，符号語ʻ0ʼ をり当て，それ以外は ʻ1ʼ を割り当てる。
(3) (2)において ʻ0ʼ が割りてられた領域を分割対象から除外する。
(4) 該当領域に対し，ウィンドウ幅を 1/2 に設定して(2)に戻る。もし分割対象に何も残っていない場合は処理を 終了し，(a) 刺激位置情報

ウィンドウ幅が 1 となった場合は残っている全ての分割対象のビットを符号語に加える。
提案する圧縮手法と先行研究の手法を圧縮比によって比較し，圧縮の効率の良さにおける提案する圧縮手法の優位性を明らかにする。評価で使用する手法は一般的な符号化手法である静的ハフマン符号化 (SHC：Static Huﬀman coding)，指 数 ゴ ロ ム 符 号 化 (EGC：ExponentialGolomb coding) と，先行研究で提案されてい(b) 差分情報

図3

る α-EGC，および提案手法 (初期ウィンドウビット ʻ1ʼ 発生頻度のヒートマップ

図4

提案手法の概要― 3 ―立石科学技術振興財団

表1

情報を効率良く圧縮する手法を提案した。提案

圧縮率 CR の比較手法

CR (平均)SHC
EGC (k=2)

1.12
3.68

α-EGC (k=3)

4.16

提案手法

4.38

した圧縮手法は刺激位置情報が持つ時間方向の相関性および 2 次元平面上にマッピングした際の局所性を利用して，連続するフレームの間で生成される差分情報がもつ冗長性を効率良く削減できることを特徴とする。評価実験より，自幅 8) である。表 1 に実験結果をまとめる。実動車や歩行者を被写体とする実データから生成験結果より，提案する圧縮手法は先行研究で述された刺激位置情報のデータセットを用いた圧べられている α-EGC と比較して圧縮比が 5.3%縮比を用いた圧縮処理の効率の良さの計測では，向上したことが分かる。以上から，提案する圧先行研究と比較して約 5 % の圧縮比の改善が縮手法は刺激位置情報がもつ時間方向の相関性みられた。

を利用して生成した差分情報に含まれる変更点

今後として，提案手法を他の神経補綴デバイの発生頻度の局所性を利用して，2 次元平面上スへ応用し，よりデータ通信量を削減することにマッピングし階層的に冗長性を削減する事でで，システム全体の消費電力量の削減に貢献す

刺激位置情報を先行研究より効率良く圧縮するることを目指す。

ことが示された。
[成果の発表，論文等][今後の研究の方向，課題][ 1 ] 杉浦友紀，劉載勲，武内良典，“脳皮質刺激型人工視覚システムにおける刺激位置情報に対する時空本研究では，脳皮質刺激型人工視覚システムの消費電力量の削減を目指して，無線通信モジュールの消費電力量を削減のための刺激位置― 4 ―間特性を利用した圧縮手法の提案，”ETNET2018,
pp. 1 - 6, Feb, 2018.