Adaptive IP Imaging の理論的検討
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Transcript Adaptive IP Imaging の理論的検討
Adaptive IP Imagingの理論的検討
上田 健介†
小池 崇文 †‡
高橋 桂太 †
苗村 健†
†東京大学大学院情報理工学系研究科
‡日立製作所 システム開発研究所
Outline
背景
自由視点画像合成
Adaptive IP Imaging
Adaptive IP Imagingの理論
レンダリング結果
Future work
結論
LIFLET:
Light Field Live with Thousands of Lenslets
撮像系にレンズアレイ(Lens Array)を用いた
実時間自由視点画像合成システム
撮像系
IP画像
自由視点画像
平面に配列したカメラアレイシステムと光学的に等価
カメラアレイと比較すると、記録光線数は少ない一方で、
光線を密に記録可能・装置がコンパクト・スケール小の被写体に適す。
自由視点画像合成
撮影シーンを指定の視点から見た画像を合成する
IP画像から推定した奥行き情報を用いて補間を行いレン
ダリング精度をあげている
ただ、LensArrayを用いた系では合成品質の限界がみえ易
い(光線記録数がカメラアレイ系に比べて低いため)
レンズアレイ撮影系からの
自由視点画像合成の課題
シーン中の物体が奥行き推定不可能領域に入ると補間処
理ができず画質が低下。
シーンに合わせてその都度光学系を調整する必要
物体が奥行き推定可能領域内であっても、
解像度が一定以上に保てる奥行き範囲は比較的狭い。
(カメラアレイ系に比べてシビアである)
合成画質 ∝ 1-
Zv
Zv:視点の基準奥行き面からの距離
Zo
Zo:物体の基準奥行き面からの距離
奥行き推定可能 Zo>Zlimit
Zlimit :定数
系の配置とIP画像の例
近景:奥行き推定不可能
遠景:サンプリング密度低
Variable-Focus Lens (VFL)
電圧により焦点を変更できるレンズ
機械駆動部をもたないため高速
大量生産が開始されたばかりの
ホットなデバイス
VFLはサンプリング光線の経路を
瞬時に変更できる強力なデバイス
VFLをアレイ化したもの(VFLA: VFL Array)を
従来の固定焦点のレンズアレイの代わりに用い
れば、現状の自由視点画像合成システムの課題
を解決できる
IP(conventional)
Nayer06
Adaptive IP(proposed)
Nayer06
Adaptive IP を用いた
自由視点画像合成の利点
IPを用いた自由視点画像合成の課題
シーンに合わせてその都度光学系を調整する必要
物体の許容奥行き範囲が狭い
Adaptive IPによる解決
3D ディスプレイ出力と
違い自由視点画像合
成出力は、出力光学
系と入力光学系の対
応が変則的であっても
かまわない点に注目
Adaptive IPではVFLAによって光学系を素早く調整できる。
シーンに応じて光線のサンプリング方法を適切に調整すれば、
○ 奥行き推定不可能領域に物体が入らないよう自動調整が可能
設定の手間が省かれる
○ 物体の許容奥行き範囲を向上できる
空間的な最適化。アレイ中の個々のレンズが特定目標に個別に適応。
時間的な最適化。物体の移動に応じて即座に適応。
Adaptive IP Imaging の理論的検討
•空間中のどのような光線がカメラで記録できるのかを調べる
•奥行推定可能な撮影領域の導出
•サンプリングの最適化の方法の検討
仮想カメラアレイ
y
VFLA中の各要素レンズ
を通る光線群は1点に収束。
この収束点にそれぞれ
仮想的なカメラがあると考える
レンズ個数に等しい台数のカメラで
構成されるカメラアレイと見なせる
要素レンズのレンズパワーdkが
z
各々瞬時に制御できるので
各々1自由度で配置を再構成できる
仮想的なカメラアレイを実現できる
(系の自由度はレンズ個数に相当)
VFLA
(可変焦点レンズアレイ)
サンプリングされる光線の記述
y
空間中のどのような光線が
記録できるのか?
Hk
Hk
r
y(
) z Hk r
W Z (dk )
R
(−R < r < R)
z
-W
Z(dk)
Z(dk) = W/(dkW −1)
光線空間への変換
y
光線を2変数p,qで表現
(光線空間を定義)
y0=q
y1
q
y0-y1= p
z
実空間の1光線は
光線空間の1点に対応
q=y0
1
p
p=y0-y1
光線空間への変換
y
実空間の1点から
放射される光線の集合は、
光線空間の線分に対応
q
Y
q=Zp+Y
z
Z
min(dy/dz)
max(dy/dz)
p
サンプリングされる光線の記述
q
y
Hk
-W
y(
R
Hk+R
Z(dk)
Hk-R
z
サンプリング直線
Hk
r
) z Hk r
W Z (dk )
(−R < r < R)
仮想カメラが記録する光線(直線)群が
光線空間の直線上の点群に変換された
p
Z(dk )
q Z(dk )p Hk (1
)
W
(Hk−R < q < Hk+R)
焦点変化とサンプリング光線変化
y
q
-W
z
p
レンズ焦点の変更は
光線空間上でサンプリング直線が
定点まわりに回転することに相当
仮想カメラアレイの記録光線空間
y
q
Hk+1
Hk+1
Hk
S
S
z
Hk
p
仮想カメラアレイが記録できる光線群の
光線空間での領域は理解しやすい形になる
→以降、図形上で理論的な解析をおこなう
q=-Wp
仮想カメラ配置への要請
仮想カメラの列Ckに妥当と思える制約を要請する
1. (効率性) Ck が位置する点を通る光線は
他のどのカメラCn|n ≠k も映さない.
2. (連続性) Ck−1 とCk+1 の両方に映る物点は必ずCk に映る.
光線空間の図形上で考えると、
図形の凸条件に相当することを示す。
要請1
Ck が位置する点を通る光線は
他のどのカメラCn|n ≠k も映さない.
q
上記要請が成り立たない状況とは、
光線空間のサンプリング線分の延長
(= Ck が位置する点を通る光線)が
他のサンプリング線分と交わること
(=他のカメラで記録される)
これはすなわち、
サンプリング線分の端点を
結んでできる四角形が凸か否か
と解釈できる
要請不成立の例
q=-Wp
要請2
Ck−1 とCk+1 の両方に映る物点は必ずCk に映る
あるサンプリング線分Lkが
両隣のサンプリング線分Lk-1・Lk+1と
交わるすべての直線と、交わること
すなわち、サンプリング線分の
端点からなる6角形(左図)が
凸であることと解釈できる
奥行き推定可能条件
例えば奥行き推定可能に最も簡易な
ステレオマッチングを用いる場合、
最低でも2以上の仮想カメラに
被写体が記録されなければならない。
すなわち、
被写体物点からでる光線群
(=光線空間における直線相当)
のうち最低でも異なる2光線が記録
(=2以上のサンプリング線分と交差)
されることに相当する。
上記条件から、光線空間上で許され
る直線を求めれば、実空間で奥行き
推定可能な領域を求められる。
シーンに応じた光学系の最適化
可変焦点レンズを
どのような戦略で動かすか
奥行推定可能性の向上
(ある物点からでる光線を多く記録する
ほど精度があがる)
2. サンプリング密度の向上
(合成画像の精細さの向上)
1.
各レンズ焦点を制御することで、
被写体空間において部分的に上記の性質改善ができる。
様々な戦略が考えられるが、
今回は、シーン中の物体が最低限奥行き推定可能になる条件化で
サンプリング密度を可能な限り向上させる方法の戦略を実験した
実験
Conventional
仮想カメラ配置の一例
Proposed
Rendering比較(上:最適化前
下:最適化後)
自由視点合成例
Future work
Adaptive IPシステムを構築
AIPの他の応用を検討
オクルージョン回避
超解像
結論
シーンに適応してIP画像を撮影する
Adaptive IP imagingを自由視点画像合成に
用いるにあたり、最適戦略を決定する上で
基礎となる理論的検討を行った。
具体的には、光線空間上でAIPの持つサ
ンプリング能力を解析し、奥行き推定可能
性がどのように決定されるかを示した。
ご清聴ありがとうございました。
レンズごとに可動仮想カメラができる
個々のVFLを独立
に制御すれば、
対応する仮想カメラ
を移動でき、
柔軟なカメラ配置が
可能になる。
可動仮想カメラ
本物のカメラ
レンズによるカメラの像
||
仮想カメラ
(仮想カメラがシーンを
撮影すると考える)
仮想カメラは
レンズの
焦点調節で
移動可能
Computational Photography
Nayar06
Programmable Imaging
e.g. Controllable optics
LCD
for lensless imaging
(Zomet06)
DMD
(Digital Micro mirror Devices)
for HDR imaging
(Nayar06)
Variable Focus Lens (VFL)
VFLの既存活用例
高速なオートフォーカス
全焦点画像合成
3次元計測
Depth from Focus (Shape from Focus)
VFLはサンプリング光線の経路を
瞬時に変更できる強力なデバイス
VFLを自由視点画像合成システムに導入すれば
現状のシステムの課題を解決できる
Electrowetting
citation from http://www.varioptic.com
SPEC example
citation from http://www.varioptic.com
-5[m-1] < 1/f < 13[m-1] (@ 33[v] < V < 46[v])
Application of VFL
to Integral Photography
What happen
if we substitute
static lens array
for VFLA?
VFLA (Variable-Focus Lens Array)
開口3mm
to array
幅7.8mm