大阪大学　産業科学研究所　複合知能メディア研究分野

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光学設計

全方位カメラや携帯型センサの設計

主観視点全方位映像撮影のための装着型全方位システム

本論文では撮影者の主観的な視点から見た全方位映像を撮影するための新たな視覚システムを提案する． 我々は従来の全方位カメラが考慮していなかった分解能の均一さや視線の一致という特性を満たすように光学系の設計を行った． 提案システムの光学系はカメラと特殊に設計された曲面ミラーから構成される． 曲面ミラーを用いてカメラの視野角を広げると同時にカメラ＝シーン間の射影を制御し，全方位にわたる均一な分解能を実現させた． またミラーを利用することで視覚系の仮想視点が装着者の視点位置に近づけられ，視線の一致度も高められている． さらに我々は試作機を用いて市街地や遊園地などの屋外シーンを実際に撮影し， 撮影された主観視点全方位映像が十分に実用可能であることを確認した．

受賞
  1. 第52回自動制御連合講演会 優秀発表賞 “高臨場感仮想体験のための装着型全方位撮影システム”, 近藤一晃，2010/1/18受賞．
発表
  1. K.Kondo, Y.Mukaigawa, Y.Yagi, “Wearable Imaging System for Capturing Omnidirectional Movies from a First-person Perspective”, In Proc. VRST2009, Nov., 2009.
  2. 近藤一晃, 向川康博，八木康史, “高臨場感仮想体験のための装着型全方位撮影システム”, 第52回自動制御連合講演会, F6-4, Nov., 2009.
  3. 近藤一晃, 向川康博, 八木康史, “主観視点全方位映像と三次元音場による高臨場感シーン再現”, 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2009), IS3-52, July, 2009.
  4. 近藤一晃, 向川康博, 八木康史, “主観視点全方位映像撮影のための装着型全方位システムの開発”, 第11回 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2008), 7月, 2008.

表面勾配の可積分性を考慮した自由形状ミラー設計法

反射屈折光学系の設計において最も重要な要素は反射ミラーの形状をどのように決定するかである． 本論文では表面勾配の集合で定義される完全自由な形状のミラーに関する新たな設計手法を提案する． 我々は反射屈折光学系におけるミラー設計と， 陰影に基づいた3次元形状復元という一見すると全く異なる問題設定に共通点が存在することに着目した． 提案手法では，表面勾配の可積分条件の下で目的射影を満たすようにミラー形状を最適化することで， 整合性のあるミラー表面を設計する． 実験では実際の問題設定から目的射影を決定し，ミラー形状の設計および形成される射影を評価した． 結果，目的射影に対して誤差が発生するものの，その誤差は十分に小さいことが確認された．

発表
  1. K.Kondo, Y.Mukaigawa, Y.Yagi, “Integrability-based Free-form Mirror Design”, IPSJ Transactions on Computer Vision and Applications, Vol.1, pp.158-173, Sep., 2009.[PDF]
  2. K.Kondo, Y.Mukaigawa, Y.Yagi, “Free-Form Mirror Design Inspired by Photometric Stereo”, Proc. OMNIVIS 2008, Oct. 2008.[PDF]
  3. 近藤一晃, 向川康博, 八木康史, “表面勾配の可積分性を考慮した自由形状ミラー設計法”, 第11回 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2008), 7月, 2008.[PDF]

複眼全方位センサ

本論文では，周囲360度の奥行き情報を一度に獲得できる全方位視覚システムとして，複眼全方位センサならびにある一定距離内に接近した物体の検知が可能な手法の提案を行う． 本センサは，単一のカメラと複数の凸面鏡から構成され，容易に携帯，装着できる小型軽量のセンサである． 各々の凸面鏡には各々観測対象が映し出され，それらを同時に撮像することで全方位の多視点画像を撮影することができる． 接近検知手法では，この多視点画像から対応点探索を行わずに，ある一定距離以内に接近した物体を検出することができる． それらに加え本論文では，複数の凸面鏡のキャリブレーション手法の提案と，奥行き検知能力の評価を行った．

受賞
  1. 平成19年度情報処理学会　コンピュータビジョンとイメージメディア研究会　卒業論文セッション優秀賞 “装着型全方位監視に向けて -小型センサの試作と動物体検出法の提案-” 東はるか
発表
  1. Haruka Azuma, Yasuhiro Mukaigawa, Yasushi Yagi, “Spatio-Temporal Lifelog Using a Wearable Compound Omnidirectional Sensor”, In Proceedings of the IEEE Workshop on OMNIVIS, Marseille, France, 2008.
  2. Yuichiro Kojima, Ryusuke Sagawa, Tomio Echigo, Yasushi Yagi, “Calibration and Performance Evaluation of Omnidirectional Sensor with Compound Spherical Mirrors”, In The 6th Workshop on Omnidirectional Vision, Camera Networks and Non-classical cameras, 2005.
  3. 東はるか, 向川康博, 八木康史, “装着型複眼全方位センサを用いた時空間ライフログの提案”, 情報処理学会関西支部支部大会講演論文集, pp.101-102, 2008.
  4. 東 はるか, 向川 康博, 八木 康史, “装着型全方位監視に向けた複眼全方位センサによる動物体検出”, 画像の認識・理解シンポジウム論文集(MIRU2007), pp.1111-1116, 7月, 2007.
  5. 東 はるか, 向川 康博, 八木　康史, “装着型全方位監視に向けて – 小型センサの試作と動物体検出法の提案 -“, 情報処理学会研究報告, 情報処理学会, no.2007-CVIM-159, pp.89–96, 東京, 5月, 2007.
  6. 向川康博, 西岡潔郁, 八木康史, “複眼全方位センサを用いた装着型防犯アラームの開発”, 画像の認識・理解シンポジウム論文集(MIRU2006), pp.722-727, 7月, 2006.
  7. 小嶋 裕一郎, 栗田 尚樹, 佐川 立昌, 越後 富夫, 八木 康史, “複眼全方位センサの提案”, 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.47, no.SIG10(CVIM15), pp.152–161, July, 2006.
  8. 小嶋　裕一郎, 佐川　立昌, 越後　富夫, 八木　康史, “複眼全方位センサによる奥行き検出能力の評価”, 情報処理学会研究報告, 情報処理学会, no.2005-CVIM-149, pp.31–38, 東京, 5月, 2005.
  9. 小嶋　裕一郎, 佐川　立昌, 越後　富夫, 八木　康史, “複眼全方位センサによる奥行き検出能力の評価”, 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2005), pp.1160–1166, 7月, 2005.
  10. 栗田 尚樹, 佐川 立昌, 越後 富夫, 八木 康史, “全方位物体検出のための複合球面鏡ステレオ”, 画像の認識･理解シンポジウム(MIRU2004), pp.362–367, 7月, 2004.
  11. 栗田 尚樹, 佐川 立昌, 越後 富夫, 八木 康史, “全方位物体検出のための複合球面鏡ステレオ”, 第3回情報科学技術フォーラム, 9月, 2004.

非等方性全方位視覚

凸型ミラーを用いて自己の周囲360度環境を一度に撮像する「全方位視覚」についての研究が数多く行われ，様々な用途に応用されている．これらの全方位視覚は，鉛直軸周りに回転させた回転体ミラーと，鉛直上向きに設置したカメラからなる．このため方位方向に等しい性質を持ち，どの方位方向においても観測密度は等しい．しかし，移動ロボットの視覚として用いる場合，自己の運動軸上に現れる障害物の発見や回避が重要であるため，進行軸付近の密な観測が必要とされる場合が多い．そこで本論文では，知能作業ロボットに特化した，方位方向により観測密度が変化する「非等方性全方位視覚」を提案する．

発表
  1. Kazuaki Kondo, Yasushi Yagi, Masahiko Yachida, “Non-isotropic Omnidirectional Imaging System for an Autonomous Mobile Robot”, In Proc. 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, April 18-22, 2005.
  2. 近藤　一晃, 八木　康史, 谷内田　正彦, “知能作業ロボットのための非等方性全方位視覚”, 電子情報通信学会論文誌, vol.J88-D-II, no.8, Aug., 2005.
  3. 近藤 一晃, 八木 康史, 谷内田 正彦, “ロボットナビゲーションのための非等方性全方位視覚”, 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU)2004論文集Ⅰ, pp.493-498, 7月, 2004.

医療用内視鏡のための全方位視覚アタッチメント

大腸など人間の臓器内部は，襞などによって複雑な形状をしているため，内視鏡の後方が死角となり，患部を見落とす可能性が指摘されている．本論文では，前方だけでなく，周囲360度の側方並びに後方観察が可能な全方位消化管内視鏡を提案する．本方式は，通常の消化管内視鏡の先端部に環状凸面鏡の使い捨て型全方位アタッチメントを装着することで，前方だけでなく側後方を同時に観察することができる．内視鏡医による人体モデル並びに動物実験により，本アタッチメントの有用性，安全性を確認した．

特許
  1. 八木康史, 越後富夫, 佐川立昌, “内視鏡アタッチメント”, 特願2004-197355, 2004.
発表
  1. Ryusuke Sagawa, Takurou Sakai, Tomio Echigo, Keiko Yagi, Masatsugu Shiba, Kazuhide Higuchi, Tetsuo Arakawa, Yasushi Yagi, “Omnidirectional Vision Attachment for Medical Endoscopes”, In Proc. the Eighth Workshop on Omnidirectional Vision, Camera Networks and Non-classical Cameras, Marseille, France, October 17, 2008.
  2. 八木康史, 佐川立昌, 阪井拓郎, 越後富夫, 斯波將次, 藤原靖弘, 樋口和秀, 荒川哲男, “消化管内視鏡のための全方位アタッチメントの開発”, 日本消化管学会総会学術集会抄録集, no.SP-2-1, pp.127, 大阪, 2月, 2008.
  3. 阪井　拓郎, 佐川　立昌, 越後　富夫, 八木　敬子, 斯波　将次, 樋口　和秀, 荒川　哲男, 八木　康史, “医療用内視鏡のための全方位視覚アタッチメントの開発”, 電子情報通信学会論文誌D, vol.J91-D, no.7, pp.1778-1787, 7月, 2008.
  4. 阪井　拓郎, 佐川　立昌, 八木　康史, “医療用内視鏡のための全方位視覚アタッチメントの開発”, 画像の認識・理解シンポジウム論文集(MIRU2007), pp.493-498, 7月, 2007.

透過型・反射型液晶を用いた適応的ダイナミックレンジカメラ

屋外などの明暗の差が激しいシーンの情報を損なわずにカメラで撮影するためには，広いダイナミックレンジが必要である．そこで本研究では，液晶を用いた適応的ダイナミックレンジカメラを提案する．本カメラは，液晶の制御により各撮像素子ごとにマスクをかけることで受光量を適応的に調節し，得られた情報からシーンの光量を計算することで，広ダイナミックレンジ化を実現している．液晶素材に透過型液晶と反射型液晶があり，その特性は異なる．例えば，透過型液晶は，フィルタのように扱えるため省スペース化が見込めるものの，駆動回路を素子間に配置するため開口率が低いという欠点がある．一方，反射型液晶は，駆動回路を液晶の背面に配置できるため開口率が高くなるものの，ビームスプリッタを必要とするため小型化が容易ではないという欠点がある．そこで本論文では，透過型液晶を用いたシステム，反射型液晶を用いたシステムをそれぞれ実際に構築し，その特性を評価した．透過型液晶を用いたシステムでは液晶面にフォーカスを合わせず，反射型液晶を用いたシステムではマスクのぼけをなくすため液晶面にフォーカスを合わせる．構築したシステムを用いた実験の結果，透過型液晶を用いたシステムにおいては，液晶面にフォーカスを合わせないため光量調節の効果がぼけるが，このぼけ関数を実データから求めることで，ガウス関数による近似に比べ正確に光量を求められることを確認した．また，反射型液晶を用いたシステムおいては，液晶面にフォーカスを合わせているためより密に適応的な光量調節が可能であり，また光量調節の情報から元の光量を復元することで適応的ダイナミックレンジカメラが実現できることを確認した．

発表
  1. Hidetoshi Mannami, Ryusuke Sagawa, Yasuhiro Mukaigawa, Tomio Echigo, Yasushi Yagi, “High Dynamic Range Camera using Reflective Liquid Crystal”, In Proc. IEEE International Conference on Computer Vision, Rio de Janeiro, Brazil, October 14-20, 2007.
  2. Hidetoshi Mannami, Ryusuke Sagawa, Yasuhiro Mukaigawa, Tomio Echigo, Yasushi Yagi, “Adaptive dynamic range camera with reflective liquid crystal”, Journal of Visual Communication and Image Representation, vol.18, Issue 5, pp.359-365, Oct., 2007.
  3. 万波 秀年, 佐川 立昌, 向川 康博, 越後 富夫, 八木康史, “反射型液晶を用いた適応的ダイナミックレンジカメラ”, 電子情報通信学会論文誌, vol.90, no.8, pp.1921-1929, Aug., 2007.
  4. 万波 秀年, 佐川 立昌, 向川 康博, 越後 富夫, 八木 康史, “反射型液晶を用いた適応的ダイナミックレンジカメラの提案”, 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2006), pp.412–417, 仙台, 7月, 2006.
  5. 万波　秀年, 佐川　立昌, 向川　康博, 越後　富夫, 八木　康史, “液晶フィルタを用いた広ダイナミックレンジカメラの提案”, 情報処理学会研究報告, 情報処理学会, no.2005-CVIM-149, pp.23–30, 東京, 5月, 2005.
  6. 万波　秀年, 佐川　立昌, 向川　康博, 越後　富夫, 八木　康史, “透過型液晶フィルタリング方式によるカメラの広ダイナミックレンジ化”, 画像の認識・理解シンポジウム(MIRU2005), pp.1208–1215, 兵庫, 7月, 2005.
  7. 万波　秀年, 佐川　立昌, 向川　康博, 越後　富夫, 八木　康史, “透過型液晶フィルタリング方式によるカメラの広ダイナミックレンジ化”, 計測自動制御学会論文集, vol.41, no.12, pp.1026–1035, 12月, 2005.