3 次元画像コンファレンス 2013 講演論文集, P-8, 97-100(2013.7.5).

コンピュータホログラフィのためのレンダリングソフトウェアツールの開発
Development of Rendering Software Tools
for Computer Holography
村田峻平 1

松島恭治 1

中原住雄 2

Shumpei Murata1

Kyoji Matsushima1

Sumio Nakahara2

1

関西大学 システム理工学部 電気電子情報工学科

1

Department of Electrical and Electronic Engineering, Kansai University
2

関西大学 システム理工学部 機械工学科

2

Department of Mechanical Engineering, Kansai University

ABSTRACT
Computer holography is the technology that reconstructs object fields numerically synthesized or captured by digital holography.
Computer holography is also expected to be currently a new digital art and finally the perfect digital 3D technology. However, in thecurrent stage, artists and designers, expected as potential creators of hologram works, need deep knowledge in optics andprogramming skills in order to design 3D scenes and calculate the object fields for the scenes. To ease this situation, software tools
are developed for scene design and numerical synthesis of the object fields. These tools are called rendering tools in this paper. Theinteractive design tool included in the tools is easy to use for any non-expert to design 3D scenes and capable of saving theparameters of 3D scenes and object fields as a generic XML format. This system is expected to provide wide software basis incomputer holography and useful for developments of rendering engines for various purposes and novel algorithms. We report thesystem architecture and the current state of the development.

Keywords:

計算機合成ホログラム，CGH，コンピュータホログラフィ，レンダリング，ソフトウェアツール

1. はじめにのある材質感を持つ鏡面性表面をレンダリングした“The計算機合成ホログラム(CGH)を作成するためには，

Metal Venus I” [4]や，テクスチャマッピングと，スムーズ

一般にまず数値モデルで与えられた物体モデルからのシェーディングを用いた“Shion” [5]，滑らかでかつ光沢光波を計算しなければならない．我々はこの過程を物のある鏡面性曲面のレンダリング手法を用いた “The体光波数値合成と呼んでいる．高品質のホログラムでMetal Venus II” [6]などの様々なホログラムが製作されは，合成する物体光波のサンプリング数は数 10 億点以ており，CGH の表現力の向上が図られている[7]．その上になるため，従来，この合成には長い計算時間を要

結果，MIT ミュージアムにおいて“Brothers”が展示されしていた．しかし，ポリゴン法[1]により実用的な計算時るまでに至っている[8, 9]．

間で超高解像度の全方向視差 CGH の作成が行われる

また，レンズレス合成開口デジタルホログラフィを用いようになってきている[2,3]．近年では，金属のような光沢て高密度大面積で記録した実在物体光波と，コンピュータ上で合成された仮想物体光波が同じ 3D シーン中村田峻平で再生される“Bear II”も製作されている[10]．この技術<murata@laser.ee.kansai-u.ac.jp>

では従来の光学ホログラフィとは異なり，デジタル的に関西大学システム理工学部電気電子情報工学科記録された光波を仮想光学系で数値的に処理すること〒564-8680 大阪府吹田市山手町3-3-35

で物体像の拡大や縮小編集も可能である[11]．このよう

TEL 06-6368-1121(内線 5722)に，CG モデルの仮想物体だけではなく，デジタル画像

3 次元画像コンファレンス 2013 講演論文集, P-8, 97-100(2013.7.5).
や実物体の光波，多視点画像などの様々な素材を組ーン中に配置し，光波ベースでデジタル編集することで，み合わせ，光波ベースでデジタル編集して CGH を作成

仮想と実在の物体が混在するようなホログラムが作成でする技術を，我々はコンピュータホログラフィ(CH)と称しきる．ている．

3.

レンダリングソフトウェアツール

3.1.

ツールの概要しかしながら，このような CGH 作品を制作する際にベースとなるポリゴン法[1]やシルエット法[12]は，点光源レンダリングソフトウェアツールは，CGH を作成するた法に比べ原理が複雑で実装は容易ではない．そこでめの GUI ソフトウェアツールである．本ツールは，扱いCH の研究推進のため，上記のような計算手法を実装し易いユーザーインターフェースを有し，3D シーンを構たツールとして WaveField Tools が公開されている[13]．

成する素材を配置/編集することでインタラクティブに 3D

このツール群の中には，CGH 計算に必要な仮想物体シーンをデザインし，その光波を数値合成できる．これ

光波の合成や伝搬計算を容易にする WFL/PSL と呼ばにより，ホログラムに関する若干の知識のみで CGH 物

れる C++クラスライブラリが含まれており，初歩的な C++

体光波を計算できる．

言語の知識があれば，容易に光波数値合成することが3.2.

可能である．
このように，CGH の計算速度や表現力の向上に伴い，前述した現状の問題点は主に以下のようになる．
3D シーン自体をソースプログラムにハードコーディ

従来のコンピュータグラフィックス(CG)に近い自由な表現を行うことが可能になりつつあるが，一般に研究者はCGH 制作の問題点とツールへの要求事項ングする必要がある．


計算手法とシーンのデザイン情報が一体となってデザイン能力に乏しく，CGH でアートと呼べる程の作品いる．

を制作することは困難である．そのため，CH の分野にこの問題を解決するためのツールへの要求事項は以デザイナやアーティストの参加が待たれている．しかし，下のようになると考えた．

現在のツール群ではホログラムの 3D シーンをプログラA)シーンのデザインが簡単にできる．

ムとして記述する必要があり，プログラミング技術を持たB)デザイナが使うツールであるが，シーン情報は研ないデザイナやアーティストにとっては作品制作の技術的ハードルはかなり高いものがある．また 3D シーンの構成や設定をハードコーディングするため，3D シーンそ究者とも共有ができる．
C)

シーンデザインとは独立して，レンダリング手法や計算手法の開発ができる．のものをデータとして保存，編集することが難しいという要求事項 A)についてはホログラムのシーンを CG で表問題もある．

現しシーンデザインを GUI で操作することで，B)はシー

そこで本研究では，デザイナやアーティストでも容易ン構成を定義した XML ファイルを出力することで，そしに CGH 作品を制作可能とするため，GUI アプリケーショて C)は XML 入出力をクラスライブラリ化して研究用プロンとしてインタラクティブに 3D シーンをデザインし物体グラムからも利用可能にすることで，これらの要求事項光波数値合成を行えるレンダリングソフトウェアツールのMulti viewpoint Image(Back Ground)開発を行っている[14]．本報告では，その全体のシステ
ム設計や機能，現時点での開発状況を示す．

2.

2D Image(Photo, Painting)

コンピュータホログラフィの 3D シーン
Fig.1 はコンピュータホログラフィの 3D シーン例を示している．コンピュータホログラフィの 3D シーンは，ポリゴンメッシュ等の数値モデルであらわされる 3 次元物体，写真・イラスト等の 2 次元のデジタル画像，さらにはデジタルホログラフィ技術でキャプチャされた実物体光波や多視点画像などの素材から構成される．これらを 3D シ

Real Object Fieldz

3D model(Virtual object)
Hologram
Fig.1 The typical 3D scene in computer holography.

3 次元画像コンファレンス 2013 講演論文集, P-8, 97-100(2013.7.5).
を満たしている．

3.3.

Xml Files(Scene Data)

Researcher

Xml Scene Library

Programing

Designer

会話型デザインツールの構造と機能

会話型デザインツールは，レンダリングソフトウェアツールの中核をなすツールである．本ツールの構造を
Fig.2 に示す．デザイナは GUI の操作により素材をシーInteractive
Design Tool(GUI)

Various Rendering Engine

ンに追加し，シーンデザインを行う．本ツールでは，シーンの構成要素をリスト表示し，そのサイズ，傾き，レンダリングパラメータ等を変更することができるように設計

Built-inSynthesizing
Program

している．また，デザイン中のシーンを確認できるように

GPU Rendering Engine
Many-Core Rendering Engine
Computer Cluster Rendering Engine
Real-Time Engine for Electro-Holography
Novel Algorithm 1 (Under-development)
Novel Algorithm 2 (Under-development)…

CG によるシーン表示ができる．なお，CG モデルやデジタル画像といった素材そのものの編集は，CG モデラー
Object Fieldやペイント/リタッチなど従来のアプリケーションで行うこと

Fig.3 Architecture of Integrated CH rendering system.

を前提としている．
デザインされたシーンの光波は，ポリゴン法とシルエ

WaveField Tools の WFL/PSL を光波数値合成計算に使ット法をベースとして数値合成される．しかし，デザイナ用するためである．

はこれを意識する必要はなく，シーンデザインのみに集

3.5.

シーンと光波の構成データ中できる．また前述のとおり，シーンや光波(ホログラム)

本ツールで保存される構成データには，大きく分けて，の設定データを XML 形式で保存/読込できるため，シ合成される物体光波のパラメータとシーンの構成要素ーンデザインの中断/再開も容易であり，一度構成した(コンポーネント)，および構成要素のパラメータがある．

シーンを再利用可能である．さらに，プレーンテキストで物体光波のパラメータは，サンプリング数やサンプリンある XML ファイルがシーンに関するすべてのパラメー

グピッチ，波長などである．シーンの構成要素の素材にタを保持しているため，それを閲覧したり他のソフトで利ついては次のものがある．

用したりすることが容易である．

ポリゴンメッシュ 3D データ

3.4.

デジタル画像

これらの機能を実装するにあたりプログラミング言語と

光波複素振幅分布(実物体光波)

して C++/CLI を用い，Microsoft の.NET Framework を

多視点画像ツールの開発環境利用して実装している．C++/CLI は C++を拡張した上これらのパラメータは素材によって異なる．例えば，素位互換言語であり，従来の C++クラスライブラリ等が利材がポリゴンメッシュ 3D モデルの場合は，その物体の用 可 能 で あ る ． こ れは ， C++ ク ラ ス ラ イ ブ ラ リ で あ る

名前やポリゴンメッシュデータのファイルパス，シーン中での位置，大きさ，回転情報，シェーディングの設定なCG modeling
SoftwareDesigner / Artist

ConventionalSoftware Tools Paint/Retouch
Software

どがパラメータとして保持されている．このようなシーン
Componentて入出力するライブラリを開発し，会話型デザインツールに用いている．

Interactive Design Tool
GUI
Dialog Paneletc.
Scene Viewerby CG

データを定義し，そのシーンデータを XML ファイルとしScene Component Data

3.6.

XML シーン入出力ライブラリを用いた統合的なレンダリングシステム

Input / Output
Xml Format

RenderingEngine

Xml Files

Object Field

前述のとおり会話型デザインツールの中で XML シー
ンデータの入出力を行う部分は独立したライブラリとなっている．これは，Fig.3 で示すように，会話型デザインツールを単にデザイナ向けのツールとするだけでなく，Fig.2 Structure of interactive design tool.

3 次元画像コンファレンス 2013 講演論文集, P-8, 97-100(2013.7.5).

Fig.5 Simulated reconstruction of a CGH
created by the interactive design tool.
K. Matsushima: “Computer-Generated Holograms for
Three-Dimensional Surface Objects with Shade andTexture”, Appl.Opt.44, 4607-4614(2005).
[2] 松島, 中原: “ポリゴン法による 100 億画素規模の超高解像度コンピュータホログラムの作成”, レーザー研究 40,
18-27 (2012).
[3] K. Matsushima, S. Nakahara: “Extremely High-Definition
Full-Parallax Computer-Generated Hologram Created bythe Polygon-Based Method”, Appl. Opt. 48, H54-H63(2009).
[4] H. Nishi, K. Matsushima, S. Nakahara: “Rendering ofspecular surfaces in polygon-based computer-generated
holograms”, Appl. Opt. 50, H245-H252 (2011).
[5] K. Matsushima, H. Nishi, S. Nakahara: “Simple
wave-field rendering for photorealistic reconstruction inpolygon-based high-definition computer holography”, J.
Electron. Imaging 21, 023002 (2012).
[6] H. Nishi, K. Matsushima, S. Nakahara: “Advanced
rendering techniques for producing specular smoothsurfaces in polygon-based high-definition computerholography”, SPIE Proc. 8281, 828110(2012).
[7] 松島: “新しいデジタルアートとしてのコンピュータホログラフィ”, HODIC Circular, 31, No. 1, 2-11 (2011).
[8] K. Matsushima, S. Nakahara, Y. Arima, H. Nishi, H.
Yamashita, Y. Yoshizaki, K. Ogawa: “Computerholography: 3D digital art based on high-definition CGH”,
International Symposium on Display Holography 2012
(ISDH2012), J. Phys.: Conf. Ser. 415 012053(2013)[9] 松島: “Brothers 制作記―MIT ミュージアムでの CGH 展
示を目指して―”, HODIC Circular 32, No. 2, 31-40(2012).
[10] K. Matsushima, Y. Arima, S. Nakahara: “Digitizedholography: modern holography for 3D imaging of virtualand real objects”, Appl.Opt.50, H278-H284 (2011).
[11] 藤田, 有馬, 松島, 中原: “物体光波のデジタル拡大/縮小 編 集 を 用 い た 高 解 像 度 CGH の 作 成 ”, HODIC
Circular 32, No. 2, 10-15(2012).
[12] 近藤, 松島: “シルエット近似を用いた全方向視差 CGHの隠面消去”, 電子情報通信学会論文誌, J87-D-II,1487-1494(2004).
[13] 松島: “波動光学シミュレーションツールキット:WaveFieldTools”, Optics & Photonics Japan 2010 講演予稿集,
9aC3 (2010).
[14] 村田, 松島: “コンピュータホログラフィのための物体光波合成/編集ツールの開発”, Hodic Circular 32, No. 3,27-30(2012)[1]

Fig.4 Scene design by interactive design tool.
発展途上の CH の新規アルゴリズムの研究開発を可能とするためである．すなわち，プログラミングによって光波数値合成をおこなう研究者は，ライブラリを用いてデザイナが構成したシーンデータを読み込み，GPU や分散処理によってその光波を数値合成するための計算エンジン群の開発，あるいはまったく新規の数値合成アルゴリズムの研究開発＆テストが可能である．

4.

会話型デザインツールでの光波合成
Fig.4 は開発した会話型デザインツールで光波合成を行う際のスクリーンショットである．このソフトウェアはホログラムシーンのデザインだけでなく，ビルトインレンダリングエンジンを内蔵しており，光波の分割合成もサポートしている．これにより一般的なデスクトップ PC であっても時間をかければ実用的な大きさの高解像度ホログラム光波が作成可能である．Fig.5 はこのソフトウェアで生成した 16384×8192 ピクセルの CGH のシミュレーション再生像である．
5.

まとめ
本研究では，会話型デザインツールと XML シーン入出力ライブラリをベースとし，専門技術者ではないデザイナと専門的研究者の研究用プログラム，あるいは光波合成計算エンジン間で XML 形式シーンデータをやりとりできる統合的な物体光波合成/編集システムを設計し，その初版を実装した．

謝辞
本研究は，日本学術支援振興会の科研費(24500133)，および平成 23 年度関西大学学術研究助成金(共同研究)の助成を受けたものである．
参考文献