(57)【要約】【課題】任意の光源による、相互反射を含めた照明効果を、実際に光源を用いることなく、任意の実物体上で高速に再現する。【解決手段】画像投影部１００により、実物体２上に仮想光源１による照明効果を、再現画像として投影する。この時、再現画像の各画素に対応して画像投影部１００から実物体２上の各画素に対応する領域に投射される光束が、仮想光源１で模擬する実際の光源により、同一領域に直射された場合の光束のみと等しくなるように再現画像を生成することで、仮想光源１が実在する場合と同等の照度分布を実物体２上に再現する。実物体２が拡散反射面を備えていれば、実際の光源からの直接の照度分布を再現すると、実際の光源によるものと同等の相互反射効果も再現される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実物体上に仮想光源による照明効果を再現する照明効果再現システムであって、
前記実物体上に前記照明効果を再現する再現画像を投影する画像投影部と、
前記仮想光源により再現される実光源と前記実物体との相対関係及び前記仮想光源の照射特性に基づき、光束としては前記再現画像の各画素について前記仮想光源の直射による光束のみを対応付けた光束画像を生成する光束画像生成部と、
前記画像投影部の出力特性に基づき、前記光束画像生成部で生成した光束画像を前記画像投影部から出力する輝度画像に変換する輝度画像生成部と、を備え、
前記画像投影部は、前記輝度画像生成部で生成された輝度画像を前記再現画像として投影することを特徴とする照明効果再現システム。
【請求項２】
前記画像投影部の出力特性として、前記画像投影部に対する輝度の指令値と、当該輝度の指令値に対応する、前記画像投影部から出力される光色及び光束との関係を示す情報を含むことを特徴とする請求項１記載の照明効果再現システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源による照明効果を、実際に光源を用いずに実物体上に再現する照明効果再現システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電球を初めとする照明器具の購入に際し、この照明器具をユーザ自身の利用環境に実際に適用するまで、この照明器具が思い通りの効果を発揮するかどうかを、ユーザが把握できない、という課題の解決策として、照明器具の持つ光色や配光等の事前情報から照明効果を再現するシステムが提案されている。
例えば、特許文献１には、照明効果を、仮想空間上で再現するシステムが提案されている。このシステムによれば、ユーザや照明設計者はこのシステムを利用することにより、照明の種類や、配置を容易に決定することが出来る。
【０００３】
しかし、仮想空間ではなく実空間において、照明効果を適用したい実物体上に再現することができれば、より実際の利用環境に近い状態で照明効果を確認することができる。
このように、実空間において、光源による照明効果を再現するシステムとして、非特許文献１に示すように、プロジェクタにより照明効果を投影するようにしたシステムが提案されている。
このようにプロジェクタを用いたシステムでは、光源による照明効果を適用したい物体にプロジェクタで照明効果の代替となる画像を投影している。そのため、この照明効果を適用したい物体は拡散反射面を有する必要がある。
【０００４】
非特許文献１に記載のシステムでは、実際に光源を用いた場合の照明効果を予めカメラで撮影しておき、正解画像を作成する。そして、プロジェクタを用いた投影結果を、同じカメラで撮影した結果が、正解画像と一致するように、プロジェクタへの入力画像を補正していく、という手法を利用している。そのため、動的な光源の位置角度や種類の変更に対応して照明効果を変化させることができず、この非特許文献１に記載のシステムを、光源の照明効果を再現するシステムに用いることは実用的ではない。
ところで、非特許文献１において、前述のような正解画像を用いてプロジェクタへの入力画像を補正するようにした手法を用いることの主な理由は、複雑な形状のシーンにおいては、相互反射の計算に大きなコストがかかるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４４３５８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】向川康博、永井悠文、大田友一、“SpaceRelighter:パターン投影による照明環境の再現”、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、Vol.10、No.2、pp.155-162、June 2005.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
実用的な、実空間における照明効果再現システムを実現するため、光源の実物を用いることなく、光源の位置角度や光源の種類の変化等といった照明条件の変化に対して、動的且つ高速に、拡散反射面における相互反射を含めた照明効果を再現する手法が必要とされていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、実物体上に仮想光源による照明効果を再現する照明効果再現システムであって、実物体上に照明効果を再現する再現画像を投影する画像投影部と、仮想光源により再現される実光源と実物体との相対関係及び仮想光源の照射特性に基づき、光束としては再現画像の各画素について仮想光源の直射による光束のみを対応付けた光束画像を生成する光束画像生成部と、画像投影部の出力特性に基づき、光束画像生成部で生成した光束画像を画像投影部から出力する輝度画像に変換する輝度画像生成部と、を備え、画像投影部は、輝度画像生成部で生成された輝度画像を再現画像として投影する、照明効果再現システムが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、複雑な反射計算を行うことなく、高速に相互反射を含めた照明効果を、実物体上に再現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態における照明効果再現システムの概要を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態における照明効果再現システムの一例を示す構成図である。
【図３】記憶部に記憶される情報の一例である。
【図４】光源情報に含まれる位置角度情報を設定するためのユーザインタフェースの一例である。
【図５】画素投影領域計算部により計算される画素投影近似領域を説明するための図である。
【図６】光束画像生成部により計算される近似光束の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の一実施形態に係る照明効果再現システムについて説明する。
以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載される。しかしながら、かかる特定の細部がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。他にも図面を簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
本発明の一実施形態における照明効果再現システムは、実物体上に仮想光源による照明効果を再現する再現画像を投影する画像投影部と、仮想光源により再現される実光源と実物体との相対関係及び仮想光源の照射特性に基づき、光束としては再現画像の各画素について仮想光源の直射による光束のみを対応付けた光束画像を生成する光束画像生成部と、画像投影部の出力特性に基づき、光束画像生成部で生成した光束画像を、画像投影部から出力する輝度画像に変換する輝度画像生成部と、を備え、画像投影部は、輝度画像生成部で生成された輝度画像を再現画像として投影する。
【００１２】
本発明の一実施形態における照明効果再現システム１０は、図１に示す通り、例えば、室内に置かれたソファ等の実物体２における、仮想光源１による照明効果を、画像投影部１００から画像を投影することで再現するシステムである。
照明効果再現システム１０は、例えば演算処理機能を有するパーソナルコンピュータ等を含んで構成され、図２に示すように、ユーザ３が図示しないキーボード等の入力装置を操作することにより入力される、仮想光源１の光源情報２００と既知の実物体情報２１０と画像投影部情報２２０とを用いて、画像投影部１００への出力を生成する。
【００１３】
実物体２の表面が拡散反射面の場合、ある２つの照明条件において、実物体２に対する光源や視点の角度がそれぞれ異なっていても、実物体２上での照度分布が双方同じであれば、自己遮蔽による影を除いて、前述の２つの照明条件における反射効果は同等になる。なお、ここでいう２つの照明条件とは、任意の２つの照明それぞれの持つ特性であり、当該特性は、照明の、光色と、配光特性と、実物体２に対する相対的な位置と、角度と、を含む。
照明効果再現システム１０は、例えば、画像投影部１００と、各種情報が格納される記憶部１０１と、光源情報入力部１０２と、画素投影近似領域計算部１０３と、光束画像生成部１０４と、輝度画像生成部１０５と、を備える。
【００１４】
画像投影部１００は、輝度画像生成部１０５により生成される所定の解像度の輝度画像を再現画像として、実物体２に投影する。画像投影部１００は、本発明の一実施形態においては、ユーザ３からの、実物体２上の可視範囲全体に投影できるような位置に置かれる。
記憶部１０１には、光源情報２００、実物体情報２１０及び画像投影部情報２２０が格納される。実物体情報２１０及び画像投影部情報２２０は既知の情報であって、記憶部１０１に予め記憶されている。
【００１５】
光源情報２００は、図３に示すとおり、少なくとも、仮想光源１の配光情報２０１と光色情報２０２と位置角度情報２０３とを含む。
配光情報２０１は、仮想光源１の、光線方向に対する角度と光度との関係を表す情報である。配光情報２０１は例えば、仮想光源１から見た水平角と鉛直角とから、この水平角と鉛直角とから決定される方向の光度を参照できるようにした二次元のルックアップテーブルとして表される。
光色情報２０２は、仮想光源１の光色を表す。光色情報２０２は、例えばｘｙ色度図上の座標で表される。
【００１６】
位置角度情報２０３は実空間座標系上の仮想光源１の位置と角度とを表す。位置角度情報２０３は、例えば４行×４列の座標変換行列で表される。なお、ここでいう仮想光源１の角度とは、実空間座標系上の仮想光源１の中心軸に沿った照射方向を表す角度をいう。
実物体情報２１０は、図３に示すとおり、少なくとも、実物体２の形状情報２１１を含む。形状情報２１１は実空間座標系上における実物体２の形状を示す。実物体２の形状は、例えば、実空間座標系上の点群を結んだ多面体として表される。ただし、実物体２の形状の表現形式は、これに限るものではない。
【００１７】
画像投影部情報２２０は、図３に示すとおり、少なくとも、画像投影部１００の画角情報２２１と位置角度情報２２２と光束輝度関係情報２２３とを含む。
画角情報２２１は画像投影部１００が四角錐状に投射する光束の縦横のそれぞれの角度を示すものである。
位置角度情報２２２は実空間座標系上の画像投影部１００の位置と角度を示すものである。なお、ここでいう角度とは、実空間座標系上の画像投影部１００の中心軸に沿った照射方向を表す角度をいう。
【００１８】
光束輝度関係情報２２３は、画像投影部１００により投影される画像の１画素当たりの、投影される光色及び光束と、この投影される画像上での原色毎の輝度との関係を示すものである。光束輝度関係情報２２３を用いることにより、投影される画像の任意の画素について、光色と光束とから、この画素の原色毎の輝度を求めることができる。光束輝度関係情報２２３は、例えば、光色がｘｙ色度図上の座標で表現されている場合には、光色を表すｘｙ座標と光束とから、各原色の輝度を参照できる三次元のルックアップテーブルとして表される。なお、画像投影部１００は、画素毎の光色や光束のばらつきが、予め抑えられているものとする。つまり、画像投影部１００による、画素毎の光色や光束のばらつきが、画像投影部１００により投影される画像の光色及び光束に与える影響を低減するようにしている。
【００１９】
光束輝度関係情報２２３は、例えば、スクリーン上に投影した場合の、スクリーン上の輝度と入力画像の輝度との関係と、スクリーン上の輝度と照度との関係を連立することで求めることができる。前者の関係は、例えば、「“ＤＬＰプロジェクタ照明下における物体の質感制御”、山本昇志、et al.、日本写真学会誌２００５年６８巻第６号:ｐ510-517.」に記載された方法等を用いることにより算出することができる。後者の関係は、スクリーン上に投影した場合の、スクリーンの位置、スクリーンとプロジェクタとの相対角度、及びスクリーンの反射特性と、から求めることができる。
【００２０】
なお、形状情報２１１及び位置角度情報２２２は、本実施形態では既知としているが、例えば、「“空間コード化法を用いた未校正ステレオシステムによる密な３次元形状復元.”、川崎洋外、情報処理学会論文誌 CVIM15 (2006): 59-71.」に記載されているように、画像投影部１００にカメラを併用することで、形状情報及び位置角度情報を共に求めることができる。
光源情報入力部１０２は、図示しない入力装置を操作することによりユーザ３によって入力された光源情報２００を受け取る。例えば、配光情報２０１と光色情報２０２とは予め所定のファイルに格納されて所定の記憶領域に格納されており、ユーザ３がファイルのアドレスを指定することで、指定されたアドレスから配光情報２０１と光色情報２０２とが読み出されることにより、所望の配光情報２０１及び光色情報２０２を設定することができるようになっている。
【００２１】
また、例えば、図４に示すように、三次元ＣＡＤツールの画面上に、光源の位置と、光源が配置された座標系上の光源の中心軸に沿った照射方向を表す角度とを示す光源モデル３０１と、形状情報２１１を基に生成した実物体２を模した実物体モデル３０２とを表示し、マウスやキーボードで画面上の光源モデル３０１を移動、回転させることで、光源モデル３０１の位置や姿勢を、仮想光源１の位置角度情報２０３として設定することができる。ユーザ３は、光源情報入力部１０２を通じて、記憶部１０１に格納された光源情報２００を随時更新することができる。
【００２２】
画素投影近似領域計算部１０３は、記憶部１０１に格納された実物体情報２１０と、画像投影部情報２２０に含まれる画角情報２２１と位置角度情報２２２とを用いて、画像投影部１００から投影された所定の解像度の画像の各画素が実物体２上に投影された場合に、投影された各画素に対応する画像投影近似領域２３１を、各画素について計算する。つまり、実物体２上に投影される画像投影近似領域２３１の集合を計算する。
例えば、ある画素については、図５に示すように、画像投影部１００の光源の位置から、画素の投影画像の四隅へ伸びる４本の半直線と、実物体２との、４つの交点のなす２つの三角形の組として、この画素に対応する画像投影近似領域２３１を求めることができる。ただし、本発明は画素投影近似領域計算部１０３による推定方法を限定するものではない。
【００２３】
画素投影近似領域計算部１０３は、画像投影近似領域２３１の集合を、画像投影近似領域群情報として、光束画像生成部１０４に出力する。
画像投影近似領域群情報は、例えば、画像投影近似領域２３１の集合がなす格子点(互いに隣接する画像投影近似領域２３１の頂点が共有される点)の実空間座標系上の三次元座標を表す３つの実数値を各画素に格納した画像である。
この場合、投影される画像の縦横の画素数をそれぞれＶ、Ｈとしたとき、画像投影近似領域群情報を表す画像の縦横の画素数はそれぞれ（Ｖ＋１）、（Ｈ＋１）である。
【００２４】
なお、画像投影近似領域群情報は、図２に示す通り、光束画像生成部１０４で画像投影近似領域群情報を用いて演算処理を行う前に、その都度画素投影近似領域計算部１０３において演算するようにしてもよい。ただし、画像投影近似領域群情報は光源情報２００には依存していないため、光源情報２００の一部、又は全てを変更したとしても、すでに演算した画像投影近似領域群情報をそのまま利用することが可能である。そのため、画像投影近似領域群情報は、画素投影近似領域計算部１０３において一度演算したものを記憶部１０１に格納しておき、以後、光束画像生成部１０４では、この記憶部１０１に格納した画像投影近似領域群情報を用いるようにすることも可能である。
【００２５】
光束画像生成部１０４は、記憶部１０１に格納された光源情報２００と、画素投影近似領域計算部１０３により求められた画像投影近似領域群情報とを用いて、画像投影近似領域群情報に含まれる各画像投影近似領域２３１に、仮想光源１から照射される近似光束２５１を求め、各近似光束２５１を表す実数値を所定の解像度の光束画像の各画素に格納する。光束画像の各画素には、各画素に対応する画像投影近似領域２３１に照射される近似光束を表す実数値が格納される。例えば、図６に示すように、画像投影近似領域２３１が複数の副平面領域２３２から構成される場合は、副平面領域２３２毎に副光束を求めて総和を取るという方法がある。この方法では、仮想光源１が電球のような点光源の場合、ある副平面領域２３２に照射される副光束は、例えば、配光情報２０１を用いて、次式（１）から近似的に求めることができる。仮想光源１が蛍光灯のような線光源又は面光源であった場合は、点光源群で近似し、副平面領域２３２毎に、点光源群を構成する各点光源からの光束を求めて総和をとればよい。なお、ここでいう、副平面領域２３２とは、画像投影近似領域２３１が複数の平面から構成されている場合の、当該平面それぞれのことをいう。また、副光束とは、近似光束２５１のうち、各々の副平面領域２３２に照射される近似光束のことをいう。
【００２６】
【数１】
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【００２７】
図６の場合、三角形の平面領域２枚毎に、すなわち、２つの副平面領域２３２毎に上記方法で近似光束を求め、その結果を足し合わせることで、画像投影近似領域２３１への近似光束２５１を求めることが出来る。
なお、（１）式において、仮想光源１から可視である面積の割合「ｃ」は、図６に示すように、例えば、副平面領域２３２の属する画像投影近似領域２３１の４つの頂点毎に仮想光源１からの可視判定を行い、その判定結果の平均をとることで近似的に求められる。この場合、可視判定の結果は、頂点を共有する、隣接する他の画像投影近似領域２３１でも利用することができるため、該可視判定の回数は、所定の解像度の画像の縦横の画素数をそれぞれＶ、Ｈとしたとき、（Ｖ＋１）×（Ｈ＋１）回で済む。
【００２８】
輝度画像生成部１０５は、記憶部１０１に記憶されている光束輝度関係情報２２３及び光色情報２０２を利用して、光束画像生成部１０４において、所定の解像度の光束画像の各画素に対応付けられた近似光束２５１を、原色毎の輝度に変換した所定の解像度の輝度画像を生成する。光束輝度関係情報２２３によれば、輝度画像を画像投影部１００から投影した際に照射される画素毎の光色及び光束は、それぞれ光色情報２０２及び近似光束２５１で近似されている。
画像投影部１００から投射された画素毎の光束は、それぞれ、実物体２上の対応する画像投影領域に照射される。画像投影近似領域群情報によれば、画像投影領域は画像投影近似領域２３１で近似されている。
【００２９】
よって、実物体２上の各画像投影領域上に、仮想光源１の直射によるものとほぼ同等の光束が再現される。すなわち、実物体２上に、仮想光源１の直射によるものとほぼ同等の照度分布が再現される。
実物体２の表面が拡散反射面である場合、仮想光源１と画像投影部１００の光源位置とが異なっていたとしても、直射による照度分布が再現されていれば、仮想光源１による相互反射を含む照明効果が実物体２上に再現される。つまり、相互反射の演算を行わなくとも、相互反射を含む照明効果と同等の照明効果が、実物体２上に再現されることになる。
【００３０】
そして、記憶部１０１に格納された光源情報２００が更新された場合には、光束画像生成部１０４と輝度画像生成部１０５により、光束画像と輝度画像とが再生成され、画像投影部１００の投影内容が更新される。光束画像生成部１０４及び輝度画像生成部１０５は、反射計算を一切行わないため高速に演算可能である。よって、仮想光源１の位置や姿勢の変化等、光源情報２００の更新に際して画像投影部１００の投影内容をリアルタイムに更新することが出来る。
このように、従来、任意の物体上での、プロジェクタによる照明効果の再現の試みにおいては、相互反射を再現するためには、実際の照明効果を予め観測するか、複雑な反射計算を行う必要があったが、本発明の一実施形態における照明効果再現システム１０によれば、反射計算を行うことなく、光束に相互反射を含めた照明効果を再現することができる。
【００３１】
なお、上述のように、本発明の一実施形態における照明効果再現システム１０は、光源情報２００の更新に対して、画像投影部１００の投影内容をリアルタイムに更新することができる。
したがって、例えば、住宅設備の分野において、ショールームと併用することで、ショールームの任意の位置に任意の光源の照明効果を適用することができる。したがって、販売側としては、様々な条件で任意の照明器具の効果を顧客に確認してもらうことができ、顧客の期待する照明効果を生み出せる照明器具を提供することができる。
【００３２】
また、照明効果の計算は本手法により高速に実行されるため、光源の配置を動的に照明効果に反映することができる。
その結果、本発明のシステムが様々な光源に対してインタラクティブに利用できるだけでなく、ミラーボールのような、動く光源にも対応することが可能である。
以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例又は実施形態も網羅すると解すべきである。
【符号の説明】
【００３３】
１  仮想光源
２  実物体
３  ユーザ
１０  照明効果再現システム
１００  画像投影部
１０１  記憶部
１０２  光源情報入力部
１０３  画素投影近似領域計算部
１０４  光束画像生成部
１０５  輝度画像生成部
２００  光源情報
２０１  配光情報
２０２  光色情報
２０３  位置角度情報
２１０  実物体情報
２１１  形状情報
２２０  画像投影部情報
２２１  画角情報
２２２  位置角度情報
２２３  光束輝度関係情報
２３１  画像投影近似領域
２３２  副平面領域
２５１  近似光束
３０１  光源モデル
３０２  実物体モデル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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