Soft Shadows due to Extended Light


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このページのスライド画像はクリックすると拡大画像が表示されます。　　　　　　　　(2014/10 作成）

OutLine
西田は1970年来,40年間もの研究を行っており、研究分野(右図参照）はかなり 広いがそのなかでもShading Model関係で特に光源に関する研究を紹介する。 ここでは、Soft shadowがリアルな画像生成の要素であるが、Soft shadowは誰が最初に開発したかを説明する。Soft shadowは大きさを持つ光源（Extended light source）により生じる。1981年から2014年までの著者の論文でSoft shadowに関連するものをまとめた。
（このページはスペインで開催された国際会 議CyberWorld2014での基調講演のスライドを参考に編集したものである）
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研究分野



Extended Lightとは



CG研究の初期においては光源は点光源と平行光線のみに限られていた。 これらの光源に よる影の境界ははっきりしています。実際の室内を考えると、影はぼやけた境界が 大半である。 これは実際の光源は大きさを持っているために生じる。すなわち、こうした光源はExtended lightと言われ、光源の体積を無視できないものを言う。線光源、面光源などである。 これらの光源による影はSoft Shadowと呼ばれる、正確にはこの薄い影の部分を半影(penumbra)、完全に暗い部分を本影(umbra)と言う。光源は幾何学的に分類する と、点光源、線光源、面光源、多面体、 曲面光源、半径の大きな半球光源である天空光(sky light)がある。 空間中に分布する粒子による散乱光も光源と言える（ボリュームライト）。

誰が Extended Light研究のパイオニアか



世界で最初に公開された半影を含む画像(線光源）は上の画像である。


1982年、ボストンで開催されたSIGGRAPH Art Showに採択され、会場に等照度分布を重ねた画像と2枚が展示された。


実は日本国内では、1981年の情報処理学会の全国大会(査読なし）で上図 のように発表しており、これが真の世界初の発表と言える。


SIGGRAPHのSlide部門でも、線光源画像が採択されており、それを機会に下記の ようにカレンダー(1985年用）にも掲載されており、その画像のキャプションに1982年と記載されている。


半影を含む画像生成の有名な論文はCookのDistributed ray tracing(1989)である。その論文で今まで半影の画像は西田のArt Showでの展示画像しか見たことがないと引用されている。

SIGGRAPH 1985のエレクトリックシアターにも採択され、線光源や面光源に対するシーンの動画が上 映された(30年も前の動画がsoft shadowを含むのには驚かされませんか）。


この線光源の論文は1982年に投稿したが、なぜか3年も査読に要した。 1985年の論文誌TOGに採択された(上図は画像の掲載部分）。ところが 1984年に公表された光源に関する論文がこの1985年の西田の論文を引用していました(まるで、この論文発表を優先するため西田の論文の出版を遅らせ たように思えませんか）。


1985年にはIEEEの論文誌に面光源のShadinng Modelが採択された。また、SIGGRAPH1985ではラジオシティ法を発表した。そのradiosity論文の付録では面光源のShadinng Modelについても付記した。そのおかげでＣＧ分野最も著名な書籍「Computer Graphics: Principles and Practice」に画像と説 明図が引用された。

多角形、円柱、曲面形状の光源に対するShading Modelの論文も次々に発表しました。
ＣＧの歴史上重要な技術の開発と受賞者(SIGGRAPH S.A.Coons賞など）との関係

Extended LightあるいはSoft shadowはレイトレーシング法とラジオシテイ法の間の期間に開発された。（このスライドでは、主要な技法の開発者と西田との写真も紹介。）
































西田らが開発した、Extended Lightに対するShding modelの表

光源に関して下記の5論文を発表した。
Area(COMPSAC 1983),
Linear(Tog 1985),
Cylindrical(CGI 1992), Polyheral(1994),
Curved surface(EG 1993)


西田の光源に関する研究は、点光源、線光源、球状光源、ドーナツ状光源、天空光と進展した。天空光は環境光の研究の原点になり、さらにＰＲＴに進展した。

天空光は環境光源の原点

光源を幾何学的にみると、点、線、面、多面体と発展させると、半球の光源が存在する。半径の大きな半球状の光源が天空光である。この天空光のモデルは SIGGRAPH 1986で発表した。


天空光の特徴は、半影を生じるのみでなく、太陽の位置により輝度分布が変化することである。輝度分布は天候に依存し、曇天空と晴天空に分類される。


光源モデルをまとめると上図のようである。

天空光で雲を照射したShading modelをSIGGRAPH 1996で発表した。なお、雲の内部での粒子による光の多重散乱も考慮されている（これはサブサーフェススキャタリングの原点と言える）。
　　　
天空光の場合、影に加え光源である天空の輝度分布が問題である。天空の輝度は大気中の空気やエアロゾルの散乱光で決まります。上のは大気の色を計算する論 文でSIGGRAPH 1993で発表した。



空の色は太陽の方向で決まる。太陽の大気の通過距離に依存して大気中の粒子の散乱・吸収によってきまります(1991年発表）。

天空光や環境光源に関して、１２論文発表した。
Sky light(SIG 1986), Out door(EG 1993),
Light design(EG 1994),
Basis-function(PG 1994),
Sky color(PG 1996),
Sky Light Luminance(EG 1996),
Sky Color using Basis functions(VCA 1997),
Differed shadows(CASA 2005)
Dynamic shadows (TVC 2006),
Dynamic Environment Illumination(PG 2009)
Dynamic Scenes under All-frequency Lighting(EG　2012),
Microcylinder Model under Environment Lighｔ (EG 2014)

前計算による光伝達関数の高速化

室内の照明設計の際は、光源の配光を変更して行うことが多い。光源を変更した絵も即座に室内照明の分布が得られる方法を提案した。 EUROGRAPHICS 1995で発表(土橋先生は筆頭）し、Best Paper Awardを受賞した。この方法は光の分布は基底関数に分解して表現し、基底関数の係数を変更することで、即座に結果画像が得られる。
この方法はSloanの論文でPRT (Pre-computed radiance transfer)と名づけられた(彼はこの我々の論文がヒントになったと明記している）。


室内照明において光源の特性を変化させた際の室内画像の基底関数の合成による高速表示。

屋外のシーン、すなわち天空光に照射される建築物の計算にも上記スライドのようにＰＲＴが利用できる。




動的に変化する天空光に対する室内の描画



 

Global IlluminationによるSoft Shadows

相互反射による特徴の一つに半影がある。その最初の論文は1984年の3月の照明学会の全国大会の論文である。

世界初のラジオシテイ画像 （左；直射光のみ　右：相互反射考慮）


動的シーンに適した、相互反射の計算法を提案した(2007年,岩崎ら）。
動画を参照



大気中の粒子による散乱光も環境光として窓から入射する。室内では粒子も考慮した相互反射の計算も必要。


種々の光源に対して、散乱光が重要である。

環境光源による Soft Shadow


　


環境光による照明が、動的に変化する形状に対応できる方法をEUROGRAPHICS 2013で発表（岩崎ら）動 画を参照


布を環境光でリアルタイムに表示する方法をEUROGRAPHICS 2014で発表（岩崎ら）動 画を参照
環境光源は物体の周囲から照射する遠方に存在する光源である。 光の分布はテクスチャーと同様な形式で保存される。

環境光源に関係する著者らの画像の一覧。


 

影関係の日本での発表（査読無）；

  1. 西田，中前 物体の影を考慮した面光源の照度計算とその表示法 照明学会全国大会 No.101 p.151 1982
  2. 西田，中前 物体の影を考慮した多面体光源の照度計算とその表示法 照明学会全国大会 　No.92 p.99 1983-3
  3. 西田，中前 面光源および多面体光源により照射される三次元物体の陰影表示 情報処理学会第27回全国大会 　　　　 5M-4 p.1567 1983-10
  4. 西田，中前 影を考慮した相互反射の計算とその表示法 照明学会全国大会 No.63 p.65 1984-4
  5. 西田，伊東 ，中前 室内および屋外の物体を考慮した昼光率の計算と表示法 照明学会全国大会 No.55 p.55 1985-3
  6. 天空光により照射された建造物の陰影表示 情報処理学会第32回全国大会　5V-5 p. 20871986-3
  7. 西田，名原，中前 大気中の微粒子の影響を考慮した光跡表示法 情報処理学会第33回全国大会 4Q-11 p.2125 1986-10
  8. 西田，中前 大気中の不均質微粒子の表示法 情報処理学会第35回全国大会 2G-4 p.2307 1987-9
  9. 西田 ，中前 ｽﾍﾟｸﾄﾙを考慮した天空光のｼｪｰﾃﾞｨﾝｸﾞﾓﾃﾞﾙ 情報処理学会第35回全国大会 1Z-1 p.2069 1988-3
  10. 西田，田北，中前 曲面のスムースネステストのための平行円柱光源のシェーディングﾓﾃﾞﾙ 情報処理学会第42回全国大会 1P-4 1991-3
  11. 白井，西田，若山，中前 大気散乱を考慮した地球の表示法 電気・情報関連中国支部第42回 連合大会 041915 p.126 1991-10
  12. 馬場，山中，金田，中前，西田 受光直方体を用いた天空光ﾓﾃﾞﾙ 電気・情報関連中国支部第42回連合大会 041913 p.124 1991-10
  13. 袁，金田，多田村，中前，西田 水中の放射伝達を考慮したリアルな水面の表示法 電気・情報関連中国支部第42回連合大会 041912 p.123 1991-10
  14. 西田，田北，中前 曲面遮蔽物を考慮した平行円柱光源の照度 平成４年度照明学会全国大会 51 p.54 1992-4
  15. 山中，金田,山下，西田 ニューラルネットワークを用いた最適室内照明設計 電気・情報関連中国支部第43回連合大会 010506 p.9 1992-10
  16. 島田，金田，山下，多田村，中前，西田 波による水底の光のきらめきの表示 電気・情報関連中国支部第43回連合大会 102022 p.304 1992-10
  17. 多々村，中前，土橋，金田，山下，西田 照明デザインを指向したリアルな水の表現のための散乱・吸収シミュレーション 電気・情報関連中国支部第44回 連合大会 010522　pp.31 1993-10
  18. 土橋，金田，山下，多田村，西田 透過面を透過した天空光を考慮した陰影表示法 電気・情報関連中国支部第44回連合大会 142005　pp.409 1993-10
  19. 西田，板垣，中前 エロゾル濃度分布を考慮した大気圏外から見た地球大気の表示法 電気・情報関連中国支部第45回連合大会 022423 pp.63 1994-10
  20. 土橋，金田，中谷，山下，西田 配光特性の基底関数表現を用いたインタラクティブ室内照明設計システムの開発 情報処理学会第50回全国大会 5c-10，2-421 1995-3
  21. 田坂，西田，本西 波の反射光による集光効果を考慮した画像の生成法 電気・情報関連中国支部第46回連合大会 152415 pp.472 1995-10
  22. 板垣，西田 雲を考慮した大気圏外から見た地球大気の表示法 電気・情報関連中国支部第46回 連合大会 152414 pp.471 1995-10
  23. 土橋，金田，山下，西田 ﾌｰﾘｴ級数を用いた天空光鏡面反射成分の高速計算法 電気・情報関連中国支部第46回 連合大会　152419 pp.476 1995-10
  24. 西田，岩崎，土橋 多重散乱を考慮した雪の表示法 電気・情報関連中国支部第47回 連合大会 142501 pp.371 1996-10
  25. 岩崎，西田 多重散乱光を考慮した海面の表示法 情報処理学会 第61回全国大会 6K−３ pp.4-73 - 4-74 2000-10
  26. 岩崎，土橋，西田 グラフックスハードウエアを用いた水の色および水中の光跡の高速表示法 情報処理学会第62回全国大会 1D-1　pp.特2-1，2-2 2001-3
  27. 岩崎，土橋，西田 グラフィクスハードウェアを用いた水面波によるcausticsの高速表示法 情報処理学会第64回全国大会 6U-05 pp.45-46 2002-3
  28. 土橋，山本，西田 メッシュレス法を用いた相互反射計算法の開発 FIT(情報科学技術フォーラム)　pp.167-168 2002-9
  29. 柳田、土橋、西田 散乱マップを用いて多重散乱を考慮した天空光の高速表示 情報処理学会第65回全国大会 6N1 pp.4-109 4-110 2003-3
  30. 柳田、岩崎、西田 特異値分解を用いた空の色の高速表示法 情報処理学会第67回全国大会 4N-7 p.181-182 2004-3
謝辞；
この分野は、長期間の共同研究によるものである。初期段階は中前教授、その後、 土橋、金田、岩崎、楽先生に感謝する。




 


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