建築 VR 空間の再現性に関する課題
照明光の分光分布と物体の分光反射率について
上原
1. はじめに光太

Mitsuba や RADIANCE などに限られている。建築分野

近年のデジタル技術およびバーチャルリアリティでよく用いられるソフトとして Twinmotion や Lumion

技術(以下 VR 技術と称す)の発展に伴って、商用分野がある。これらのソフトではあらかじめ用意されたデおよび研究分野において、それらが積極的に取り入れータを用いてテクスチャの設定を行うため、測定したられている。商業分野では、VR システムを用いて空間データを用いることが出来ないため、現実空間の忠実イメージの共有を行う際などに用いられており、研究な再現を行うことが出来るとは言えない。また、多く分野では、現実空間を再現し、様々な条件を VR シスのソフトは物体色の設定を RGB 値によって行うため、テム上で反映させた実験研究などに用いられている。

測定データから RGB 値を計算する必要がある。しか研究分野で VR システムを用いる場合は、商業分野よし、この方法でも光源の分光分布と物体の分光反射率りも精度の良い再現が求められる。しかし、オフィスを考慮したことにはならないため、現実に忠実な再現や会議室などの空間を再現する際に、ヘッドマウントが出来ているとは言えない。

ディスプレイ（以下 HMD と称す）が表示可能な輝度レンダリングで色の計算を行う際には N-step 法が用およびダイナミックレンジが限られているため、例えいられる。N-step 法では、通常連続的な光源の分光分ば昼光が差し込むような、輝度のダイナミックレンジ布や物体の分光反射率を N 個の帯域に分割し、各帯域がディスプレイよりも大きい空間は再現できない。の分光反射率の平均値を用いて計算を行う。例えば物色の再現を行う場合では、光源の分光分布および物体の色を RGB 値で設定した場合、R,G,B の 3 つの帯域体の分光反射率または分光透過率を考慮する必要があによって色を考慮したことになるため、N=3 となる。

る が 、 そ れ を 考 慮 で き る ソ フ ト は Mitsuba やこの方法では、N＝9 以上の時で色の再現は正確に行う

RADIANCE などに限られる。

ことが出来ると Alexa らによって結論されている 4)。

VR 建築空間の再現や VR 空間での照明シミュレー

Blender や DIAlux といったレンダリングソフトを用ションを行う際に、ディスプレイ上で現実空間と同じいた場合では、光源からの光の量の設定を行う際に用ダイナミックレンジは再現できない。また、色の現実いる物理量は異なる。DIAlux では標準比視感度であるに忠実な再現も出来ていない。ダイナミックレンジに光束を用いて設定を行うが、Blender では放射量を用いついての課題は技術的に解決可能と考えられる。一方る。このように扱う物理量が違うため、光源からの光で、色の再現性についての課題および解決策についての量を同じに設定出来ず、異なるソフトで同じ画像刺は明らかではない。そこで、本研究では現存する色の激を作成することは難しい。

再現を行う際に、光の計算を行うレンダリングソフト

レンダリングの方法には、計算に用いるレンダリンを用いて、色についてシミュレーションを行い、VR シ

グ方程式の違いから様々なレンダリング方法がある。

ステムを用いる際の色の再現性についての課題を明ら画像作成の際に、一般的に用いられるレンダリング方かにした。

法として、Mitsuba で使用されるパストレーシング注１)
や、Blender の Cycles で使用されるレイトレーシング注2)

2. 照明研究における VR システムの課題がある。ゲームなどのリアルタイムでのレンダリン

VR システムを研究に用いる場合、提示する画像刺グが要求される場合では、レンダリング方程式を簡略激の作成では、建築空間のモデリング、照明計算、照化することでレンダリングにかかる時間を短くしたラ

明された建築空間のレンダリングが必要である。建築

スタライズ方式注 3)が用いられており、Blender の Eevee

空間のモデリングでは材質ごとの色や粗さなどを決定

ではこれが用いられる。また、ラジオシティ方式注 4)ですることでテクスチャの設定を行う。実空間の再現をは、陰影などについてさらに現実空間に忠実な再現を行う際には、分光分布や分光反射率などは測定データ行うことが出来る。しかし、レンダリング方程式がかを用いることが好ましいが、それが出来るソフトはなり複雑なため、単に画像刺激を作成する場合でもあ41-1

まり用いられていない。今後、VR システムを用いて建80

築空間を評価する際にはリアルタイムでレンダリングを行う必要がある。しかし、ラスタライズ方式による

b*60

レンダリング画像は、現実空間を忠実に再現しているとは言えない。そのため、少なくともレイトレーシン

40

グによるリアルタイムレンダリングを可能にする性能20がコンピューターに求められると言える。
レンダリングされた画像を VR システム専用のディ0スプレイを用いて表示する方法の他に、スマートフォ-60ンを HMD の代わりとして用いて、VR システムで表示-40-200204060a*80-20されるような動画を再生し、疑似的な VR 空間を表示方法がある。この方法を用いることで、レンダリング-40にかかる時間の問題は一部解決可能である。
他にもディスプレイの色の再現度に関わる要因と-60しては経年劣化による性能の衰えが指摘されている 4)。
以上のことから、照明環境を VＲ空間で再現する際

図1

v-LED
b-LEDD55

4 色票の色度の理論値には測定データの適用方法、レンダリング方法およびディスプレイの性能といった条件を考慮しなければな同じ分光反射率を持つ均等拡散面を用意してレンらない。本研究では、それぞれ考慮できる条件の異なダリングを行った。レンダリング画像から、画像中央るソフト 3 種(Mitsuba、Blender および DIAlux)を用い部の 200×200 の範囲を切り抜いて RGB 値の平均を求て、色の再現性について検証を行った。

め、sRGB の規格に従って行列変換を行い、三刺激値ＸＹＺを計算した 7)。

3. 色の再現性に関するシミュレーション

その後、先ほどと同じ色空間上の色度を計算した。作

3.1

成した画像を図 2 に、図 3 に Mitsuba による計算結果

Mitsuba を用いた物体色の再現

特殊演色性評価数の計算に用いられる色票のうち、を示す。

R9、R10、R11、R12 を用いて色のシミュレーションを

図 1 と図 2 より、理論値と Mitsuba による計算では、行った。色票の色度を L＊a*b*空間上で表した。L*a*b*色両者の色の見え方の違いはほとんど見られないことが

*＊ ＊

*

空間では L*は明度、a b は色度(a 正方向は赤、a 負方*分かる。しかし、R12 の色票については Mitsuba の方*

向は緑、b 正方向は黄、b 負方向は青) を表している。

が理論値と比べて、全体的にやや紫色に近づいている

光源は色温度が 5500K の紫色 LED 励起型白色光源(以ことが分かる。

下 v-LED と称す)と青色 LED 励起型白色光源(以下 b-検証より、演色評価についての結果は Mitsuba を用LED と称す)、および標準イルミナント D55 とした。

いて作成された建築 VR 空間と現実空間とでほぼ同じ

LED 光源の測定データは 1nm ずつであるが、標準イル結果を得ることが可能であると言える。

ミナントの分光分布は 5nm ずつであるため、1nm ずつに線形補完をして計算を行った 8,9)。計算は 380nm～780nm の 401 個の値を用いて行ったため、N-step 法において N＝401 で計算を行ったこととなる。各色票の計算結果を図 1 に示す。
Mitsuba はパストレーシングによって物理的に正確なレンダリングを行うソフトとされる。また分光分布と分光反射率または分光透過率を考慮できるため、理論値による 4 色票の色度と Mitsuba での計算による色度とを比較し、Mitsuba が各色票をどの程度現実に忠実な再現を行うことが出来るのかを検証した。
Mitsuba 上で簡単な部屋と R9,R10,R11,R12 の色票と図241-2

Mitsuba で作成した画像

Mitsuba で計算した 4 色票の色度

図３3.2

図5

Blender による物体色の再現

3.3

Blender で計算した 4 色票の色度

DIAlux による物体色の再現

Blender は分光分布や分光反射率を考慮できない。そDIAlux では光源の分光分布をあらかじめ用意されのかわりに光源色は色温度によって設定を行い、物体ているものの中から適用することが出来る。しかし、色は RGB 値によって設定する。また、Blender ではカ分光反射率および分光透過率は考慮できない。また、ラーマネジメントの際に用いられるγ値を考慮できる。

γ値についても考慮できない。レンダリングはレイト

Blender にて Mitsuba の時と同様の画像を作成し、4レーシングによって行う。光源の分光分布の設定は、色票の色度を計算した。ただし、青の色票は RGB 値のDIAlux 内の 5500K の青色 LED および同じ色温度のプラR の値が負となるため、0 として設定した。レンダリ

ンク 放射 体( 黒 体 放 射) を 用い た。 物 体 色 の 設定 はングは Eevee と Cycles の両方を用いた。作成した画像

Blender と同様に、RGB 値によって設定を行った。作成を図 4 に示す。図 5 に Blender による色票の色度を、した画像を図 6 に示す。図 7 に DIAlux による 4 色票

標準イルミナントを用いた際の理論値の計算結果を合の色度を、標準イルミナントを用いた際の理論値と合わせて示す。

わせて示す。

図 5 よりレンダラーによる色の違いが出ることが分

DIAlux でも Blender と同様に、光源の分光分布によかった。理論値に近いのは Cycles となっていることかる色の違いがほとんど反映されないことが分かった。

らレイトレーシングを用いてレンダリングを行う方がまた Mitsuba、Blender にくらべて理論値からの色ずれラスタライズ方式を用いたときよりも色は忠実に計算も大きい。γ値での補正を行ってないことが要因の一できるといえる。

つとして考えられる。

色ずれは大きくないものの、黄色については Mitsuba

以上のことから、DIAlux を用いて VR 建築空間の再の時と同様に黄緑の方向にずれている。

図4

現し、研究を行うには適していないと考えられる。

Blender で作成した画像

図641-3

Blender で作成した画像

謝辞
本研究にあたって九州大学システム情報科学研究院の岩口尭史助教に多大なるご協力をいただいた。ここに感謝の意を表す。

注1) パストレーシングとは視点からランダムな方向にいくつかの光線を飛ばし、反射や透過を繰り返して光源にたどり着いた光線について計算を行うレンダリング方式。一画素ごとに計算を行うため画質が高いのが特徴。
3)レイトレーシングとはパストレーシングで行った方法を光源から光線を飛ばすことで行うレンダリング方式。
2) ラスタライズ方式とは物体面を全て三角形の面に置き換えて、それを一つずつ 2 次元画像に変換するレンダリング方式。計算は速いが反射や屈折を考慮するには向いていない。
4)

図7

DIAlux で計算した 4 色票の色度

ラジオシティ方式とは光源からの光線を追跡し、物体表面で拡散反射した光線が他の物体を照らす現象を再現できるもの。より現実に近い再現が可能だが、計算に時間がかかる。

4. おわりに本研究では VR 建築空間を再現する際に生じる課題

参考文献の整理、および色の再現についてのシミュレーション

1)

大田登：色彩工学 第 2 版,東京電機大学出版局,を行った。

2)

山本竜也，三宅博行，山口秀樹，吉澤望：建築内部空間にお(2001)

Mitsuba によって分光分布と分光反射率を考慮してける光・視環境を考慮した開放感の定量評価研究, 日本建計算を行った場合でも、理論値と比べると色の再現が築学会環境系論文集 第 86 巻 第 783 号, pp451-461, (2021)

上手く出来ていないことが分かった。、光源の分光分布3)Fedaa, A-A., Kent, M. Christopher, B., John, C. and Yupeng, W:の差によって生じる色の違いについても Mitsuba によDeveloping an Innovative Method for Visual Perception

るレンダリングでは理論値ほどの差は生じず、また赤Evaluationと青については色度の変化の仕方も異なることが分か

doi:10.1016/j.buildenv.2019.106278, (2019)

った。

4)

ina

Physical-Based

VirtualEnvironment

Alexa I., Ruppertsberg. and Marina, B ： Creating physically

Blender によるレンダリングでは、レイトレーシング

accurate visual stimuli for free: Spectral rendering withとラスタライズ方式とを用いてシミュレーションを行

RADIANCE Behavior Research Methods 2008, 40 (1), pp304-

い、レンダラーの違いによって色の差が生じることが308 doi: 10.3758/BRM.40.1.304, (2008)

明らかとなった。

5)

Mehlika, I., Martin, B., and Edward, C ：SPECTRAL

DIAlux を用いたシミュレーションでは分光分布をDAYLIGHTING SIMULATIONS: COMPUTING CIRCADIAN

考慮できるものの、色度は変わらないことが分かった。

LIGHT,University of Washington, Department of Architecture,

また、理論値からの色ずれもとても大きいため DIAlux

Seattle, WA, USA 2ZGF Architects, Seattle, WA, USA

では実空間に忠実な再現することは難しい。

6)

Aicha,D-K., Priji, B.,

Stanislav D., David, G-M., Alstan, J.,

分光反射率を RGB 値に変換する際に青色におけるMartine, K., Tao, L, Gunther, S., Mario, T., Taoning ,W., Gregory

R の値が負となった。そのため、R12 のような青い色

J., and Ward, J-W：Spectral sky models for advanced daylightの設定は RGB 値で正確に行うことが出来ない。また、

simulations, T61.C.3 – A Technical Report of Subtask C doi:

Blender ではカラーマネジメントでも用いられる γ 値

10.18777/ieashc-task61-2021-0005, (2021)の補正が可能であったが、DIAlux ではできないことも7)

色度が大きく変わった要因と考えられる。

犬井正男：色度図の着色

東京工芸大学工学部紀要 vol.36

No.1,pp55-62, (2013)

VR 建築空間は今後も商用や研究など様々な場面で8)用いられるが、その際に色についての再現性は現状で

JIS Z 8720:2012, 測色用の標準イルミナント（標準の光）及び標準光源は高くないことを考慮する必要がある。

9)

41-4

JIS Z 8781-3:2016, 測色－第３部：ＣＩＥ三刺激値