流れの可視化手法 流線 (Stream line) : ある瞬間の速度ベクトルをたどっていった線を流線と定義しています 定常流動では 流線は ある質量をもたない仮想の粒子が流れの中に放出されたときにできる径路 流れの可視化手法 等高線と等値面 ( ボリュームレンダリング ): 圧力 密度 濃度など

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1 計算流体力学 ( 第 15 回資料 ) 2018 年 1 月 18 日画像のディジタル化 流れの可視化と VR AR 技術の利用 内容 流れの可視化手法 AR/VR 技術とその応用 アニメーションのしくみ 静止画と動画の情報量

2 流れの可視化手法 流線 (Stream line) : ある瞬間の速度ベクトルをたどっていった線を流線と定義しています 定常流動では 流線は ある質量をもたない仮想の粒子が流れの中に放出されたときにできる径路 流れの可視化手法 等高線と等値面 ( ボリュームレンダリング ): 圧力 密度 濃度など 流跡線 (path line): 特定の流体の塊がたどった道筋と定義されています 流脈線 (streak line): 特定の一点を通過した流体のつながりと定義されています 流脈線は 同一の地点から ( それらが集まって一本の線になるほど高速に ) 連続的に粒子を放出したときにできる曲線 流れが定常の場合 流線と流跡線と流脈線の三つの曲線は一致 可視化手法の詳細 : 白山晋, 知的可視化, 丸善,2006 流れの可視化手法 流れの可視化手法 面塗り表示 : 圧力 密度 濃度など 速度ベクトル

3 流れの可視化手法 流れの可視化手法 流線 2D Analysis 3D Analysis 数値シミュレーションと可視化 数値シミュレーション 1 次元,2 次元計算 2 次元表示媒体紙, 平面型ディスプレイ 可視化表示 2 次元表示 POV-Ray とは POV-Ray の概要 レイトレーシング法を用いた三次元 CG ソフトウェア 3 次元計算 2 次元表示媒体紙, 平面型ディスプレイ 2.5 次元表示 POV-Ray の特徴 3 次元表示媒体立体ディスプレイ VR(Virtual Reality) 技術の導入 3 次元表示 1 2 高性能, 高品質 多くのコンピュータシステムに対応している 3 4 ネットワーク上に多くの情報がある フリーウエアである

4 POV-Ray の概要 POV-Ray とはレイトレーシング法を用いた三次元 CG ソフトウェア 光線の反射, 屈折を追跡計算することで高品質な画像を作成. POV-Rayの特徴視線から光線を追跡するため無駄な計算の削減できる 高性能, 高品質 多くのコンピュータシステムに対応している ネットワーク上に多くの情報がある AR(Augmented Reality) VR と AR VR(Virtual Reality) VR/AR/MR VR(Virtual Reality): コンピュータ上に人工的な環境を作り出し あたかもそこにいるかの様な感覚を体験できる技術 AR(Augmented Reality): 現実にデジタル情報を付与し CG などで作った仮想現実を現実世界に反映 ( 拡張 ) していく技術 現実空間から得られる知覚情報に何らかの情報を加えることで現実世界の意味を拡張する 全てが CG でつくられた世界である仮想現実をあたかも現実であるかのように知覚させる MR(Mixed Reality): MR は CG などで人工的に作られた仮想世界と現実世界の情報を組み合わせて 仮想世界と現実世界を融合させる技術 Real Environment Augmented Reality (AR) Mixed Reality (MR) Augmented Virtuality (AV) Virtual Environment

5 VR/AR の歴史 1968 年 :Ivan E. Sutherland(Harvard 大学 ) が VR の研究をする際 シースルーのヘッドマウントディスプレーを使い 現実世界上に CG の画像を重ねて見たのが VR と AR の研究の始まり AR/VR の歴史 2017: AR 元年? 2016: VR 元年 ( 安価なHMD) 2010: 3D 元年 (3D テレビ, 3D PC, 3D カメラ ) : Cave (Cave automatic virtual environment ) VR(Virtual Reality) 仮想現実 AR(Augmented Reality) 拡張現実 1980 MR(Mixed Reality) 複合現実 1970 CAVE(Univ. Illinoi,1993; Wikipedia) 1968 Ivan E. Sutherland: ヘッドマウントディスプレイ (HMD) AR/VR の歴史 AR/VR の歴史 2016: VR 元年 (HMD) 安価な HMD の出現 2017: AR 元年? スマートフォンタイプ :Google Tango HTC Vive Oculus Rift CV1 スマートフォンタイプ メガネタイプ : Microsoft HoloLense Gear VR HOMiDO Mini VR グラス

6 拡張現実 (Augmented Reality, AR) AR/VR の歴史 バーチャル リアリティ (VR) とは Virtual みかけや形は原物そのものではないが, 本質的あるいは効果として現実であり原物であること. AR 可視化の機器であるスマートフォンやタブレット型端末の普及率の上昇 情報通信端末の世帯保有率の推移 ( 総務省, 平成 28 年 ) Virtual Reality (VR: 人工現実感 ) 現実そのものではないが現実のエッセンスと効力を有するもの. virtual 実質 ( エッセンス ) 類義語 real 現実 反意語 nominal 名目 ( 形骸 ) supposed 仮想 imarginary 虚 類義語 三次元情報の知覚メカニズム 立体視のしくみ (VR) 立体視のしくみ (VR) VR 空間での立体視 両眼視差 ( 網膜像の差 ) を利用左右の網膜像に相当するCG 画像を作成時分割方式 輻輳角 電気信号 脳 融像 右眼 右眼用画像左眼 左眼用画像 右目用と左目用の画像をディスプレイに高速に切り替えながら交互に表示 (120Hz 程度 ) 網膜像 (2 次元 ) 立体像 (3 次元 ) 3 次元情報の視覚的手がかりが必要 -3 次元情報の視覚的手がかり - 単眼性手がかり ( 絵画的手がかり ) 透視画法, 陰影, テクスチャなど両眼性手がかり ( 奥行き手がかり ) 両眼視差, 輻輳, 焦点調節, 運動視差 右眼用画像 平面ディスプレイ メガネをかけることにより 左目に左目用画像 右目に右目用画像のみが入るようにする 左眼用画像立体像 左眼 右眼

7 VR システム VR システム HMD Head Mounted Display CAVE CAVE Automatic Virtual Environment HMD Head Mounted Display CAVE CAVE Automatic Virtual Environment (Wikipedia) CAVE(Univ. Illinoi,1993; Wikipedia) (Wikipedia) CAVE(Univ. Illinoi,1993; Wikipedia) 長所 : 省スペース 短所 : フルスケールでの体験が困難 長所 : フルスケールでの体験が容易 複数人で VR 空間を共有できる 短所 : 広いスペースが必要 長所 : 省スペース 短所 : フルスケールでの体験が困難 長所 : フルスケールでの体験が容易 複数人で VR 空間を共有できる 短所 : 広いスペースが必要 VR システム CAVE システム (HoloStage) スピーカ (7.1ch) 高性能プロジェクター HMD(Oculus DK2) トラッキング装置 没入型 VR 装置 (HoloStage) 多人数での VR 空間の共有ができる コストが高く, 使用場所が限られる VR グラス HOMiDO mini コストが低く持ち運びが容易 フルスケールでの体感が困難 セミハード スクリーン

8 AR 活用事例 AR 実現方法 拡張現実 (Augmented Reality, AR) 観光 建設 ナビゲーションなどを目的とした AR 現場での可視化手段としての AR スポーツ 医療 ID マーカー 風景画像 試合進行の補助としての AR 手術支援のための AR AR 実現方法の比較 防災 環境シミュレーションへの応用 ビジョンベースAR ロケーションベース マーカー型 マーカーレス型 要素技術 位置情報 マーカー認識 物体認識 実現方法 GPSなどから取得した位 マーカー と呼ばれる特特定の物体や図形などを認識置情報に対して付加的な情殊な2 次元データ上に情報し情報を重畳報を重ね合わせるを重畳 メリット デメリット 特定の物体にピンポイン 特定の物体にピンポイントに情報を重畳トに情報を重畳できる GPS 磁気センサ 加速度センサなどの比較的枯 特別なマーカーを用意する 技術的に成熟れた技術の組み合わせで必要がない 風景や物体といったマー実現可能 OSSライブラリで簡単にカーが置けない ( 置きたく試せるない ) 場所にも適用可能 計算量 安定性 精度の GPSの精度に依存 ( 正 マーカーを用意しなけれあらゆる面で課題があり簡確な位置特定は複数の技ばならないという物理的 / 単には試せない術を組み合わせる必要が心理的な障壁 学術的な知識が必要となある ) る場合も多い 津波シミュレーション結果の可視化 道路騒音予測シミュレーションへの適用

9 防災 環境シミュレーションへの応用 防災 環境シミュレーションへの応用 (2) 水環境流れ問題 VR/AR まとめ 本システムによる可視化結果 VR/AR 技術に基づく可視化技術 ( 方法 装置 ) と 防災 環境問題への適用について紹介した. VR 可視化装置 (HMD) スマートデバイスは低廉化 普及が進んでいる 防災 環境問題への適用により 自然災害による被害や環境変化を疑似体験することが可能となる. 防災や騒音に対する計画 設計支援ツールとして, また住民との合意形成を得る上でも有効な手段となることが期待できる

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