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反射光の一次散乱光ピークの観測による隠蔽面形状計測

物体の形状,特に物体の全周の形状は様々な分野において重要であり, 今までにカメラを用いた多くの三次元計測技術が提案されている.しかし,いずれの手法も カメラから見た物体の裏側や他の物体や物体自身によって隠蔽された カメラから直接観測することができない部分,すなわち隠蔽面の形状を計測することはできない.

本研究では,隠蔽面の形状を計測することを目的とする.従来手法では,カメラの視点や物体の 配置を変えながら複数回計測し,得られた部分的な形状を統合することで, 隠蔽面を含んだ物体の全周の形状を計測していたが,提案手法によりその手間や計算コストを減らすことが出来る. Veltenらの手法も隠蔽面を計測するものであるが,計測機器が高価であるという問題がある.

隠蔽面を安価に計測するために,チンダル現象を用いてレーザ光を散乱させ, その一次散乱光を観測することにより隠蔽面における反射点の位置を推定する. チンダル現象とは,散乱媒体として粒子径がナノメートルオーダの微粒子を 拡散させることにより,光を進行方向以外の方向からでも観測できるようになる現象である. 類似の手法として,三木らの手法がある.三木らは 反射点の推定に,反射光が反射点からの距離に応じて減衰していく性質を利用しており,画素の輝度値を用いている. しかしながら,観測される輝度値にはノイズが含まれる.特に反射光が通過しない領域の低い輝度値を観測した画素の 輝度値はノイズの影響が大きい.このような画素の輝度値も含めて反射点の位置推定を行っているため,三木の手法には 反射点の位置推定の精度が悪いという問題がある.

提案手法ではノイズの影響が小さい,周辺よりも輝度値が高い画素であるピークの空間的位置を用いる. 反射光の一次散乱光には,物体の反射特性により,程度の差はあれど 一部に周辺よりも高い強度を持った一次散乱光が観測される. 反射点は入射光の直線上かつ,反射光の一次散乱光の中で最も高い強度を持ったピークが並ぶ直線上にあるため, これにより反射点の位置の推定を行う.一般に, 周辺の輝度勾配が大きいピークはノイズが含まれていても,真のピークに近い位置に検出される. 真の位置から多少ずれて観測されるピークの画素に対し,投票を用いてロバスト性を補うことで 提案手法では反射点の位置推定精度を改善し,その後隠蔽面の形状を計測する.

反射点の候補は入射光に相当する直線上かつ物体領域上にある画素とする. 次に,画像中における反射光の一次散乱光のピークを特定するために, 観測画像に対して画像平面x,y軸方向に対して局所的な最大値となるピークを抽出する. 得られたピークの集合を元に,各候補点からあらゆる方向に対して輝度値の重みを 付けたハフ変換を行うことで尤度を計算し,尤度が最も高く得られた候補点を反射点として推定する. そして,得られた反射点から屈折を考慮して三角測量の原理により隠蔽面にある反射点の三次元位置を計算し形状を計測する.

提案手法の有効性を調べるために,反射点の位置の推定精度と計測できる形状を調べる実験をそれぞれ行った. 推定精度の実験では三木の手法と比較して,反射点の位置の推定精度が向上したかどうかを評価した. 比較実験の結果,三木の手法と比べ誤差平均が1/10となり,精度の向上が確認できた. しかし,一部には推定が大きくずれている結果が含まれた.この原因には,ピークがノイズの影響により 一直線にではなくある程度バラついて検出されたことや,尤度の正規化を行っていないことが考えられる. 手法が適用できる形状を調べる実験においては,鏡,灰皿,茶碗に対して提案手法を適用した.その結果, 鏡の形状がほぼ計測でき,灰皿の一部も推定に成功した.しかし,灰皿の多くや茶碗のほとんどでは推定に 失敗し,形状を計測することができなかった.その原因として,多くの観測において反射光がカメラで観測されるなど の輝度値に大きな外れ値が存在したことや,多重反射が隠蔽面の内外で生じたこと, 反射光の一次散乱光が十分観測できなかったことが考えられる.今後の課題としては, ピークをロバストに抽出することや尤度の正規化,外れ値の検出と除去を行うことが挙げられる.