解 説

画像情報に基づく質感表現・認知研究の最前線

画像における質感認知の心理物理学的分析
西田眞也

Psychophysical Analysis of Visual Shitsukan Recognition
Shin’ya NISHIDAThis short paper reviews recent advancement in psychophysical study on visual Shitsukan recognition.
I ﬁrst explain the e›ectiveness and current limitations of image statistical approach to gloss perception,then overview investigations of other properties including translucency and liquid viscosity, and discuss
future direction of this research ﬁeld.
Key words: human vision, material perception, gloss

視覚がとらえる物体の質感には，表面の光の反射などのは，人間がどれほど正しく表面反射特性を認識しているか光学的な性質に由来するものと，材質の機械的な性質に由を理解する必要がある．鏡面反射を拡散反射から分離し，1）来するものがある ．心理物理学的な質感知覚研究においその特性を推定することは，簡単な作業ではない．工学的て最も研究が進んでいるのが光沢感で，これは光学的質感な鏡面反射の推定では，表面方位や照明などを変化させた特徴の代表である．本解説ではまず，光沢感研究の流れをり偏光を使ったりできるが，人間が静止対象を眺めている概観し，画像特徴に基づく質感知覚という考え方を説明す状況で使える手段ではない．鏡面反射の完全分離が理論的る．そして，この考え方の有効性と現時点での限界を議論にほぼ不可能な状況で人間は光沢を知覚しているので，物する．後半では，半透明感などの光学的質感，液体粘性感

理的に正しい鏡面反射推定をしているとは考えにくい．人などの機械的質感，そして素材知覚についての研究を紹介

間が間違えるとすればどのように間違えるのか，その間違する．本解説以外に，視覚的な質感に関してはすでにいくいのパターンから人間の光沢感知覚の秘密に迫ることがでつか解説が出ており

2―5），興味のある読者はそちらもご参考願いたい．

きる．
1. 2 光沢感の恒常性の限界
人間が正しく表面反射特性を理解しているかどうかを心

1.

光沢

感

1. 1 鏡面反射と拡散反射

理物理的に調べるひとつの方法は，2 つの物体を見比べて，同じ反射特性かどうかを判断させることである．この

物体表面で光がどのように反射するのかは，ものの質感とき，2 つの物体の間で形状や照明条件を変えることで，を決定する重要な要因である．実際の物体表面の反射は非画素単位で見ると全く異なる画像を比較させる．そのよう常に複雑であるが，近似的には拡散反射と鏡面反射に分解な画像変化を乗り越えて，光沢知覚の恒常性が成り立つかできる．拡散反射は物体表面に入った光が表面との相互作どうかを調べるのである．

用を経てさまざまな方向に出ていく成分であり，鏡面反射

これまでに行われた研究の結果をみると，形状の変化には物体表面で鏡のように正反射する成分である．拡散反射

よって光沢感が相当影響を受けることがわかる6）．照明のに鏡面反射が加わるとハイライトが現れ，それを見た人は変化に関しても，自然照明環境を用いる場合には照明を変光沢感を感じる．

えてもある程度安定した光沢感が得られるが，間違いも生人間がどのように光沢感を感じるかを理解するためにじる7）．照明環境が不自然なものになると，光沢感はさらNTT コミュニケーション科学基礎研究所（〒243―0198 厚木市森の里若宮 3―1） E-mail: shinyanishida@mac.com

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307（ 11 ）では説明できない 15）．強い光沢知覚にはハイライト（周りに弱まる．
このような光沢知覚の特性から，人間の光沢知覚に関わる情報処理は，対象の形状や照明環境を正しく考慮に入れより明るい部分）だけでなくローライト（周りより暗い部分）が重要だという指摘もされている16）．

た逆光学に基づく表面反射特性の復元ではなく，物体像に輝度ヒストグラムで無視される空間要因を考慮に入れる

含まれる画像特徴を利用したヒューリスティックによる推ひとつの方法は，空間周波数のサブバンドのヒストグラム

6，7）．つまり，あらゆる形状やを利用することである9）．初期視覚系の構造を考えても，照明環境で成立するわけではないが，日常の多くの場面で輝度よりサブバンドのヒストグラムの利用を想定するほう

鏡面反射の特徴に相関をもつ画像の特徴があって，人間はが理にかなっている．実際，輝度ヒストグラムではなくサそれを利用して光沢感を得ているのではないかというのでブバンドヒストグラムの特徴量を考慮に入れると，照明環ある．

境の効果 17）や光沢残効 18）がよりよく説明できるという報1. 3 光沢感の画像統計量告がある．また，歪度だけでなく分散も重要な特徴量であ定であることが示唆された光沢感に関わる画像特徴の候補のひとつは，輝度やサブることも忘れてはいけない 9）．

バンドのヒストグラムの形状に関わるパラメーターであしかし，サブバンド統計量で光沢を語り尽くすことがでる．というのは，物体形状の異なる物体の間の光沢感の類きないのも事実である．Heeger と Bergen19）のテクスチャ似性が，輝度ヒストグラムの類似性である程度説明できるシンセシスのアルゴリズムでは，輝度とサブバンドのヒス6）ことが示されたからである ．また，自然物体画像の反射トグラムを保存するかたちで新しい画像を生成する．この特性の機械認識特性や光沢感に対する照明環境の影響の分アルゴリズムを使って，光沢を含んだ画像をもとにして新析から，輝度ヒストグラムや空間周波数のサブバンドヒスしい画像を生成しても，光沢感があるテクスチャーはできトグラムに含まれる画像統計量が，光沢感の有効な手がかない 20）．さらに複雑な Portilla と Simoncelli 21）の生成アルりとなる可能性が示された 8―10）．とくに，ヒストグラムのゴリズムでは，隣接位置や隣接サブバンド感の相関なども二次と三次のモーメントが重要で，分散が大きく（輝度コ保存するが，それでも光沢感の再現はできない．彼らのアントラストが強い），歪度が正である（強い側に長くテー

ルゴリズムは第二次視覚野までの脳内視覚処理を反映するルが伸びる）ことが光沢感の判断と強く相関していることという可能性が示唆されているが 22），そのレベルまでのがわかった．さらに，これらのパラメーターは視覚系初期処理で光沢知覚は完成しないのである23）．また，ハイライにある同心円受容野のような構造で検出可能で，そのようトずれの光沢感に対する効果も，サブバンド統計量だけでなメカニズムを順応させると，予想通りの仕方で光沢知覚は説明が難しい．

9）が変化することが示された（光沢残効） ．

現在，われわれは以下のように考えている．サブバンド
ヒストグラムの特徴抽出は光沢知覚の重要な段階である

1. 4 画像統計量の限界と高次特徴
ただし，輝度ヒストグラムの歪度のような画像統計量がが，それだけでは不十分である．その段階で光沢存在の光沢感と結びついているということは，この統計量の値を証拠が示されても，高次の処理でのチェックで矛盾が生じみるだけで任意の画像の光沢感が予想できるということでれば否定され，反射率変化などの別の知覚解釈が与えらはない点に注意する必要がある．物体表面の同じ画像で歪れる．

度を操作すると光沢感が変化するが，歪度の値がいくら以では，その高次の処理はどのようなものであろうか．

上なら光沢感があるという絶対的な境界値はなく，画像にAnderson らのグループは，ハイライトはシェーディング依存して変化する．また，歪度操作で光沢感がコントローの明るさのピークに近いところにある（明るさの適合），ルできるのは表面反射が拡散成分と鏡面成分の両方を含む

ハイライトの方位はシェーディングの方位とほぼ一致する

場合で，はじめから拡散成分のみだとうまくいかない．凸（方位の適合）という 2 つの条件が満たされることが光沢

凹の拡散反射面に照明光が浅く入射すると輝度ヒストグラ知覚に必要だと指摘した 13，24）．また，ハイライト領域の占ムの歪度が高くなるケースがあるが，そのような場合に人める面積，コントラストおよびシャープネスの知覚が光沢．照明環境の変化

感と強い相関を示すことを示した 25，26）．これらの発見は，による光沢感の変化や 12），光沢残効の一部の現象が 13），定量的な記述や知覚間相関の分析にとどまっているという輝度ヒストグラムの歪度では説明できないという報告があ問題はあるものの，今後の研究方向を示す重要な指摘を含る．さらに，ハイライトの位置や方位をずらすと光沢感がんでいる．

間は光沢感を強く感じることはない

減衰するが

11）

14）

308（ 12 ），この現象も輝度ヒストグラムの歪度変化
光学1. 5 色，両眼視差，運動の手がかり

る．これを表面下散乱という 33）．表面下散乱が生み出す

ここまで，1 枚の静止モノクロ画像からの光沢知覚につ

半透明感は，向こうが透けて見える必要がない 34）．半透いて考えてきたが，光沢の手がかりは色や両眼視差，運動明物体の鏡面反射成分は不透明物体と大差ないが，表面下にも存在する．

での光の散乱によって拡散反射によるシェーディングのプラスティックのような誘電体では，拡散反射成分と鏡コントラストが弱まったり反転したりする．その結果，面反射成分が異なる分光反射特性をもつ．拡散反射は入射シェーディングとハイライトの間に食い違いが起こり，こ光の波長の一部を吸収し，反射の分光特性がその物体の色れが半透明感の重要な手がかりとなる35）．
実際に，シェーを決定する．一方，鏡面反射は照明光をそのまま反射する．

ディングのコントラストを反転させて，鏡面反射像と合成

この物理的な性質を考えると，拡散反射が赤や青で鏡面反すると，簡便に半透明画像を作り出すことができる36）．

射成分が白ということは自然に起こるが，拡散反射成分が透明な物体の重要な質感特徴は屈折率である．透明物体

白で鏡面反射成分が赤や青ということは通常起こらない．の向こうに見える背景のひずみから，人間は屈折率の推定

拡散反射成分が赤で鏡面反射成分が青ということもない．

を行っていることが示唆されている37）．ひずみは透明物体

このような不自然な組み合わせを実際に見ると，自然な光の厚みにも影響されるので，屈折率と厚みの効果を知覚的沢感は感じられない27）．一方，鏡面反射成分が赤や青でに分離することは難しい．

も，物理的に自然な組み合わせである拡散反射と同色ならそのほか，髪の毛のような細かい要素で構成されるテク光沢感は感じられる．このように，人間は光輝部の色が本スチャーのサブピクセルの細かさの判断 38）や，食物など体色と物理的に矛盾していないかチェックして，それがハの新鮮さの判断 39）に用いられる画像特徴量の分析が進めイライトであるかどうかを判断しているのである．

られている．

鏡面成分の両眼視差は，反射している表面の奥行きではなく，映り込んでいる光源の見かけの奥行きに依存する．

3.

液体粘性などの機械的質感

反射面が平面または凸なら反射面より奧に定位し，反射面ここまでは光学的な性質からものの質感を認識するといが凹なら手前に定位する．このため，両眼視差は鏡面成分う話であったが，粘性，弾性，硬度など材質の機械的な性の分離の手がかりを与える．実際に両眼視差を与えること質も，質感知覚の重要なターゲットである．ここでは，液で人間の光沢知覚が促進される

28―30）．また，凸反射面に対体の粘性についての最近の研究を紹介する．

してはハイライトが奧に見えるときに光沢感が強まる．しわれわれは，1 枚の静止画だけから，水のような粘性のかし，凹反射面に体しては本来のハイライトが手前に定位低いものと，ハチミツのような粘性の高いものを視覚的にされたときだけでなく，奧に定位されたときにも光沢感が区別することができる 40，41）．この場合の粘性判断の手がか強まる 28，29）．つまり，両眼に基づく光沢処理は，必ずしもりは形である．液体は特定の形をもたない．しかし，外部正しい幾何光学を考慮に入れているわけではない．

環境との境界面がある統計的な性質をもった形になる．そ

両眼視差と同様の原理で，対象や観測点が運動したときの性質の違いは，曲率やまとまりのよさなどの複数の形状に，鏡面反射成分は表面上のパターンとは別の動きをすパラメーターで精度よく記述できるという報告がある40）．

る．鏡面成分の運動パターンを分析した研究から，運動フ液体の粘性は，動画になるとさらにわかりやすくなる．

ローに含まれるいくつかの特徴量によって，鏡面成分の運形状情報が利用できないようにしたランダムノイズ刺激で動と拡散成分の運動が区別できることが示唆された 31）．

液体の運動場だけを再現しても，液体やその粘性が程度判

さらに，自己受容感覚を含む運動視差による奥行き情報処断できる42）．すなわち，運動場そのものに液体や粘性判断理が，光沢感に関係することも報告されている32）．のための画像情報が含まれている．さらに分析を進める

このように，光沢感は，さまざまな映像手がかりに関わる視覚処理が複合的に関与した産物である．と，液体知覚は運動場がラプラシアンの平均と強い相関を示すことがわかった．これは，運動場の空間的な滑らかさが液体知覚の最大の手がかりとなっていることを示唆して

2.

半透明感など光沢以外の光学的質感いる．一方，粘性判断に関しては，運動場が滑らかである

光は，完全に不透明な物体では表面のごく浅いところでという条件の下，局所的な運動速度の平均が支配的なパラ反射するだけだが，大理石や人間の皮膚など半透明性メーターであることがわかった．これは，粘性が低いもの（translucency）をもつ物体では，表面下に入り込んで別のは早く流れ，粘性が高いものはゆっくり流れるというナところから出てくる光も，画像を形作る重要な成分となイーブな物理法則を，視覚系の液体判断が採用しているこ

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309（ 13 ）とを示唆している．のデータが不可欠である．データの公開や共有，クラウドソーシングを使った心理実験などが鍵となるだろう．

材質の知覚

4.

質感研究で個別問題を扱うと，普遍性がない趣味的研究

英語で質感知覚というと material perception になり，金のように思われる可能性がある．例えば表面の「ほこり属や陶器といった素材の知覚というニュアンスが強くな感」などはかなり面白い質感問題だと思うが，その重要性

る．材質の知覚は高次の推論と考える向きもあるかもしれはなかなかわかってもらえないだろう．サイエンスとしてないが，ごく短時間の刺激提示でも素材判断は可能であは，単に特定の画像特徴と質感との対応づけを行うだけで43）

る ．素材の知覚は，光沢や透明度，粘性などのさまざまなく，そこから質感知覚の普遍論理のようなものを導き出な質感特徴を統合した結果として成立するのかもしれない

したい．その普遍論理は，基本特徴抽出から基本表面反射44），素材に特異的な画像特徴に基づいて直接的に素材要素への分解のようなエレガントな計算方式かもしれないを認識している可能性も否定できない．また，素材の知覚し，生に近い画像要素とさまざまな質感との巨大なルックが質感特徴の判断に影響する可能性もある．

アップテーブルをもつということかもしれない．この問題

が素材に関する情報は視覚だけでなく，聴覚や触覚からもを考えるにも，機械認識との相違を分析することは有効な得られる．視覚的な見かけとその物体を叩いたときの聴覚方法だろう．また，画像特徴と質感の関係がどのように獲的な音をさまざまに組み合わせた視聴覚刺激に対する素材得されたのかを理解する必要がある．その意味では，質感判断から，各モダリティーで独立に推定されたある素材らの発達 47）や学習 48）の理解が重要となるだろう．

しさの積をとるような，視聴覚の素材らしさが決定していることが示された 45）．これはマガーク効果などの説明に用いられるファジー論理モデル 46）と類似しており，理論的に最適な情報統合のひとつの形である．
視覚心理物理学にとって質感研究は，サイエンスとしても応用研究としても昨今注目を集めている．しかし，世間の期待に応えるような成果が十分に上がっているとはいえない．質感研究は難しいと思われているし，実際に難しい．本解説の最後に，質感研究の難しさを乗り越えるという観点から，今後の研究展望を述べたい．
これまでの視覚心理物理の典型的な方法論は，体系的に操作された刺激パラメーターと被験者のひとつまたは少数の反応との関数関係を明らかにして，刺激と反応を繋ぐ情報処理を推定するというものであった．一方，質感研究の場合，光学的な質感特性の物理原因とされる BRDF やBSSRDF は複雑で高次元である．また，実物を使うにしろCG を使うにしろ刺激の作成は大変で，刺激選びにもあまりに多くの自由度が残されている．知覚される質感も複雑で，どのような空間で記述するのが妥当なのか明確でない．未知の高次元の刺激空間と未知の高次元の知覚反応空間を結び付けなければならないところに質感研究の本質的難しさがある．この問題を解決するには，古典的な心理物理学の枠組みを超えて，機械視覚，機械学習，コンピュテーショナルフォトグラフィー，データマイニング，神経デコーディング，感性工学などで培われてきたノウハウを貪欲に取り込んでいく必要がある．また，有効な解析をするためには，大きな刺激セットに対する多次元の質感判断
310（ 14 ）

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（2014 年 2 月 13 日受理）

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