2014 Fiscal Year Annual Research Report
3次元点群を利用した，大規模計測データの精密な半透明可視化・融合可視化
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25280044
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
田中 覚 立命館大学, 情報理工学部, 教授 (60251980)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
仲田 晋 立命館大学, 情報理工学部, 教授 (00351320)
岡本 篤志 大手前大学, 史学研究所, 研究員 (30438585)
陳 延偉 立命館大学, 情報理工学部, 教授 (60236841)
長谷川 恭子 立命館大学, 情報理工学部, 助教 (00388109)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | レーザ計測データ / ポイントクラウド / デジタルアーカイブ / 医用可視化 / 粒子流体シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1. 1年目にプロトタイプが完成した3次元点群データの半透明可視化手法を，様々なデータに適用し，有効性を実証した．具体的には，カトリック教会のチャペル，古民家の土竈，古墳などのレーザ計測データまたは写真計測データでの実験を行った．全ての実験結果が，従来手法では不可能な高精細な半透明可視化を対話的な速度で行えることを示した．高精細な可視化は視覚的な美しさも伴う．カトリック教会の可視化は，可視化情報学会主催の可視化情報シンポジウムのアートセッションにおいて「大賞」を受賞した．
2. 1年目に完成したプロトタイプ手法は，3次元点群の密度が均一であることを前提としていた．2年目の今年は，部分的に点密度を増減させることが出来るように手法を改良した．これにより，例えば，地上からの計測で家の屋根の部分に十分な点数が得られなかった場合などにも，屋根をはっきりと可視化できるようになった．
3. 医用CT装置で得られたボリュームデータを，別途にボリュームデータから切り出したスライス画像と半透明融合して可視化することに成功した．ボリュームデータとスライス画像の不透明度は，ともに伝達関数（ユーザが指定する輝度値と不透明度の対応表）を用いて統一的に制御できる．
4.東日本大震災の津波の粒子流体シミュレーションを，昨年よりもさらに大規模化して行い，出力される数十億点からなる3次元点群データに開発した可視化手法を適用し，手法の有効性を確認できた．とくに，速度分布，渦度，土地の起伏などの重畳可視化を高速かつ精密に行えることを実証した．
5. プラズマ物理学の実験で得られたプラズマプルーム（プラズマ粒子のクラスター）の可視化において，異なる条件で得られた２つのデータにおいて両者の重なりが大きい部分の不透明度を自動的に大きくして強調する融合可視化の実験を行い，有望な結果を得た．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画では，以下の３つを達成目標としていた： (1) ボリューム，曲面，2次元画像の（大規模）計測データをそれぞれ3次元点群化し，統一的なやり方で半透明可視化する技術の開発, (2) 異種形状を自在に融合して半透明可視化する手法の開発, (3) レーザ計測データと医用可視化分野における，半透明可視化を応用した新しいビジュアル解析手法の提案．
目標(1) に関しては，ボリュームとサーフェス（2次元画像を含む）に関して点密度と不透明度の関係を表す理論式をそれぞれ確立し，さらに両者の理論式の関係も明確にした．したがって，目標(1)は達成されたと言える．
目標(2) に関しては，ボリューム，サーフェス，2次元画像を融合して可視化するワークフローを確立した．同時に，様々な実験を実用的なデータを用いて行い，精密な可視化が対話的な速度で行えることを実証した．目標(2)も達成されたと言える．
目標(3)に関しては，その達成はまだ途上であるが，研究実績の概要で述べたように，興味深い成果があがりつつある．研究実績の概要の3. の成果は， 2次元画像とボリュームデータを互いに視覚ガイドとして利用できる可能性を示唆している．また，研究実績の概要の4.の成果は点密度の局所的な増減が，重要部分を強調する可視化に有用であることを強く示唆している．
以上のことから，研究計画は順調に進行していると考えられる．当初の計画よりやや進んでいると見なしても良いであろう．
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| Strategy for Future Research Activity |
1. これまでの研究で，医用CT装置で得られたボリュームデータをそのまま点群化した点群型ボリュームデータと，いったん等値面を切り出してサンプリングして得られた点群型サーフェスデータの融合可視化を，容易かつ精密に行えることがわかっている．この，融合可視化は，従来手法では正確に行えなかったものであり，したがって，その視覚効果もあまり研究されてこなかった．研究の3年目である2015年度には，この融合可視化を3D立体視と組み合わせた場合に期待される，人体臓器の高い視認性に関して実証実験を行う．すでに，国立研究開発法人・情報通信推進機構(NICT)の認知科学を専門とする研究者と，同機構が所有する100インチ裸眼立体視ディスプレイを用いた検証を企画中である．
2. これまでの研究で，レーザ計測や写真計測で得られた3次元点群の密度を局所的に増減させることが可能になった．この技術を，視覚補助形状の重畳可視化に応用する．例えば，縦横高さ方向のグリッド線上にある計測点群のみを増殖して，これを視覚補助としてのグリッド線の重畳可視化に応用する．同様の手法は，例えば計測された形状の高曲率部分，つまり特徴的な部分を強調して可視化することにも応用できると思われる．
3. 開発した手法を手術シミュレータの可視化に応用する実験を進める．このため，手術シミュレータを実際に開発している研究者を新たに分担者として追加する．
4. 研究の最終年度として，外部公開用のソフトウェアを構築する．可視化エンジンの部分は，これまでの研究を進める中でほぼ出来上がっているため，3次元点群の局所的あるいは大域的な密度変換の部分のソフトウェアの整備とユーザインタフェースの構築が残る作業となる．
5. 3年間の研究成果をまとめた長めの論文を国際学術論文誌に発表する．学会講演などでの情報発信も積極的に行う．
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| Causes of Carryover |
2015年度に，これまでに開発してきた可視化手法の実用的な応用例として，肝臓と胆嚢の手術シミュレータの出力結果の可視化を行う予定である．これは，シミュレーションの結果として得られる人体臓器と応力分布を重畳して高精細半透明可視化を行うというものである．この計画は，研究の進展に伴って発想した新たなものであり，当初の研究計画には無かったものである．この，計画のため，実際に手術シミュレータの開発を行っている立命館大学の田中弘美教授を研究分担者として加え，新たな実験を行うこととした．このため，新たな分担金や物品費，旅費等が必要となったので，2014年度に執行予定額をあらかじめ抑制し，2015年度に繰り越すことにした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
新たな研究分担者及びその学生（大学院生）の学会発表のための旅費，および新たな実験に必要な備品やデータ解析のためのPC（周辺機器を含む）の購入に充てる．
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[Presentation] Efficient Shape Representation Of Abdominal Organs Based On Spherical Harmonic Functions (SPHARM)2015
Author(s)
Tomoko Tateyama, Mei Uetani, Rui Xu, Titinunt Kitrungrotsakul, Shinya Kohara, Chen-Lun Lin, Akira Furukawa, Shuzo Kanasaki, Satoshi Tanaka, Yen-Wei Chen
Organizer
29th International Congress and Exhibition of Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS 2015)
Place of Presentation
Barcelona, Spain
Year and Date
2015-06-24 – 2015-06-24
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[Presentation] 日本版 可視化研究開発の課題トップ102014
Author(s)
司会：藤代一成, パネリスト：伊藤貴之, 瀬尾拡史, 田中覚, 寺山和夫, 小山田耕二
Organizer
日本学術会議公開シンポジウム「可視化」--- ビッグデータ時代の科学を拓く---
Place of Presentation
日本学術会議（東京都港区）
Year and Date
2014-09-22 – 2014-09-22
Invited
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