Computer GraphicsComputer Graphics

第１回第１回IntroductionIntroduction

芝浦工業大学情報工学科芝浦工業大学情報工学科

青木　義満青木　義満

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授業の目標授業の目標 コンピュータグラフィックスの様々な基礎理論の学習

最新の研究事例を交え、この分野の動向を知る

ＣＧプログラミングを始めるための手順・知識の習得

ＣＧ検定 2 級レベル＋ α主催：　画像情報教育振興協会画像情報技能検定ＣＧ部門

教科書：「コンピュータグラフィックス」， CG-ARTS 協会参考書：「ディジタル画像処理」， CG-ARTS 協会

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講義内容講義内容

主な内容 イントロダクション 座標変換（ 2D, 3D, 投影） モデリング レンダリング アニメーション 視覚に訴えるグラフィックス ＣＧシステム応用

評価

期末試験

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今日の講義内容今日の講義内容

導入　～　 CG の概要 コンピュータグラフィックスとは？ CG の関連領域

CG と CV(Computer Vision) CG と画像処理

CG の応用分野

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コンピュータグラフィックス（Ｃコンピュータグラフィックス（ＣＧ）とは？Ｇ）とは？

実世界でのモノの見え方を決定する諸要因をコンピュータ内にモデリング，シミュレーションし，画像を生成（レンダリング）する技術

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CGCG を理解するために・・・　デジタルカメラを理解するために・・・　デジタルカメラモデルモデル

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ＣＣ GG と画像処理と画像処理

画像処理 実世界を写した画像の色や明るさ，形状や大きさな

どを変換，計測，対象物体に関する情報を認識する技術

ＣＧ 実世界でのモノの見え方を決定する諸要因をコン

ピュータ内モデリング，シミュレーションし，画像を生成（レンダリング）する技術

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ＣＧとコンピュータビジョン（ＣＧとコンピュータビジョン（ CVCV ））

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ＣＧとＣＶの関係ＣＧとＣＶの関係

3D SceneLight source

Camera

P

P’

Image Plane

Image Processing

Computer Vision

Image PlaneCG

Light source

Camera

３Ｄシーンのモデリング→ 2D 画像のレンダリング 2D 画像　→　３Ｄシーン情報の獲得

Computer GraphicsComputer Graphics Computer VisionComputer Vision

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ＣＧへの画像処理技術応用ＣＧへの画像処理技術応用

イメージベースドレンダリング（ Image-based rendering ） テクスチャマッピング（ Texture Mapping ）

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22 次元ＣＧ次元ＣＧ ラスタ処理

画素の集まり 画素ごとの明るさや色を記録 ペイント系描画ソフト

ベクタ処理 点・線・面の幾何学的性質　　（位置や長さ）を記録 ドロー系描画ソフト

　ハイブリッド 　ラスタ　＋　ベクタ

R

（ xo, yo ）

（ x1, y1 ） Lx

Ly

背景（ラスタ表現）

物体（ベクタ表現）

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３次元ＣＧ３次元ＣＧ

3 次元 CG による画像生成の手順

座標系，視点，視野　の設定 モデリング（物体形状のデータ化） 座標変換　（モデルの移動，変形） レンダリング　　　（質感や陰影の計算） アニメーション　　　（視点や物体の動きによる連続画像の生成）

一枚の画像を生成

連続画像を生成

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ＣＧとその関連領域ＣＧとその関連領域

画像処理　 (Image Processing) 階調画像，文字，図形などの画像情報に対する解析，認

識，圧縮，蓄積

コンピュータビジョン 　 (Computer Vision) 画像からの形状，属性の認識 イメージベースドレンダリング (IBR)

3D イメージング・モデリング　 (3D Imaging & Modeling) 形状測定・復元，位置合わせ

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ＣＧの応用分野ＣＧの応用分野

エンターテイメント（ CM ，映画等） 工業製品のデザイン（ CAD ， CAM ） Scientific Visualization 物理現象のシミュレーション リアルタイム CG医療データの可視化 デジタルアーカイブ フォト／ノンフォトリアリスティック

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映画・ゲーム・エンターテイメント映画・ゲーム・エンターテイメント 映画，テレビ， CF （ Commercial Film ） , イベント映像

Shreck @ DreamWorks

Monster’s Inc @ Pixer

Final Fantasy 10 @ SQUARE

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CAD / CAM CAD / CAM (Computer Aided (Computer Aided Design/Manufacturing)Design/Manufacturing)

CAD/CAM 工業デザインにおける設計・製図作業，　　工作作業のコンピュータ支援 シミュレーション技術 Rapid Prototyping

Shoes Design

Car Engine Design

光造形（樹脂モデル）

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地理情報処理 地理情報処理 (GIS)(GIS)

地形の３ D 表示Real-time Terrain Rendering @Geogia Tech.

衛星画像

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サイエンティフィック・ビジュアライゼーサイエンティフィック・ビジュアライゼーションション 数値データを画像として表示　～「情報の可視化」

物理学，化学，気象学，医学，宇宙科学等，幅広い分野 刻々と変化する多次元的な情報を視覚化により解析

複雑な現象の直感的な理解

ボールが作る流れの数値解析＠理化学研究所

ストレート

フォークボール 気象データの可視化

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J. O’BrienJ. O’Brien等 等 (Univ.California, (Univ.California,

Berkeley)Berkeley)

弾性のあるものの変形アニメーション弾性のあるものの変形アニメーション

有限要素法を使う有限要素法を使う

→→弾性弾性 (( しなやかさしなやかさ ) )

　　破壊プロセスと相互作用を考慮　　破壊プロセスと相互作用を考慮

物理現象のシミュレーション・可視化物理現象のシミュレーション・可視化

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QuickTime˛ Ç∆YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

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ＣＧと実写映像との融合ＣＧと実写映像との融合

QuickTime˛ Ç∆ÉVÉlÉpÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

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医用情報処理医用情報処理

CT （ Computer Tomography ） , MRI (Magnetic Resonance Imaging)

→　人体内部情報の 3 次元表示

Visible Human Project

脳内組織の可視化@ Harvard Univ.

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Female Male

Human Atlas : Human Atlas : 生体の３次元・４次元人体アトラス生体の３次元・４次元人体アトラス（（ 19981998 ，， GITI of Waseda UnivGITI of Waseda Univ ））

Human Atlas の外観

・ＭＲＩを用いて、健常な２０歳代の男性・女性を計測　→　全身像を三次元再構築

・利用者が必要とする任意の部分の断層像をその三次元的な位置を確認しながら選択可能。

・拍動による心臓や心内腔の動きなど（四次元データ）も表示可能。

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視覚と触覚情報を融合した仮想手術シミュレーション視覚と触覚情報を融合した仮想手術シミュレーションVirtual Surgery with Visual and Haptic FeedbacksVirtual Surgery with Visual and Haptic Feedbacks

Anastomosis Simulator（血管縫合手術シミュレータ）

Stereo Glasses

Realtime 3D Image

Articulated leg

Knee Anthroscopy Simulator （膝関節鏡検査シミュレータ）

3D Image

（ Boston Dynamics社， USA ）

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ＣＧによる診断支援の例：顎運動計測システムＣＧによる診断支援の例：顎運動計測システム

計測システムの外観　

時間解像度： 10ms

計測原理図（ C 形アーム内）

計測原理

•その直交点としてマーカの３次元位置が推定できる

•１台のカメラで座標の一方向が決定するため、３台のカメラでそれぞれ x,y,z軸方向が決まる

•点光源はレンズを通過すると、リニアＣＣＤ受光面上に直線の光となって映される

光学的 6自由度測定法を採用した非接触型の計測装置（ Trymet ）を用い、 ３次元計測を行う

Ｃ形アーム

Developed by Aoki Lab.Developed by Aoki Lab.

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顎運動の可視化による診断支援顎運動の可視化による診断支援

・外から見えない顎運動をＣＴ画像と運動データを統合して可視化・形状と機能情報の可視化による診断支援

Developed by Aoki Lab.Developed by Aoki Lab.

QuickTime˛ Ç∆Microsoft Video 1 êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ å©ÇÈÇΩÇflÇ…ÇÕïKóvÇ≈Ç∑ÅB

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Developed by Aoki Lab.Developed by Aoki Lab.

QuickTime˛ Ç∆H.264 êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

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煙の中を見透かし，空間３次元マップをＣＧで生成煙の中を見透かし，空間３次元マップをＣＧで生成

Real-time process

煙の中の様子を表した、煙の中の様子を表した、３次元マップ３次元マップをを作成作成

→→　消防士が煙の中を見透かす　消防士が煙の中を見透かす

３次元マップ

HMD上で表示

※like the vision of a bat

正解画像

煙に対する透過性を有するレーダ（ミリ波レーダ）　　　→多方向へ向けながら、煙の中（部屋中を）を計測

Developed by Aoki Lab.Developed by Aoki Lab.

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Developed by Aoki Lab.Developed by Aoki Lab.

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デジタル・アーカイブ（電子保存）デジタル・アーカイブ（電子保存） 歴史的資料，芸術・美術作品の電子保存 バーチャル・ミュージアム

Revivals of Neanderthal @東京大学

Digital Michelangelo Project @Stanford University

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フォトリアリスティックとノン・フォトリアフォトリアリスティックとノン・フォトリアリスティックリスティック

フォトリアリスティック・レンダリング（写実的画像生成， PR ）

70年代後半～ 80年代 ありのままを記録（写実性の追及） 光学，物理現象に従う 数式（モデル）どおり

ノン・フォトリアリスティック（非写実的画像生成， NPR ）

90年代～ 情報を強調，省略して記録 描画手法は用途に依存 芸術的側面