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Computer Graphics
第1回
Introduction
芝浦工業大学情報工学科
青木 義満
授業の目標

コンピュータグラフィックスの様々な基礎理論の学習

最新の研究事例を交え、この分野の動向を知る

CGプログラミングを始めるための手順・知識の習得
CG検定2級レベル+α
主催: 画像情報教育振興協会
画像情報技能検定CG部門
教科書:「コンピュータグラフィックス」,CG-ARTS協会
参考書:「ディジタル画像処理」, CG-ARTS協会
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講義内容
 主な内容
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イントロダクション
座標変換(2D, 3D, 投影)
モデリング
レンダリング
アニメーション
視覚に訴えるグラフィックス
CGシステム応用
 評価
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課題
期末試験
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今日の講義内容
 導入 ~ CGの概要
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コンピュータグラフィックスとは?
CGの関連領域

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CGとCV(Computer Vision)
CGと画像処理
CGの応用分野
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コンピュータグラフィックス(CG)とは?
 実世界でのモノの見え方を決定する諸要因をコ
ンピュータ内にモデリング,シミュレーション
し,画像を生成(レンダリング)する技術
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CGを理解するために・・・ デジタルカメラモデル
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CGと画像処理
 画像処理

実世界を写した画像の色や明るさ,形状や大きさな
どを変換,計測,対象物体に関する情報を認識する
技術
 CG

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実世界でのモノの見え方を決定する諸要因をコンピ
ュータ内モデリング,シミュレーションし,画像を
生成(レンダリング)する技術
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CGとコンピュータビジョン(CV)
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CGとCVの関係
Light source
Light source
3D Scene
P
Computer
Vision
Image Plane
Camera
Image Plane
CG
P’
Image Processing
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3Dシーンのモデリング→2D画像のレンダリング
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Camera
Computer Vision
2D画像 → 3Dシーン情報の獲得
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CGへの画像処理技術応用
 イメージベースドレンダリング(Image-based rendering)
 テクスチャマッピング(Texture Mapping)
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2次元CG
 ラスタ処理
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

画素の集まり
画素ごとの明るさや色を記録
ペイント系描画ソフト
 ベクタ処理



点・線・面の幾何学的性質
(位置や長さ)を記録
ドロー系描画ソフト
(x1, y1)
(xo, yo)
R
ハイブリッド

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Lx
Ly
背景
(ラスタ表現)
ラスタ + ベクタ
物体
(ベクタ表現)
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3次元CG
 3次元CGによる画像生成の手順

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

座標系,視点,視野 の設定
モデリング(物体形状のデータ化)
座標変換 (モデルの移動,変形)
レンダリング
一枚の画像を生成
(質感や陰影の計算)
アニメーション
(視点や物体の動きによる連続画像の生成)
連続画像を生成
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CGとその関連領域
 画像処理

(Image Processing)
階調画像,文字,図形などの画像情報に対する解析,認識,
圧縮,蓄積
 コンピュータビジョン


(Computer Vision)
画像からの形状,属性の認識
イメージベースドレンダリング (IBR)
 3D イメージング・モデリング (3D Imaging & Modeling)

形状測定・復元,位置合わせ
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CGの応用分野
 エンターテイメント(CM,映画等)
 工業製品のデザイン(CAD,CAM)
 Scientific Visualization
 物理現象のシミュレーション
 リアルタイムCG
 医療データの可視化
 デジタルアーカイブ
 フォト/ノンフォトリアリスティック
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映画・ゲーム・エンターテイメント
 映画,テレビ,CF(Commercial Film), イベント映像
Shreck @ DreamWorks
Monster’s Inc @ Pixer
Final Fantasy 10 @ SQUARE
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CAD / CAM
(Computer Aided Design/Manufacturing)
 CAD/CAM



工業デザインにおける設計・製図作業,
工作作業のコンピュータ支援
シミュレーション技術
Rapid Prototyping
Shoes Design
Car Engine Design
光造形(樹脂モデル)
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地理情報処理 (GIS)
衛星画像
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地形の3D表示
Real-time Terrain Rendering @Geogia Tech.
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サイエンティフィック・ビジュアライゼーション
 数値データを画像として表示 ~「情報の可視化」

物理学,化学,気象学,医学,宇宙科学等,幅広い分野
 刻々と変化する多次元的な情報を視覚化により解析

複雑な現象の直感的な理解
ストレート
フォークボール
気象データの可視化
ボールが作る流れの数値解析@理化学研究所
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物理現象のシミュレーション・可視化
J. O’Brien等 (Univ.California, Berkeley)
弾性のあるものの変形アニメーション
有限要素法を使う
→弾性(しなやかさ)
破壊プロセスと相互作用を考慮
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QuickTimeý Dz
YUV420 ÉRÅ[ÉfÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç•
ÅB
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CGと実写映像との融合
QuickTimeý Dz
ÉVÉlÉpÉbÉN êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç•
ÅB
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医用情報処理
 CT(Computer Tomography), MRI (Magnetic Resonance Imaging)
→ 人体内部情報の3次元表示
脳内組織の可視化
@ Harvard Univ.
Visible Human Project
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Human Atlas : 生体の3次元・4次元人体アトラス(1998,GITI of Waseda Univ)
・MRIを用いて、健常な20歳代の男性・女性を計測 → 全身像を三次元再構築
・利用者が必要とする任意の部分の断層像をその三次元的な位置を確認しながら選択可能。
・拍動による心臓や心内腔の動きなど(四次元データ)も表示可能。
Female
Male
Human Atlasの外観
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視覚と触覚情報を融合した仮想手術シミュレーション
Virtual Surgery with Visual and Haptic Feedbacks
Realtime 3D Image
3D Image
Stereo Glasses
Articulated leg
Anastomosis Simulator
(血管縫合手術シミュレータ)
Knee Anthroscopy Simulator
(膝関節鏡検査シミュレータ)
(Boston Dynamics社,USA)
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CGによる診断支援の例:顎運動計測システム
Developed by Aoki Lab.
C形アーム
光学的6自由度測定法を採用した非接触型の
計測装置(Trymet)を用い、 3次元計測を行う
時間解像度:10ms
計測システムの外観
計測原理
•点光源はレンズを通過すると、リニアCCD受光面上に直線
の光となって映される
•1台のカメラで座標の一方向が決定するため、3台のカメラ
でそれぞれx,y,z軸方向が決まる
•その直交点としてマーカの3次元位置が推定できる
計測原理図(C形アーム内)
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顎運動の可視化による診断支援
Developed by Aoki Lab.
・外から見えない顎運動をCT画像と運動データを統合して可視化
・形状と機能情報の可視化による診断支援
QuickTimeý Dz
Microsoft Video 1 êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç •
ÅB
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煙の中を見透かし,空間3次元マップをCGで生成
Developed by Aoki Lab.
煙に対する透過性を有するレーダ(ミリ波レーダ)
→多方向へ向けながら、煙の中(部屋中を)を計測
Real-time process
※like the vision of a bat
煙の中の様子を表した、3次元マップを作成
→ 消防士が煙の中を見透かす
正解画像
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HMD上で表示
3次元マップ
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Developed by Aoki Lab.
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デジタル・アーカイブ(電子保存)
 歴史的資料,芸術・美術作品の電子保存
 バーチャル・ミュージアム
Revivals of Neanderthal @東京大学
Digital Michelangelo Project
@Stanford University
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フォトリアリスティックとノン・フォトリアリスティック
 フォトリアリスティック・レンダリング(写実的画像生成,PR)
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70年代後半~80年代
ありのままを記録(写実性の追及)
光学,物理現象に従う
数式(モデル)どおり
 ノン・フォトリアリスティック(非写実的画像生成,NPR)
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90年代~
情報を強調,省略して記録
描画手法は用途に依存
芸術的側面
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CG研究の最前線 ビデオ紹介
 SIGGRAPH2005
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毎年アメリカで開催されるCG技術が集う最高峰の国際会議
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次回講義内容
 新入生オリエンテーション合宿のため,休講
 4/24 画像の基礎知識
※高度情報演習1A( 本日3,4限)にて,関連演習実施
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