(株)Qualiteg - AI数理

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Zoom会議で肩が踊る？自動フレーミング映像安定化とAIによる性能向上の可能性

こんにちは！本日は、自動フレーミング映像の安定化に関するアルゴリズム・ノウハウを解説いたします第1章問題の背景と目的バストアップ映像を撮影する際、特にオンラインミーティングやYouTubeなどのトーク映像では、人物がうなずく、首を振るなどの自然な動作をした際に「首まわりや肩がフレーム内で上下に移動してしまう」という現象がしばしば起こります。これは、多くの場合カメラや撮影ソフトウェアが人物の「目や顔を画面中央に保とう」とする自動フレーミング機能の働きに起因します。撮影対象の人物が頭を下げた際に、映像のフレーム全体が相対的に上方向へシフトし、その結果、本来動いていないはずの肩の部分が映像内で持ち上がっているように見えてしまう現象です。本稿では、この問題を撮影後の後処理（ポストプロセッシング）のみを用いて、高速、高い精度かつロバストに解決する手法をご紹介します。前半では、従来のCV（コンピュータービジョン）の手法を使い高速に処理する方法をご紹介します。後半では、AIを使用してより安定性の高い性能を実現する方法について考察します。第2章古典手法による肩の上下

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GPUサーバーの最適容量計算: キューイング理論と実践的モデル

最大ユーザーサポート数計算ツール同時に1件のみ処理できるGPU変換サーバーの最大ユーザーサポート数を計算します処理時間 (t_p) 分/件 1件の変換処理にかかる時間目標システム利用率 (ρ) 0 〜 1 安定稼働のための目標稼働率（推奨: 0.7〜0.8）ピーク係数 (P_c) 倍最も混雑する時間帯の平均アクセス倍率稼働時間 (H) 時間/日システムが1日に稼働している総時間アクセス確率 (P_a) 0 〜 1 1人のユーザーが1日にシステムを利用する確率 1ユーザーあたりの変換回数 (F) 回/日利用する日の平均変換処理回数計算過程を表示計算結果サポート可能な総ユーザー数: 人計算式: N = (ρ × μ × H) ÷ (P_a

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ディープラーニングにおけるEMA（Exponential Moving Average）

こんにちは！本日は、画像生成、動画生成モデルなどで重要な役割を果たしている EMA ※について解説してみたいとおもいます！当社のAIアバター動画生成サービス「MotionVox™」でも役立っています！といっても、画像生成のための専用技術というわけではなく、学習と推論（生成系も含む）というディープラーニングの運用の中で昨今かなり重宝されるテクニックとなっておりますので、基礎から実装までみていきたいとおもいます。 ※EMAの読み方は私はエマと呼んでますが、イーエムエーって言ってる人もいます。どっちでもいいでしょう。 EMA の基礎知識 EMA（Exponential Moving Average=指数移動平均）は、ざっくりいえばモデルの重みを平均化する手法です。実は株価分析などでも使われている古くからある概念なのですが、ディープラーニングでは比較的最近になって「あ、これ結構使えるんじゃね？」と重要性が認識されるようになりました。（”EMA”に限らず、理論の積み上げではなく「やってみたら、使えんじゃん」っていうのがかなり多いのがディープラーニング界隈のもはや常識でし

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DPO(直接選好最適化）の基礎から画像・動画AIへの応用まで

こんにちは Qualiteg研究部です！本日は、2023年、AnthropicのRafael Rafailov、Archit Sharmaらの研究チームによって提案された「直接選好最適化（Direct Preference Optimization: DPO）」について、基礎から応用までを解説します。この手法は、論文「Direct Preference Optimization: Your Language Model is Secretly a Reward Model」で発表され、AIの学習手法に大きな影響を与えています。この論文では、言語モデル（LM）の動作を人間の好みに調整する新しい手法「Direct Preference Optimization（DPO）」を提案していますが、最近では、VLMなど言語モデルに限らず応用が広がっています。しかも、理論は比較的シンプルなので、じわりと人気があがっていますね！ DPOが生まれた背景言語モデルは大規模データで事前学習されるため、幅広い知識と能力を持つが、その動作を制御するのは困難でした。そのため、従来の言語モデ

IT & AIテクノロジー

画像生成技術の進化　～GANからディフフュージョンモデルまで～

こんにちは！株式会社Qualiteg研究部です！今日は画像生成技術について投稿いたします。みなさまご存じの通り人工知能による画像生成技術は、過去10年間で急速な進化を遂げました。今年は2024年。ちょうど2014年に「GAN」がでて10年です。テキスト系生成AIの勢いがすごい昨今ですが、画像生成AI、超解像AIからの動画生成AIなどコンピュータビジョンかいわいも大きく進化を遂げていますね。本記事では、主にGenerative Adversarial Networks (GAN)とディフフュージョンモデルに焦点を当て、画像生成技術の歴史的な発展を振り返ります。特に、これらの技術が画像生成と超解像の分野でどのように応用されてきたかを詳しく見ていこうとおもいます。ブログ本編の前に！　ダイジェスト動画あります！本ブログのダイジェストを以下の動画で語っておりますので、よろしかったらこちらもご覧くださいませ！ GANとディフュージョンモデル GANとは GAN（Generative Adversarial Network）は、2014年にIan Goodf

IT & AIテクノロジー

推論速度を向上させる Speculative Decoding(投機的デコーディング)とは

こんにちは Qualiteg 研究部です。投機的デコーディングとは何か？投機的デコーディングは、大規模言語モデル（LLM）の推論速度を向上させる技術です。たいていのモデルを1.4～2.0倍程度、高速化できることが報告されています。このアプローチでは、小さなモデル（ドラフトモデル）を使用して初期の予測を行い、その結果を大きなモデル（ターゲットモデル）が検証することで、全体の推論プロセスを高速化します。ざっくりいうと、大きなモデルは計算負荷も高く計算速度も遅いので、まず、小さなモデルで高速に計算したあとで、その計算結果をうまくつかって大きなモデルでの計算負荷をさげ、スピードを向上させようというアイデアです。基本的に大きなモデルと、小さなモデルはサイズ以外は基本的にまったく同じネットワーク構造をしていることが前提となります。たとえば 70Bの Llama3 と 8B の Llama3 を組み合わせてつかうイメージです。当然70B の Llama3 の推論計算のほうが 8B よりも重たくなりますので、小さい8BのLlama3 で先回りして推論計算することで

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[AI数理]徹底的に交差エントロピー(7)

おはようございます！(株) Qualiteg 研究部です。今回は、交差エントロピーの計算をベクトルや行列で表現する方法について説明します！ 8章交差エントロピーとベクトル演算そもそも、なぜ、交差エントロピーをベクトルや行列で表現したいのでしょうか？それは、実際にニューラルネットワークをコンピュータープログラムとして実装するときに、訓練データや予測値はベクトル(1次元配列)や行列(2次元配列)といったN階テンソル(N次元配列)の形式で取り扱われるからです。なぜベクトルや行列かといえば、ニューラルネットワークの実用的な計算をするときにはデータを1件とりだしては、1件計算する　のではなく、多くのデータをベクトル（1次元配列）や行列（2次元配列）やそれ以上の多次元配列に詰めたのちに、まとめてドカっと計算するからです。（まとめてドカっと計算するのが得意な GPU があるからこそ、これだけ Deep Learning が進展した、ともいえます）そこで、今までで導出してきた交差エントロピーの計算をコンピュータで実装するときに備えて、 1次元配列にしてみます。

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LLMサンプリングにおける3つのペナルティ

[付録]ペナルティの比較ペナルティタイプ目的適用方法ペナルティの例 Repetition Penalty 特定のトークンやフレーズが繰り返されるのを防ぐ。過去に生成されたすべてのトークンのログ確率（logits）に対してペナルティを適用する。例えば、あるトークンがすでに生成された場合、そのトークンのログ確率をペナルティ値で割る（乗算）か、ペナルティ値を引く（減算）。 Frequency Penalty 生成されたトークンの出現頻度に基づいてペナルティを適用し、頻繁に出現するトークンを抑制する。各トークンが生成された回数に基づいてペナルティを適用する。トークンが出現するたびに、そのトークンの出現確率を低減させる。トークンが出現するたびに、そのトークンのログ確率をペナルティ値で累積的に割る（乗算）か、ペナルティ値を累積的に引く（減算）。 Presence Penalty すでに生成されたトークンが再度出現するのを防ぐ。トークンが一度でも生成されたかどうかに基づいてペナルティを適用する。一度生成されたトークンには再出現の際にペナルティが適用さ

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[AI数理]徹底的に交差エントロピー(6)

おはようございます！(株) Qualiteg 研究部です。今回は、二値分類用の交差エントロピーについてみていきましょう！ 7章二値分類用交差エントロピー 7-1. 二値分類用交差エントロピー (データ1件対応版) さて、ここから、二値分類用の交差エントロピーを導きたいとおもいます。二値分類は入力されたデータが 2 つのうちどちらか、を予測するものです。まず話をシンプルにするために、バッチ版ではなく、式 $(5.2)$ に示した 1件版の交差エントロピーの式を思い出します。 $$ E = - \sum_{k=1}^{K} t_{k} \log y_{k} \tag{5.2、再掲} $$ $$ \begin{aligned} &K:分類の数,　t_{k}

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LLM サービング効率化の為のPagedAttention

こんにちは、株式会社Qualitegプロダクト開発部です。今日は商用LLM サービングに欠かせない PagedAttention 技術をご紹介しますはじめに PagedAttention は当社にとって非常に重要な技術です PagedAttentionを活用するとLLMでの文章生成において GPUメモリの利用効率をあげ、そのぶん単位GPUあたりの同時に捌けるリクエストを増やすことができます。当社は「ChatStream」という商用のLLMサービングプラットフォームを開発・提供しているため、多ユーザーからの同時リクエストによる高負荷環境でのLLMサービング(文章生成の提供)は、ドドド真ん中の課題ということになります。 PagedAttention登場以前の従来の並列生成はKVキャッシュとよばれる”リクエストごとに発生する大きなGPUメモリ消費”との戦いでした。 (KVキャッシュは transfomerのmodelを生で叩くときに past_key_values として登場します）つまりモデルのパラメータとは別に発生する推論時のメモリ消費です。これが同時に

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[AI数理]徹底的に交差エントロピー(5)

おはようございます！(株) Qualiteg 研究部です。今回は、前回から拡張してデータN件対応版の多値分類用交差エントロピーを実際のデータをみながら導いていきたいとおもいます！ 6章多値分類用交差エントロピー (データN件対応版) 実際の学習では、いちどに複数件の訓練データを入力して得られた複数の結果をまとめて評価するバッチ学習を行うため、複数の訓練データから得られた結果を同時に計算できるバージョンの交差エントロピーも考えておきます。以下のような複数の訓練データの場合を考えます。複数の訓練データなので、1件ずつの訓練データを見分けられるように番号をふったデータ番号列を導入しました。みやすくするため正解のデータに背景色をつけています。この4件のデータを順番にモデルに入れたときの出力を計算すると以下のようになりました。予測値列を右に追加しています。さて、この4件の交差エントロピーを求めてみます。これらのデータから1つずつ交差エントロピーを計算して、その値を合計すれば、4件ぶんの交差エントロピーの合計値を求めることができるので、特に

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[AI数理]徹底的に交差エントロピー(4)

おはようございます！(株) Qualiteg 研究部です。今回は、多値分類用の交差エントロピーを計算していきたいと思います！ 5章多値分類用交差エントロピーの計算 (データ1件対応版) まず交差エントロピー関数（標本データ１件ぶんバージョン)　を再掲します。 $$ \ - \log L=\sum_{k=1}^{K} t_{k} \log y_{k} \tag{4.3、再掲} $$ $$ t_{k} :頻度, y_{k}:確率 $$ 式 $(4.3)$ の交差エントロピーは 1件の標本データに $K$ 個の事象（が起こったか、起こらなかったか）が含まれていました。

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[AI数理]徹底的に交差エントロピー(3)

おはようございます！(株) Qualiteg 研究部です。今回は、尤度関数から交差エントロピーを導いていきたいとおもいます！ 4章尤度関数から交差エントロピーを導くさて、今までは 20回ぶんサイコロを投げて、起こった事象（出た目が1なのか、2なのか、・・・、6なのか) を数えた結果を以下の表のようにまとめました。では、こんどは、1回ぶんサイコロを投げたときどうのようになるかみてみます。 1回サイコロをなげた結果が 1の目だった場合は、以下のように書くことができます。（でた目のところに✔マークをいれただけです）さて、?だと計算にもっていきづらいので、出た目のところを $1$ にして、出なかった目は $0$　と置き換えることにします。 ( $1$ が記載されている目は　その目にとっては頻度＝確率＝ $1$　と考え、 $0$ が記載されている目は、その試行では出なかったので、頻度 = 確率 = $0$ と考えると理解しやすいかもしれません。) すると、結果列は以下のように

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[AI数理]徹底的に交差エントロピー(2)

おはようございます！(株) Qualiteg 研究部です。早速、前回の続きをやっていきましょう！ 2章分類問題は「確率」の予測として解釈する Deep Learning やロジスティック回帰などで解きたい分類問題では、入力データがどのクラスに分類されるのかを予測します。まず入力データが何かに分類されるとはどういうことなのかを考えてみます。たとえば、ある動物の画像を入力データとしたとき、その画像がイヌ、キツネ、オオカミの3つのうちどれなのかを予測する分類器を考えます。（分類器は入力と処理と出力があり、入力は画像データで、処理としてニューラルネットワークやロジスティック回帰などの計算処理をおこない、分類結果を出力するプログラムコードと考えます）この分類器にたとえば　「イヌ」の画像を入力し、分類させた結果は「イヌ」とダイレクトに判定されるわけではありません。ではどのように分類するか

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[AI数理]徹底的に交差エントロピー(1)

おはようございます！(株) Qualiteg 研究部です。今日からは交差エントロピーについて、徹底的に学んでいきたいとおもいます。交差エントロピー関数の式は２つあるの？本シリーズではは、機械学習で分類問題の損失関数としてよく使用される交差エントロピー関数をとりあげます。実はこれまで学んできた　指数関数や対数関数の微分法は、この交差エントロピー関数を深く理解するためのものでした。交差エントロピーがどのような性質をもっていて、どのように導かれていくのかを理解するのは今後のLLMの仕組み解明でも大いに役立つのでしっかりみていきたいとおもいます！さて、さっそくですが、下の $(1)$ は交差エントロピー関数です $$ \ - \frac{1}{N} \sum_{i}^{N} \sum_{k}^{K} t_{ik} \log y_{ik} \tag{1} $$ 下の $(2)$ も、交差エントロピー関数　です。 $$ \ - \frac{1}{N} \sum_{i}

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人気ゲーム「ヒット&ブロー」で学ぶ情報理論

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画像生成技術の進化　～GANからディフフュージョンモデルまで～