2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of accurate 3D measurement for trancelucent objects based on optical analysis
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17K00257
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| Research Institution | Hiroshima Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大谷 幸三 広島工業大学, 情報学部, 教授 (40351978)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 半透明物体 / 三次元形状計測 / 光線追跡法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
3Dスキャナ等の普及により光学的3次元計測技術は成熟したようにみえるが，濁りのあるプラスチックやアクリルなど半透明な物体の計測は未だ困難となっている．それは，半透明物体へ投影した光が物体内部の微粒子で散乱する「表面下散乱」が起因している．半透明物体に投影した光は内部で散乱し，入射した位置とは異なる位置から出射する．そのため，半透明物体の光学的3次元計測は困難な問題の一つとなっている．
開発する計測法の特長は，この表面下散乱を積極的に活用する点にある．具体的には，まず，半透明物体の光学特性をモデル化し，表面下散乱を光線追跡法でシミュレートする．そして，光の入射位置と出射位置の相関を統計的に解析し，実測した3次元計測データを補正する．本手法が確立すれば，拡散，鏡面，透明，半透明といったあらゆる光学特性をもつ物体へ適用可能な3Dスキャナを構築することができ，その工学的価値は非常に大きい．
2017年度（初年度）は，半透明物体内部の光学特性を，反射・透過特性をもつ複数の微粒子によってモデル化し，微粒子間の光線軌跡を幾何学的にシミュレートできるソフトウェアの開発に取り組んだ．微粒子の化学的特性を考慮すると光散乱には波長依存性があるが，本研究では問題を簡単化するため，まずは波長依存性を無視した．その結果，半透明物体内部の微粒子の反射率/透過率/直系/個数/配置を可変パラメータとして，一つひとつの微粒子による反射と透過を光線追跡法で計算し，光線のベクトル情報を数値出力するとともに，CGで可視化することに成功した．
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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
当初の計画通り，光線追跡シミュレータを作成し，予算計上していた計算用サーバコンピュータ上に実装した．現段階で微粒子の性質としてシミュレータに与えることができるパラメータは，反射率/透過率/直系/個数/配置である．単純なケーススタディにより，光線追跡の基本的な動作と描画の妥当性について確認した．ただし，粒子の個数を一定数以上にすると描画できない現象が生じており，計算量を考慮したアルゴリズムに改良する必要がある．必要であればコンピュータのメモリを増設することも検討する．
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは，実際の半透明物体の表面下散乱に対して，シミュレータに与える微粒子の性質に関するパラメータの範囲を定義する．その上で，シミュレータを完全に動作可能な状態に仕上げていく．
次に，半透明物体の光学特性と入射・出射位置との相関解析に取り掛かる．測定対象となる半透明物体の形状と光学特性は未知であるため，微粒子の性質に関するパラメータは乱数で設定する．そして，シミュレータで生成した表面下散乱画像と，実物体の表面下散乱画像とをマッチングさせる．このとき類似度が最大となったパラメータの値が，微粒子の性質を最も正しく再現しているモデルと捉える．このモデルに対し，光の照射条件を種々変化させたときの表面下散乱を観察し，出射位置の頻度を求め，入射位置と出射位置の相関を統計的に求める．
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| Causes of Carryover |
初年度はシミュレータの作成が主なタスクとなり，データ整理や実験補助に係る人件費が予定より少なくなった．次年度は，シミュレータを使った実験が本格化するため，繰り越した予算は，おもにデータ整理や実験補助にかかる人件費に充当する予定である．
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