招待講演
H525aIX01

レーザー学会学術講演会第 38 回年次大会講演予稿集

大規模計算機合成ホログラムによる３次元立体画像― 近年の進展 ―Three-Dimensional Imaging by Large-Scale Computer-Generated Hologram: Recent Topics
松島 恭治 (関西大学)
Kyoji Matsushima (Kansai Univ.)
はじめにBrothersの展示
2010年は 3Dテレビ元年と呼ばれる．しかし，映画館やテーマパークを除き，テレビやコンピュータモニタ，ゲーム機等では 3D 技術が普及したとは言えない状況である．これは，従来の3D 技術が両眼による奥行き感覚である両眼視(b)差と輻輳を刺激する一方，単眼で奥行き感が得 (a)られる調節や運動視差は刺激しないため，観察
図 1 MIT ミュージアムに展示された大規模 CGH，距離の短いディスプレイでは特に奥行の感覚‘Brothers’．(a) 再生像 8)と(b) 展示の様子．の矛盾が生じ，強い違和感や疲労感が生じることが大きな要因であると考えられる．
億画素で形成されている理由である．
一方，半世紀以上の歴史を持つホログラフィ技
従って，高品質コンピュータホログラフィにお術では，光波そのものを再生するためこのようなける各種の手法はこの規模の画素数を前提にし問題が生じない．旧来型のホログラフィ技術はアたものでなければならない．
ナログ写真技術であったが，近年では，コンピュ
3. ポリゴン法とレンダリング技術
ータホログラフィ技術の発達により，40 億画素
CG と同様のモデルで与えられた物体からの光を超えるような大規模な計算機合成ホログラム
波を計算するにあたって，多くの研究者は点光源(Computer-Generated Hologram; CGH)が作成可能法を用いるが，点光源法は一般に大規模 CGH でとなっている 1-7)．これらの大規模 CGH では，深は計算が遅すぎる問題がある．そこで筆者らは，
い奥行の 3D シーンが自然な運動視差を伴って再独自に開発したポリゴン法を用いている 9)．
生され，その品質は従来の光学ホログラフィに比ポリゴン法の提案当初は，単純な拡散面のフラ肩するまでになっている．そのため，筆者らがットシェーディングのみが可能であったが，その2012 年に製作し，「Brothers」と名付けた 260 億画
後，図2に示すように，フォンの反射モデルに基素規模の CGH は，図 1 に示すように，マサチュ
づく鏡面のフラットシェーディングや 2)，拡散面ーセッツ工科大学博物館(MIT ミュージアム)にてのスムースシェーディングとテクスチャマッピ
展示1されるまでになっている 8)．
ング 5)，鏡面のスムースシェーディングなど 7)，
本稿では，最初の大規模 CGH の発表以降の技術の進展について，筆者らの研究を中心に述べる． 様々なレンダリング手法が発達している．
1.

コンピュータホログラフィにおける空間バンド積問題
信号理論でよく知られるように，空間サンプリ
ング間隔x，サンプリング数 N の離散信号の空間的広がりは Nx，バンド幅は 1/x で与えられる．従って，その積はサンプリング数 N となる．
コンピュータホログラフィでは，空間的広がりは画像サイズ，バンド幅は視域角(視点を動かして3D 映像を観察できる範囲)になるため，これらの積がピクセル数に比例する．そのため，大サイズで広視域の CGH は必然的に大規模な画素数を有する必要がある．これが，上述の Brothers が 260
2.

隠面消去問題
観察視点の変化に伴って像が変化する運動視差では，前方の物体が後方の物体を覆い隠し，視差変化に伴って隠れた面が出現したり消えたり4.

(a)

この展示は，2012-2015 年の間は CGH の貸与の形で行われたが，その後 CGH を MIT ミュージアムに正式に寄贈した．
1(b)

図 2 ポリゴン法における鏡面レンダリング．
(a)フラットシェーディング 2)とスムースシェーディング 7)．

招待講演
H525aIX01

レーザー学会学術講演会第 38 回年次大会講演予稿集するオクルージョンの処理が決定的に重要である．これは，CG における隠面消去とほぼ同様の問題である．
最初の大規模 CGH では，このオクルージョンは物体単位のシルエット法によって近似的に処理されていた 1)．しか (a)Red LED(b)し，この簡易手法では物
図 3 スイッチバック法によってオクルージョン処理された大規模 CGH6)．
体モデル自体にある自(a) 全体像と(b)クローズアップ写真．
己オクルージョンを処理できないという問題
hologram created by the polygon-based method,”
Appl. Opt. 48 (2009) H54.
点があった．この問題については，ポリゴン単位
2) H. Nishi, K. Matsushima, S. Nakahara,のシルエット遮蔽を高速で処理するスイッチバ“Rendering of specular surfaces in polygon-based
ック法が登場して解決されている 6)．図 3 はこのcomputer-generated holograms,” Appl. Opt. 50
手法で作成された CGH の例である．
(2011) H245.
3)
K. Matsushima, Y. Arima, S. Nakahara,
5. フルカラー大規模 CGH“Digitized holography: Modern holography for
一般に 2 次元干渉縞を描画することで作成す
3D imaging of virtual and real objects,” Appl. Opt.
る CGH では色収差による激しい色にじみが生じ
50 (2011) H278.
るため，白色光では再生できず，単色のカラー再
4) 松島恭冶, 中原住雄, “ポリゴン法による 100生となる．そこで，図 4 (a)に示すように，干渉縞億画素規模の超高解像度コンピュータホロを空間分割して 3 原色に対応する波長で計算し，グラムの作成,” レーザー研究 40 (2012) 18.
分割した干渉縞に対応する RGB カラーフィルタ
5) K. Matsushima, H. Nishi, S. Nakahara, “Simpleを装着することにより，(b)に示す通り大規模
wave-field
renderingfor
photorealisticreconstruction in polygon-based high-definition
CGH のフルカラー再生に成功している 10)．
computer holography,” J. Electron. Imaging 21(2012) 023002.
6. まとめ6)
K. Matsushima, M. Nakamura, S. Nakahara,
最初の大規模 CGH 作成以来，10 年近くが経過“Silhouette method for hidden surface removal in
した．レンダリング技術やカラー化技術が大きく
computer holography and its acceleration using
進展したが，観察を阻害する共役像や照明光源のthe switch-back technique,” Opt. Express 22
問題など未解決の問題も多く，今後はこれらの問(2014) 24450.
題と取り組んでいく必要がある．
7) H. Nishi, K. Matsushima, “Rendering of specular
謝辞
本研究は日本学術振興会の科研費(15K00512)，および文部科学省私立大学戦略基盤研究形成支援事業(平成 25 年～平成 29 年)の助成を受けたものである．
参考文献
1) K. Matsushima, S. Nakahara, “Extremely
high-definition full-parallax computer-generated
干渉縞パターン

RGBカラーフィルタ

フルカラー
再生像

(a)

curved objects in polygon-based computerholography,” Appl. Opt. 56 (2017) F37.
8) K. Matsushima, S. Nakahara, “Stepping closer tothe perfect 3D digital image,” SPIE Newsroom (6Nov. 2012). doi:10.1117/2.1201210.004526
9) K. Matsushima, “Computer-generated hologramsfor three-dimensional surface objects with shadeand texture,” Appl. Opt. 44 (2005) 4607.
10) Y. Tsuchiyama, K. Matsushima, “Full-colorlarge-scaled computer-generated holograms using
RGB color filters,” Opt. Express 25 (2017) 2016.

白色照明光

10.4
cm(b)

図 4 カラーフィルタ方式のフルカラー大規模 CGH10)． (a)原理と(b)再生像．