JP7673709B2 - Data processing methods - Google Patents
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Description
本発明は、データ処理方法に関する。 The present invention relates to a data processing method.
測定データなどに含まれるノイズを除去する技術が知られている。非特許文献1は、スペクトルデータを部分巡回行列にマッピングし、この行列を特異値分解し、特異値を大きな順に指定個数取り出し、取り出したそれらの特異値に関するベクトルから、ノイズ成分が分離された信号を復元する技術を開示する。
Techniques for removing noise contained in measurement data are known. Non-Patent
本発明者らは、非特許文献1の技術では、スペクトルデータに含まれるノイズの大きさによっては、ノイズの分離精度が低下し、ノイズ分離後のシグナルのスペクトルが劣化する場合があることを認識した。
The inventors recognized that with the technology of Non-Patent
本発明の目的は、ノイズ分離後のシグナルデータの劣化を抑制できる技術を提供することにある。 The objective of the present invention is to provide a technology that can suppress degradation of signal data after noise separation.
上記課題を解決するために、本発明のある態様のデータ処理方法は、スペクトルなどの計測データを取得する第1ステップと、前記計測データをシグナルデータとノイズデータに分離する第2ステップと、分離されたノイズデータに1より小さい予め定められた係数を乗じる第3ステップと、係数を乗じた後のノイズデータを前記第2ステップで分離されたシグナルデータに加算して合成データを作成する第4ステップと、を備える。今回の前記第2ステップで分離されたシグナルデータと、前回の前記第2ステップで分離されたシグナルデータとが類似度に関する所定の条件を満たすまで、前記第2ステップから前記第4ステップを繰り返し、2回目以降の前記第2ステップでは、前記合成データをシグナルデータとノイズデータに分離する。 In order to solve the above problems, a data processing method according to one aspect of the present invention includes a first step of acquiring measurement data such as a spectrum, a second step of separating the measurement data into signal data and noise data, a third step of multiplying the separated noise data by a predetermined coefficient smaller than 1, and a fourth step of adding the noise data after multiplication by the coefficient to the signal data separated in the second step to create synthetic data. The second to fourth steps are repeated until the signal data separated in the current second step and the signal data separated in the previous second step satisfy a predetermined condition regarding similarity, and in the second step and thereafter, the synthetic data is separated into signal data and noise data.
本発明によれば、ノイズ分離後のシグナルデータの劣化を抑制できる。 The present invention can suppress degradation of signal data after noise separation.
実施の形態のデータ処理装置は、計測データをシグナルデータとノイズデータに分離する。計測データとして、例えば、各種の材料の測定データなどが挙げられる。材料の測定データとして、例えば、X線、中性子線、または電子線などを材料に照射することにより得られるスペクトル、回折や散乱パターン、顕微鏡で撮像された材料の画像から導出されるパワースペクトルなどが挙げられる。これらの測定データにはノイズが重畳されているため、材料のデータ解析の前処理としてノイズを分離する。 The data processing device of the embodiment separates the measurement data into signal data and noise data. Examples of the measurement data include measurement data of various materials. Examples of the material measurement data include spectra obtained by irradiating a material with X-rays, neutron beams, or electron beams, diffraction and scattering patterns, and power spectra derived from images of materials captured with a microscope. Since noise is superimposed on such measurement data, the noise is separated as a preprocessing step for material data analysis.
本発明者らは、相対的に大きいシャープな強度(以下、特定ピークと呼ぶ)が計測データに含まれている場合、非特許文献1の技術でスペクトルデータをシグナルデータとノイズデータに分離すると、分離後のシグナルデータは、この特定ピークに引きずられて特定ピークの位置とその近傍の位置において滑らかさが低下する可能性があることを認識した。この場合、特定ピークの影響により、特定ピークの位置とその近傍の位置におけるシグナルデータの一部の成分がノイズデータに含まれてしまう。そのため、分離後のシグナルデータは、特定ピークの位置とその近傍の位置において本来の値より強度が小さくなり、これらの位置のスペクトル形状が鋸歯状または凹凸状になってしまう。このようなシグナルデータは、本来のシグナルデータとは異なり、劣化しているため、劣化を抑制することが望まれる。
The inventors recognized that when the measurement data contains a relatively large, sharp intensity (hereinafter referred to as a specific peak), if the technology of Non-Patent
そこで、実施の形態のデータ処理装置は、分離されたノイズデータに予め定められた係数を乗じて強度を小さくし、係数を乗じた後のノイズデータを分離されたシグナルデータに足し戻して合成データを作成し、合成データをシグナルデータとノイズデータに再び分離する。これを繰り返すことにより、より滑らかなシグナルデータを得ることができる。 The data processing device of the embodiment multiplies the separated noise data by a predetermined coefficient to reduce its intensity, adds the noise data after multiplication by the coefficient back to the separated signal data to create synthetic data, and then separates the synthetic data again into signal data and noise data. By repeating this process, smoother signal data can be obtained.
図1は、実施の形態のデータ処理装置1の構成を示す。データ処理装置1は、取得部10、分離部12、演算部14、合成部16、判定部18、処理部20、および出力部22を備える。データ処理装置1の構成は、ハードウエア的には、任意のコンピュータのCPU、メモリ、その他のLSIで実現でき、ソフトウエア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウエアのみ、ソフトウエアのみ、またはそれらの組合せによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
Figure 1 shows the configuration of a
取得部10は、例えばネットワークを介して、処理の対象となる計測データを取得する。
The
図2は、図1の取得部10で取得された計測データの一例を示す。これは、X線回折で得られた計測データである。縦軸は強度であり、横軸は2θである。2θ=30[deg.]にシャープな相対的に大きい特定ピークが存在する。特定ピークがノイズ由来の場合は、外れ値とも呼べる。
Figure 2 shows an example of measurement data acquired by the
分離部12は、取得部10で取得された計測データをシグナルデータとノイズデータに分離する。分離部12は、学習済みモデルを用いずに、例えば、非特許文献1に記載されたノイズ除去方法を用いて分離処理を実行する。分離部12は、半値幅が相対的に小さいピーク、即ちシャープなピークをノイズとして分離し、半値幅が相対的に大きいピーク、即ちブロードなピークをシグナルデータとして分離する。分離されたシグナルデータとノイズデータにおける1対1に対応する数値データ同士を加算すると、元の計測データになる。このノイズ除去方法については、公知技術であるため、これ以上の説明は省略する。分離部12は、他の公知技術を用いて分離処理を実行してもよい。
The
既述のように、特定ピークが存在し、それがノイズだと判定された場合、分離部12は、特定ピークの位置とその近傍の位置におけるシグナルデータの一部の成分をノイズデータに含める。ノイズとして判定されたピークの強度が大きいほど、ノイズデータに含まれてしまうシグナルデータの一部の成分の強度も大きくなる。特定ピークが存在しない場合、即ちピーク強度の最大値が相対的に小さい場合、分離部12は、シグナルデータの一部の成分をノイズデータに含めることなくシグナルデータとノイズデータを分離する。
As described above, if a specific peak exists and is determined to be noise, the
図3は、図1の分離部12により図2の計測データから分離されたノイズデータの一例を示す。特定ピークの位置である2θ=30[deg.]とその近傍において、ノイズデータは、シグナルデータの一部の成分も含む。
Figure 3 shows an example of noise data separated from the measurement data of Figure 2 by the
図4は、図1の分離部12により図2の計測データから分離されたシグナルデータの一例を示す。特定ピークの位置である2θ=30[deg.]とその近傍において、シグナルデータは信号強度が低下し、滑らかさが低下している。
Figure 4 shows an example of signal data separated from the measurement data of Figure 2 by the
演算部14は、分離部12で分離されたノイズデータに予め定められた係数を乗じ、ノイズデータの強度を係数倍に小さくする。具体的には、演算部14は、分離されたノイズデータを構成する複数の数値データのそれぞれに係数を乗じる。係数は、0より大きく1より小さい。係数は、実験またはシミュレーションにより適宜定めることができ、例えば、0.7から0.8の範囲に定められてもよい。この処理により、特定ピークの強度も小さくなる。
The
合成部16は、演算部14で係数を乗じた後のノイズデータを、分離部12で分離されたシグナルデータに加算して合成データを作成する。合成部16は、係数を乗じた後のノイズデータと分離されたシグナルデータにおける1対1に対応する数値データ同士を加算する。
The
分離部12は、合成部16で作成された合成データをシグナルデータとノイズデータに再び分離する。合成データでは、取得部10で取得された計測データと比べ、特定ピークの強度が小さくなっているため、分離処理によりノイズデータに含まれてしまうシグナルデータの一部の成分の強度が小さくなる。これにより、分離されたシグナルデータの滑らかさを改善できる。つまり、シグナルデータの劣化を抑制できる。
The
判定部18は、分離部12が分離処理を2回以上実行した場合、分離部12における今回の分離処理で分離されたシグナルデータと、前回の分離処理で分離されたシグナルデータとが類似度に関する所定の条件を満たすか判定する。所定の条件は、例えば、今回分離されたシグナルデータを表すベクトルと、前回分離されたシグナルデータを表すベクトルとの類似度が、所定の閾値以下であることである。閾値は、実験またはシミュレーションにより適宜定めることができる。これらの2つのベクトルの類似度として、これらの2つのベクトルの内積を利用できる。
When the
判定部18は、所定の条件が満たされるまで、分離部12による分離処理、演算部14による係数を乗じる処理、および合成部16による合成データを作成する処理を繰り返す。これらの処理を繰り返すことにより、特定ピークの強度は小さくなっていき、それにより分離処理において特定ピークがシグナルデータに及ぼす影響が小さくなっていく。
The
所定の条件が満たされた場合、今回の分離処理で分離されたシグナルデータと、前回の分離処理で分離されたシグナルデータとは類似している。この場合、今回の分離処理で分離されたノイズデータと、前回の分離処理で分離されたノイズデータも類似しており、十分に小さくなっている。 When certain conditions are met, the signal data separated in this separation process is similar to the signal data separated in the previous separation process. In this case, the noise data separated in this separation process is also similar to the noise data separated in the previous separation process and is sufficiently small.
図5は、所定の条件が満たされた場合の図1の分離部12により分離されたシグナルデータの一例を示す。特定ピークの位置である2θ=30[deg.]とその周辺において、シグナルデータの滑らかさが図4よりも改善している。
Figure 5 shows an example of signal data separated by the
処理部20は、所定の条件が満たされた場合、取得部10で取得された計測データから今回の分離処理で分離されたシグナルデータを減算し、減算結果を最終的なノイズデータとする。
When a predetermined condition is met, the
処理部20は、所定の条件が満たされた場合、公知の技術を用いて、今回の分離処理で分離されたシグナルデータをバックグラウンドデータと最終的なシグナルデータとにさらに分離する。最終的なシグナルデータは、取得部10で取得された計測データからノイズデータとバックグラウンドデータを除去した後のシグナルデータである。
When a predetermined condition is satisfied, the
図6は、図5のシグナルデータから分離されたバックグラウンドデータの一例を示す。バックグラウンドデータはベースラインとも呼べる。 Figure 6 shows an example of background data separated from the signal data of Figure 5. Background data can also be called a baseline.
図7は、図5のシグナルデータから分離された最終的なシグナルデータの一例を示す。最終的なシグナルデータでは、バックグラウンドとノイズが除去されている。 Figure 7 shows an example of the final signal data separated from the signal data in Figure 5. In the final signal data, background and noise have been removed.
処理部20は、所定の条件が満たされた場合、今回の分離処理で分離されたシグナルデータまたは最終的なシグナルデータからピーク位置を取得する。
When a predetermined condition is met, the
出力部22は、得られたバックグラウンドデータ、最終的なノイズデータ、最終的なシグナルデータ、およびピーク位置のデータを例えば図示しない解析装置に出力する。解析装置は、データ処理装置1に含まれてもよい。
The
解析装置は、公知の技術を用いて、様々な材料の複数のサンプルに関して、バックグラウンドデータ、ノイズデータ、シグナルデータ、およびピーク位置のデータを解析して、解析結果をユーザに提示する。バックグラウンドデータから、例えば、材料の非晶質成分、高次構造、蛍光、および測定装置の機差などに関する情報を取得できる。ノイズデータから、例えば、測定装置の機差、測定装置の光学系のゆらぎなどに関する情報を取得できる。シグナルデータから、例えば、結晶相、結晶粒子径、および界面ひずみなどに関する情報を取得できる。ピーク位置のデータから、例えば、結晶相に関する情報を取得できる。 The analysis device uses known techniques to analyze background data, noise data, signal data, and peak position data for multiple samples of various materials, and presents the analysis results to the user. From the background data, information can be obtained, for example, regarding the amorphous components of the material, higher-order structure, fluorescence, and instrumental differences in the measurement device. From the noise data, information can be obtained, for example, regarding instrumental differences in the measurement device and fluctuations in the optical system of the measurement device. From the signal data, information can be obtained, for example, regarding the crystalline phase, crystalline particle size, and interfacial strain. From the peak position data, information can be obtained, for example, regarding the crystalline phase.
実施の形態の処理により、計測データに特定ピークが含まれる場合におけるノイズデータ、シグナルデータ、およびバックグラウンドデータの精度を高めることができるため、これらのデータの解析結果の精度も高めることができる。 The processing of the embodiment can improve the accuracy of noise data, signal data, and background data when the measurement data contains a specific peak, thereby improving the accuracy of the analysis results of this data.
図8は、図1のデータ処理装置1の処理を示すフローチャートである。データ処理装置1は、計測データを取得し(第1ステップ:S10)、計測データをシグナルデータとノイズデータに分離する(第2ステップ:S12)。分離処理を2回以上実行していない場合(S14のN)、S18の処理に移る。分離処理を2回以上実行している場合(S14のY)、今回のS12で分離されたシグナルデータと、前回のS12で分離されたシグナルデータとが所定の条件を満たさなければ(S16のN)、データ処理装置1は、ノイズデータに予め定められた係数を乗じ(第3ステップ:S18)、係数を乗じた後のノイズデータを今回のS12で分離されたシグナルデータに加算して合成データを作成し(第4ステップ:S20)、S12に戻る。S20の後のS12では、データ処理装置1は、S20で作成された合成データをシグナルデータとノイズデータに分離する。S16において、今回のS12で分離されたシグナルデータと、前回のS12で分離されたシグナルデータとが所定の条件を満たす場合(S16のY)、処理を終了する。
Figure 8 is a flowchart showing the processing of the
このように、データ処理装置1は、今回のS12で分離されたシグナルデータと、前回のS12で分離されたシグナルデータとが所定の条件を満たすまで、S12,S14,S16,S18,S20の処理を繰り返す。
In this way, the
実施の形態によれば、計測データに大きな特定ピークが含まれていても、ノイズの分離精度を向上でき、ノイズ分離後のシグナルデータの劣化を抑制できる。 According to the embodiment, even if the measurement data contains a large specific peak, the noise separation accuracy can be improved and degradation of the signal data after noise separation can be suppressed.
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。実施の形態はあくまでも例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described above based on the embodiments. The embodiments are merely examples, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible in the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention.
例えば、計測データは、材料の計測データに限らず、任意の対象の計測データであってもよいし、電気信号の周波数スペクトルなどであってもよく、任意のデータであってよい。 For example, the measurement data is not limited to measurement data of a material, but may be measurement data of any object, or may be the frequency spectrum of an electrical signal, or may be any data.
1…データ処理装置、10…取得部、12…分離部、14…演算部、16…合成部、18…判定部、20…処理部、22…出力部。 1: data processing device, 10: acquisition unit, 12: separation unit, 14: calculation unit, 16: synthesis unit, 18: judgment unit, 20: processing unit, 22: output unit.
Claims (1)
前記計測データをシグナルデータとノイズデータに分離する第2ステップと、
分離されたノイズデータに1より小さい予め定められた係数を乗じる第3ステップと、
係数を乗じた後のノイズデータを前記第2ステップで分離されたシグナルデータに加算して合成データを作成する第4ステップと、
を備え、
今回の前記第2ステップで分離されたシグナルデータと、前回の前記第2ステップで分離されたシグナルデータとが類似度に関する所定の条件を満たすまで、前記第2ステップから前記第4ステップを繰り返し、
2回目以降の前記第2ステップでは、前記合成データをシグナルデータとノイズデータに分離する、
ことを特徴とするデータ処理方法。 A first step of acquiring measurement data;
a second step of separating the measurement data into signal data and noise data;
a third step of multiplying the separated noise data by a predetermined coefficient less than 1;
a fourth step of adding the noise data after multiplication by the coefficient to the signal data separated in the second step to generate synthetic data;
Equipped with
repeating the second step to the fourth step until the signal data separated in the second step this time and the signal data separated in the second step previously satisfy a predetermined condition regarding similarity;
In the second step from the second time onwards, the composite data is separated into signal data and noise data.
23. A data processing method comprising:
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Family Applications (1)
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Citations (4)
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| JP2020202988A (en) | 2019-06-18 | 2020-12-24 | 株式会社日立製作所 | Image processing device, image processing program, and magnetic resonance imaging device |
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2022
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