Miyazaki microoptics2013

http://www.cg.info.hiroshima-cu.ac.jp/
Computer Graphics Laboratory, Hiroshima City University
偏光による形状推定および色の解析
宮崎大輔

CG Lab, Hiroshima City University
コンピュータビジョンとコンピュータグラフィックス
コンピュータビジョン(CV) コンピュータグラフィックス(CG)
偏光？
マルチスペクトル？
現実世界情報デジタルデータ画像
偏光？
マルチスペクトル？
黒色形状(7) 透明形状(7) 反射CG(7) 条件等色(7) まとめ(2)イントロ(1/2)

本日のトピック
1.視体積交差法と偏光を利用した鏡面物
体の三次元形状計測
2.偏光レイトレーシング法を用いた透明
物体の三次元形状計測
3.偏光と反射モデルとウェーブレット圧縮
を利用した物体の見えの再現
4.メタメリズム生起のための油絵の具の
調合割合の算出
※この発表では偏光＝直線偏光 ※この発表ではスペクトル＝分光スペクトル
形状計測色の解析
実写 CG
光源A 光源B
黒色形状(7) 透明形状(7) 反射CG(7) 条件等色(7) まとめ(2)イントロ(2/2)

視体積交差法と偏光を利用した鏡面物体の
三次元形状計測
4つの話題のうちの1つ目

滑らかな黒色物体の形状計測
形状計測
偏光 → 法線
視体積交差法 → ３次元座標
複数視点で観測
黒い
鏡面反射
イントロ(2) 透明形状(7) 反射CG(7) 条件等色(7) まとめ(2)黒色形状(1/7)

偏光と法線の関係
法線の候補
反射面
非偏光
偏光カメラ
部分偏光
方位角
最小輝度の時の偏光角＝反射面＝法線の候補

2視点以上から法線を一意に決定
カメラ1
方位角1
法線
方位角2
カメラ2
反射面2 反射面1
物体表面

視体積交差法
物体
カメラ
画像
シルエット
視体積
復元される３次元形状
対象物体の３次元形状
シルエットから
復元

実験装置
ライティングドーム
対象物体
回転台
偏光カメラ
24視点で撮影
一様光源

計測対象物体
真の形状
視体積交差法のみ
提案手法
視体積交差法＋偏光

計測対象物体視体積交差法のみ
提案手法
視体積交差法＋偏光

偏光レイトレーシング法を用いた透明物体
の三次元形状計測

目的
• 透明な物体の３次元形状を計測する
– 偏光を解析する
仮想透明物体
実透明物体
偏光解析
イントロ(2) 黒色形状(7) 反射CG(7) 条件等色(7) まとめ(2)透明形状(1/7)

偏光レイトレーシング
光線の追跡
偏光状態の計算
ミュラー計算法

形状計測アルゴリズム
反復計算
形状を更新していく
計算された正規化ストークスベクトル
（偏光レイトレーシングを使用）
2
min
入力正規化ストークスベクトル
（偏光カメラの計測結果）
初期形状
最終結果

カメラアダプタ
コンピュータ
モノクロTVカメラ
IR/UVカットフィルタ
電動偏光板
ジオデジックドーム
偏光板コントローラ内部に透明物体
40Wランプ
プラスチック球
計測装置コクーン

実験結果
アクリル半球
屈折率 1.5
直径 30mm
3000
0 5025
1500
誤差/ループ
   dxdyII RE
2
誤差(高さ):0.61mm
誤差(法線):7.0
初期形状
(従来法)
50ループ
誤差(高さ):2.8mm
誤差(法線):14
初期形状
(従来法)
10ループ

実験結果
初期形状(従来法)
10ループ
ガラス(屈折率 1.5)

実験結果
初期形状
(手動設定)
推定形状
(10ループ)

偏光と反射モデルとウェーブレット圧縮を利用した
物体の見えの再現

偏光による反射成分の分離
一
般
的
な
写
真
拡
散
反
射
成
分
鏡
面
反
射
成
分
完全偏光非偏光
鏡面反射拡散反射
完全偏光
イントロ(2) 黒色形状(7) 透明形状(7) 条件等色(7) まとめ(2)反射CG(1/7)

拡散反射モデル
光源方向と法線（物体の向き）が
同じ向きのとき，最も明るくなる
コサイン関数により陰影を表現

鏡面反射モデル
鏡の方向のとき，最も明るくなる
ガウス関数（正規分布）
により艶っぽさを表現

実験装置
レーザ距離計測装置
光源
カメラ
偏光板
対象物体
回転台

入力データ
形状画像

実験結果

その他の結果(5:1)

メタメリズム生起のための油絵の具の調合
割合の算出

メタメリズムアート
光源1 光源2
絵の具1
絵の具2
絵の具1
絵の具2
・絵画
・アトラクション
・広告
・透かし
同じ色に見える違う色に見える
イントロ(2) 黒色形状(7) 透明形状(7) 反射CG(7) まとめ(2)条件等色(1/7)

色の知覚
赤(X)
緑(Y)
青(Z)
光源
物体網膜
脳
錐体

スペクトル分布
等色関数
(CIE-XYZ)
ライト1 絵の具1
絵の具2
X: 0.36
Y: 0.50
Z: 0.14
X: 0.36
Y: 0.50
Z: 0.14
ライト1等色関数
(CIE-XYZ)

絵の具の調合
絵の具データベースD 混合割合w

コスト関数最小化
E1 E2
Dw1 Dw2 Dw1 Dw2
pE1Dw1 pE1Dw2 pE2Dw1 pE2Dw2arg min
w1,w2
2 0.5

実験結果
混合塗料1 混合塗料2
光源1 光源2
R: 20
G: 108
B: 0
R: 7
G: 86
B: 5
R: 51
G: 82
B: 23
R: 110
G: 19
B: 16

実験結果
光源1 光源2

まとめ

本日のトピック
1.視体積交差法と偏光を利用した鏡面物
体の三次元形状計測
2.偏光レイトレーシング法を用いた透明
物体の三次元形状計測
3.偏光と反射モデルとウェーブレット圧縮
を利用した物体の見えの再現
4.メタメリズム生起のための油絵の具の
調合割合の算出
形状計測色の解析
実写 CG
光源A 光源B
イントロ(2) 黒色形状(7) 透明形状(7) 反射CG(7) 条件等色(7) まとめ(1/2)

発表文献
• 本日の内容
– Daisuke Miyazaki, Takuya Shigetomi, Masashi Baba, Ryo Furukawa, Shinsaku Hiura, Naoki
Asada, "Polarization-based surface normal estimation of black specular objects from multiple
viewpoints," Proc. 3D Imaging, Modeling, Processing, Visualization & Transmission, pp. 104-111,
2012.
– Daisuke Miyazaki, Katsushi Ikeuchi, "Shape estimation of transparent objects by using inverse
polarization raytracing," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 29,
no. 11, pp. 2018-2030, 2007.
– Daisuke Miyazaki, Takushi Shibata, Katsushi Ikeuchi, "Wavelet-texture method: Appearance
compression by polarization, parametric reflection model, and Daubechies wavelet," International
Journal of Computer Vision, vol. 86, no. 2-3, pp. 171-191, 2010.
– Daisuke Miyazaki, Kazuki Nakamura, Masashi Baba, Ryo Furukawa, Masahito Aoyama, Shinsaku
Hiura, Naoki Asada, "A first introduction to metamerism art," SIGGRAPH ASIA Posters, 2012.
• 偏光とコンピュータの様々な研究の紹介
– 宮崎大輔, 池内克史, "偏光の基礎理論とその応用," 情報処理学会論文誌コンピュータビ
ジョンとイメージメディア, Vol. 1, No. 1, pp. 64-72, 2008.6
• ウェブページ
– http://www.cg.info.hiroshima-cu.ac.jp/~miyazaki/
イントロ(2) 黒色形状(7) 透明形状(7) 反射CG(7) 条件等色(7) まとめ(2/2)

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