| 研究課題/領域番号 |
16K00257
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| 研究機関 | 大阪電気通信大学 |
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研究代表者 |
来海 暁 大阪電気通信大学, 情報通信工学部, 教授 (30312987)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 時間相関イメージセンサ / BRDF / BTF / コンピュテーショナルフォトグラフィ / 光反射モデル / 画像センシング |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題の目的は，短時間・高分解能でかつ高精度・高安定に物体の三次元形状および光反射特性を同時に計測するシステムを実現することである．本システムは時間相関カメラおよびLEDドーム照明によって構成され，三次元形状として法線方向，光反射特性としてBTF（双方向テクスチャ関数）のプロファイル（視線方向を固定し入射方向のみを変化させたときの断面分布）を計測対象とする．これまでの研究において，LEDドーム照明を製作し，それを用いた計測実験を行ってきたが，法線方向およびBTFパラメータの計測値に誤差が生じることが確かめられてきた．
今年度は，計測誤差がLEDドーム照明の照度ムラおよび時間相関カメラの非線形性によって発生することを理論的に導くとともにそれを実験によって明らかにし，さらにその補償方法を考案することを目標とした．まず，LEDドーム照明の照度ムラおよび時間相関カメラの非線形性がカメラ出力に及ぼす影響を数理的にモデル化した．次に，このモデルを実験的に確かめるため，1280x1024画素と従来よりも高解像である時間相関カメラを新たに購入した．このカメラを用いて拡散反射性の平面物体，および鏡面反射性の半球物体を撮影したところ，理想的な条件では生じないはずの誤差成分がカメラ出力に発生し，それがLEDドーム照明の照度ムラおよびカメラの非線形性による誤差発生のモデルとよく一致することが確かめられた．この成果は2件の国内学会および1件の国際学会において発表した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
4: 遅れている
理由
今年度の当初の計画では，新たな計測方式を導入する目的で正弦波変調LEDドーム照明を製作する予定であった．これまでのLEDドーム照明では，ドーム緯線上の各LEDが順にパルス点灯しながら1周走査する方式を採っていた．この方式では，計測対象物体が鋭い鏡面反射光を生じる場合，時間相関カメラにおいて瞬間的に強い光電流が誘起され，それによりカメラ出力が非線形的に応答し誤差を生じる可能性のあることがこれまでに分かっている．一方，正弦波変調LEDドーム照明では，照明の正弦波変調により時間相関カメラが非線形応答を生じるのを回避することができ，さらに定常的な正弦波変調によって照明強度が上がりカメラ出力のSN比が向上するという利点も持つ．
しかし，ドーム型のLED照明であるという点，したがってLEDの照度ムラが計測誤差につながりかねないという点ではこれまでの方式と共通している．そしてこれまでの実験により，照度ムラによるカメラ出力誤差は決して無視できる程度のものではなく，高精度・高安定の計測システムの実現を目指す上で解決が必須であることが明らかにされてきた．したがって，今年度はLEDドーム照明の照度ムラによる誤差発生のモデル化とその実験的検証を先に進めることにした．
正弦波変調LEDドーム照明の製作という点では遅れが生じているが，今年度取り組んだLED照度ムラの補償も期間内に取り組まなければいけない課題である．その観点から今回の変更は課題の順番の入れ替えと捉えており，今後順調に正弦波変調LEDドーム照明の製作を進めていくことにより，当初の研究計画に復帰できるものと考えている．
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度の成果に基づき，今後はまずLEDドーム照明の照度ムラによる時間相関カメラ出力への影響を補償する手法を構築し，実験的に検証する．ここまでの成果はできるだけ早期に論文にまとめ，学術雑誌に投稿する予定である．
また並行して，新たな手法である正弦波変調LEDドーム照明の実現に向け，FPGAを用いたPWM（パルス幅変調）制御回路およびFPC（フレキシブル）基板によるLED駆動回路の設計と製作に着手する．当初はこの製作に当たって今年度に予算を計上していたが，実際は時間相関カメラの購入に充てており，しかもその費用が当初計画よりも増加することになった．この増額が回路の設計・製作費用を圧迫しているため，今後は予算内で回路の設計・製作が可能になるようにまず設計内容を見直す．
費用削減の方法としては，回路を実装するLEDの緯線数を制限する，あるいは製作は制御回路と駆動回路のみに留め，LEDドームのみはこれまでの装置を流用する，という案を考えている．
LEDの緯線数の削減は計測分解能の点で不利をもたらすが，計測手法の原理的な検証には影響を及ぼさないので，研究遂行の本質的な妨げにはならない．
回路の設計に当たっては，まずPWM制御によって疑似的に正弦波変調を行う波形が出力できるようにFPGAを設計する．また，その波形に基づくLED駆動回路をLEDに近接して配置するためのFPC基板を設計する．このFPC基板により，LEDと駆動回路との間のケーブル配線が不要となり，LEDをドーム上に高密度に配置することが格段に容易になる．一方，このFPC基板上では任意の角度で配線を引くことが必要となるため，通常の回路用CADソフトウェアでは対応できない可能性が懸念される．この点を踏まえ，基板製造業者とのやり取りによりどの程度の費用でどこまでの設計・製作が可能かを慎重に見極める．
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