IPSJ SIG Technical Report Vol.2013-CVIM-187 No /5/30 1,a) 1,b) 2,c) 1,d) 1. [1][2] 1 [3] 1 Presently with Osaka Uniersity 2 Presently with Micr

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ともなりそや
5 years ago
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1 1,a) 1,b) 2,c) 1,d) 1. [1][2] 1 [3] 1 Presently with Osaka Uniersity 2 Presently with Microsoft Research Asia a) matsumura@am.sanken.osaka-u.ac.jp b) mukaigaw@am.sanken.osaka-u.ac.jp c) yasumat@microsoft.com d) yagi@am.sanken.osaka-u.ac.jp [4]Zizka [5] [6]

情報処理学会研究報告図 1 レーザー光の散乱と干渉図 2 スペックルパターンの例わせの状態により波動は強め合ったり弱め合ったりすることで図 2 に示すような明暗の斑点模様が生じるこの模図 3 静止層の厚さの 2 次元分布様をスペックルまたはスペックルパターンというために図 3 に示すように地点 A,B,C にレーザー光を照射 2.

2 情報処理学会研究報告図 1 レーザー光の散乱と干渉図 2 スペックルパターンの例わせの状態により波動は強め合ったり弱め合ったりすることで図 2 に示すような明暗の斑点模様が生じるこの模図 3 静止層の厚さの 2 次元分布様をスペックルまたはスペックルパターンというために図 3 に示すように地点 A,B,C にレーザー光を照射 2.2 スペックルによる動き検出する場合を考える地点 A,B,C における静止層の厚さをスペックルは物体や光源が運動すれば粗面の位置やそれぞれ da,db,dc としそれぞれの地点における物体内散乱物体内の光路が変動するために運動状態となる逆部への光路の様子を示している地点 A,B,C を比較するに物体と光源が共に静止していれば静止状態となると A のほうが B よりも多くの光が動的領域へと達していこの現象はスペックル特有のものである光には光学的なるため時間的に変化する光の量の増加に対応して大きな性質として光の加法性がありある点に複数の光源が照射スペックル変化が観測され C においては動的領域まで光されている時その点での光学的現象は光源を個々に照が達していないため静止層のみを通ってきた光は時間的射した時の光学的現象をすべて足しあわせたものに等しに安定しているためスペックルに変化を生じさせないくなるしかしながらスペックル現象においては光の加法性が成り立たないためにパターンのモデル化が困難で 3.3 スペックル相関あるスペックル現象は物体表面の細かい凹凸による光の前節で説明した通り静止層の厚さによってスペックル散乱によって形成されるため光源と粗面の位置関係の変の変化量に違いが生じるこの性質を利用して測定した化つまり物体の微小な移動や回転によってもスペックルスペックルの変化から物体の各地点における静止層の厚さパターンは大きく変化してしまうそのためスペックルを推定するまず物体にレーザー光を照射した状態では時間的に不安定になりやすいが逆にこの不安定さを連続で二枚の画像を撮影する次にそれらの二枚の画像の利用してシーンの動的変化を検出することも可能である各画素について設定したウィンドウでの相関値を求める 3. スペックル相関による厚さ推定 3.1 問題設定人の皮膚や植物の茎などは薄い静止層の下に動的領域がある層構造とみなせる人の皮膚の場合は表皮のよう画素 x を中心とする n n の正方形をウィンドウとした時の相関値を求めるとする画素 x を中心とした p = n2 個の値を 1 つのベクトル v Rp と考え二枚の画像で共通する画素 x に対するベクトル v1, v2 の相関値 C(x) を求めるに外側に血流などが生じていない層がありその奥に毛細静止層の厚みが増すほどスペックルの変化量が小さくな血管の張り巡らされた真皮層が広がっているまた植物ることからそれに応じて二枚の画像の相関値も高くなるの茎も同じように外側に動きのない表皮層がありそのつまり静止層の厚さとスペックル相関値には単調増加の内側に維管束内の水分のように流れのある層が広がって関係があると考えられるスペックル相関法では物体のいる材質に対する静止層の厚さ d とスペックル相関値 c (d) の本研究では図 3 のように静止層の下に動的領域が存在するシーンを対象として静止層の厚みを推定することを関係を事前にモデル化し実際に計算した相関値から各地点の静止層の厚さを推定する目的とする光源を一方向からの照射のみとすると物体表面は二次元的に広がっているそのため各地点の静止層の厚みを調べる問題は x y 平面上の各点において厚さ d (x, y) を推定する問題となる 3.4 スペックル相関のモデル化次にスペックル相関値の関係をモデル化する静止層の厚みを d とし物体上部からレーザーを照射するとその光の強度は Lambert-Beer の法則 [7] により物体を通過す 3.2 光の到達深度物体表面におけるスペックルパターンの様子を観測する 2013 Information Processing Society of Japan る距離に従って指数関数的に減少する物体の吸収係数を σ とすると静止層を通過するレーザー光の強度の減衰率 2

3 α(0 <= α <= 1) α = exp ( 2σd) (1) I R p S D I α I = (1 α)s + αd (2) S = D = 1 I 1 I 2 S I 1 I 2 I 1 = (1 α)s + αd 1 (3) 4 σ = 0.3 β = 0.9 γ = 0.5 I 2 = (1 α)s + αd 2 (4) 5 2 C C = I 1 I 2 I 1 I 2 = ((1 α) S + αd 1) ((1 α) S + αd 2 ) I 1 I 2 (5) (6) S S = 1 S D 1 S D 2 = β D 1 D 2 = γ I 1 I 2 I 1 I 2 = (1 α) 2 + α 2 + 2βα (1 α) (7) C = (1 2β + γ) α2 + (2β 2) α + 1 (2 2β) α 2 + (2β 2) α + 1 (8) (1) α (d) = exp ( 2σd) d C (d) = (1 2β + γ) α2 (d) + (2β 2) α (d) + 1 (2 2β) α 2 (d) + (2β 2) α (d) + 1 (9) (8) σ = 0.3 β = 0.9 γ = λ 1 λ 3 5 Material 1 Material λ i C λi (d) k k C (d) = (C λ1 (d), C λ2 (d),, C λk (d)) (10) C d 3

2 3 670[nm] 782[nm] 850[nm] ( 1 ) 1 ( 2 ) 2 ( 3 ) 2 9 (8) 1 1

4 6 7 8 d = arg min C (d) C (11) d (a) (b) (c) (a) 5[mm] 0[mm] (c) (b) (c) (a) (a) [nm] 782[nm] 850[nm] ( 1 ) 1 ( 2 ) 2 ( 3 ) 2 9 (8) 1 1 wavelength[nm] σ β γ

情報処理学会研究報告図 10 モデル化前のデータによる推定結果図 11 モデル化後のデータによる推定結果図 13 表 2 モデル化前後の推定誤差誤差モデル化前モデル化後 0.

0448 3 波長光源における指先のスペックル相関値画像に近いほど相関値が高く青色に近いほど相関値が低いことを表している図 13 から皮膚部分は 670[nm] 782[nm]

ことから皮膚部分は静止層が薄く皮膚のすぐ下に動的領域が広がっており爪部分はそれよりも静止層が厚いことがわかるまた図 13(a) の点線で囲んでいる部分は指

この部分には血流のような動きがなく用いた 3 波長 3 波長 670 nm 782 nm 850 nm 波長では動的領域まで届かないほどの厚みであることがわ誤差 0.0448 0.

2211 かるを用いることで実際の厚さと推定した厚さには高い相関関係が見られ本研究で提案する多波長スペックル相関法による静止層の厚さ推定の有効性が認められる 6.

おわりに本研究では生体組織のような層構造をなしている物体の解析を行なうためにレーザーによって発生するスペックルを利用した静止層の奥に血流などの動的領域があるような層構造において

5 情報処理学会研究報告図 10 モデル化前のデータによる推定結果図 11 モデル化後のデータによる推定結果図 13 表 2 モデル化前後の推定誤差誤差モデル化前モデル化後波長光源における指先のスペックル相関値画像に近いほど相関値が高く青色に近いほど相関値が低いことを表している図 13 から皮膚部分は 670[nm] 782[nm] 850[nm] の 3 波長すべてで同程度のスペックル変化が見られるそれに対して爪部分はわずかではあるが波長が長くなるほどスペックル変化が大きくなっていることがわかるこのことから皮膚部分は静止層が薄く皮膚のすぐ下に動的領域が広がっており爪部分はそれよりも静止層が厚いことがわかるまた図 13(a) の点線で囲んでいる部分は指にできたペンだこのような皮膚が硬化した部分であり 3 図 12 単波長データによる推定結果表 3 多波長と単波長の推定誤差波長すべての相関値画像においてスペックル変化がないことからこの部分には血流のような動きがなく用いた 3 波長 3 波長 670 nm 782 nm 850 nm 波長では動的領域まで届かないほどの厚みであることがわ誤差かるを用いることで実際の厚さと推定した厚さには高い相関関係が見られ本研究で提案する多波長スペックル相関法による静止層の厚さ推定の有効性が認められる 6. 生体組織の測定 7. おわりに本研究では生体組織のような層構造をなしている物体の解析を行なうためにレーザーによって発生するスペックルを利用した静止層の奥に血流などの動的領域があるような層構造においてスペックルは静止物体に対して時本研究の応用例として生体組織のスペックル測定を行間的に安定であるという性質を用いてスペックル変化のなう生体組織の場合は組織内部の血流や水分の流れによ相関値から静止層の厚さを推定する手法を提案したさらり常に動的な領域が存在しているそのため単純にカにある特定の波長のみでは厚さ推定の制限が大きいことメラで 2 枚連続で撮影し相関値を求めた図 13 に人のから光の物体内部への到達深度が波長によって異なると指先に 3 波長のレーザー光を照射した時のスペックル相関いう性質を利用して光源を多波長へと拡張することで値を可視化した結果を示すこの画像では輝度値が赤色より広い範囲の厚さ推定方法を示した 2013 Information Processing Society of Japan 5

6 [1] Yasunori Ishii, Toshiya Arai, Yasuhiro Mukaigawa, Jun ichitagawa, Yasushi Yagi. Scattering tomography by monte carlo voting. [2] Kenichiro Tanaka, Yasuhiro Mukaigawa, Yasuyuki Matsushita, and Yasushi Yagi. Descattering of transmissive observation using parallel high-frequency illumination. [3],.., Vol. 4, pp. 3 12, [4] Yi Chang Shih, A Davis, SW Hasinoff, F Durand, and WT Freeman. Laser speckle photography for surface tampering detection. In Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2012 IEEE Conference on, pp IEEE, [5] Jan Zizka, Alex Olwal, and Ramesh Raskar. Specklesense: fast, precise, low-cost and compact motion sensing using laser speckle. In Proceedings of the 24th annual ACM symposium on User interface software and technology, UIST 11, pp , New York, NY, USA, ACM. [6],,.., Vol. 26, No. 3, pp , [7] A. Beer. Bestimmung der absorption des rothen lichts in farbigen flussigkeiten. Annalen der Physik und Chemie, Vol. 86, pp ,

(a) 1 (b) 3. Gilbert Pernicka[2] Treibitz Schechner[3] Narasimhan [4] Kim [5] Nayar [6] [7][8][9] 2. X X X [10] [11] L L t L s L = L t + L s

(a) 1 (b) 3. Gilbert Pernicka[2] Treibitz Schechner[3] Narasimhan [4] Kim [5] Nayar [6] [7][8][9] 2. X X X [10] [11] L L t L s L = L t + L s 1 1 1, Extraction of Transmitted Light using Parallel High-frequency Illumination Kenichiro Tanaka 1 Yasuhiro Mukaigawa 1 Yasushi Yagi 1 Abstract: We propose a new sharpening method of transmitted scene