コンピュータビジョンII 2015/10/6 どのような色を見ているのか？ 人間が見ている色と，カメラが見ている色 1.色と波長 Color and Wave Length 同じにすることは難しい むしろ同じにする必要はない 赤い 人間の眼 R:230, G:14, B:23 担当教員：向川康博 カメラ 計算機 そもそも「色」とは何か？ 視覚のうち，光波のスペクトル組成の差異によって区 別される感覚．光の波長だけでは定まらず，一般に 今日のミニレポート 2015/2に話題に 色相（単色光の波長に相当するもの） 彩度（あざやかさ即ち白みを帯びていない度合い） 明度（明るさ即ち光の強弱） の三要素によって規定される（広辞苑より） 今日のミニレポート なぜ，人によって見え方が異なったのか，今日の 講義の内容に基づいて説明せよ． 色の３原色 1 色の表現 HSV色空間 一般的には言葉（赤，橙，黄，緑，青，藍，紫，...）で 画像ではRGBで 印刷ではCMYで 直感的にはHSVで 人間の感覚に近い表現方法 色相（Hue） 赤，橙，黄，緑，青，紺，紫のどの色か 彩度（Saturation） 鮮やか（原色か）か，白が混ざっているか 明度（Value） 明るいか暗いか PowerPointでの 色指定の例 混色 電子機器での色表現 コンピュータに多いRGB 加法混色 画像の内部表現や画像の出 赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ） 力方式との互換性 CRT，LCD AV機器に多いYCrCb 減法混色 歴史的経緯 シアン（Cyan），マゼンタ（Magenta），イエ 画像の圧縮方法との互換性 ロー（Yellow） 主に印刷用．実際にはCMYの混色によ る黒の表現は難しいため，黒を補った CMYK４色で表現 カメラの色計測 単板でRGBセンシング フォトダイオードは光の強弱を検知できるが，色の 識別はできない 3CCD/3CMOSカメラ Foveon X3 センサ プリズムで３原色に分解 コストは高いが，色の再現性も高い 1CCD/1CMOSカメラ 個々のCCD素子に単色のフィルタをかけて一つの色の強 さだけ検知し，周囲の素子の信号と総合して色情報を得る （デモザイク） R G G B ベイヤーパターン http://www.sigma-photo.co.jp/camera/index.html 2 色恒常性 カラー情報の記録・伝送・再現 照明を理解し，自動的に補正できる高度な視覚能力 色情報の正しい取り扱いの必要性 遠隔モニタリング，電子美術館，遠隔教育，遠隔医療，オ ンラインショッピング，．．． 光の３原色による処理の限界 ビデオ会議で 色再現性が正しい例 照明に違いによる見え方の変化 https://engineering.purdue.edu/~bouman/ece637/notes/ColorConstancy/color/ 波長 色と波長の関係 光は波（電磁波）である． 約380nm～780nmの波長は，目で感じることができ，可視光と 呼ばれる 可視光線の外側の波長（紫外線や赤外線）は見えない 「光そのものには色はついていない」（アイザック・ニュートン） 色は物理量ではなく，人間の感覚量 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8F%AF%E8%A6%96%E5%85%89%E7%B7%9A 分光分布 E(l) 各波長ごとのエネルギー強度を表したもの λの関数 可視光の場合は 380<λ<780 で定義 黒体放射 黒体（あらゆる波長の電磁波を吸収する物質）が 放出する熱放射 温度が高くなるにつれて，赤から黄，さらに青白 くなる 分光分布は絶対温度 T の関数として記述できる 太陽光の分光分布の近似 黒体放射温度は約5800K http://www.tlt.co.jp/tlt/lighting_design/design/basic/data/10_22.pdf http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%AF%E3%81%AE%E6%B3%95%E5%89%87 3 分光反射 分光分布から色への変換 入射光の分光分布 太陽光，蛍光灯，ハロゲンランプ，レーザ光．．． 分光反射率 「色」を決めるためには，何が（誰が）見るのかを決 める必要がある Vi 物体固有の情報 780 l 380 反射光の分光分布 E (l ) R(l ) Si (l )dl （i = R,G,B） l 反射光の分光分布 l 反射光の分光分布 E (l ) R (l ) l 分光感度特性 S i (l ) l 入射光の分光分布 l 物体表面 分光反射率 (VR ,VG ,VB ) 入射光の分光分布 E (l ) l 物体表面 人間とカメラの感度特性の違い 網膜上には３種類の錐体 分光反射率 R (l ) 照明の分光分布 照明光の分光分布の多くは，有限個の基底関数の 線形和で近似表現できる うす明かりを感じる杆体も およそ３個で近似可能 m E (l ) i Ei (l ) カラーカメラでは３バンド計測 i 1 カメラごとに異なる感度特性 カメラによる色の違い Juddらによる異なる昼光分布の主成分分析結果 SONY DFW-SX910の例 反射率の分光分布 ナチュラルビジョン 自然界に存在する多様な物体，人工的に作られた 様々な材質の分光反射率も，有限個の基底関数の 線形和で近似表現できる およそ７個で近似可能 平成13年～17年度 情報通信研究機構(NICT)のプロ ジェクト RGB3原色では，人間の目が知覚できる色域の一部 しか表現できない． 映像の高精細化，立体化とは別の軸での新しい展開 n R(l ) i Ri (l ) i 1 分光反射率データベースの主成分分析結果 http://www.viri.osakac.ac.jp/symposium02/shoji.pdf 観察者がその場に行ったときに 見る色をそのまま再現する 対象物が観察者の目の前に あるときと同じ色を再現する http://nvision.jp/ 4 マルチスペクトル計測 マルチバンドカメラ 静止画用 人の眼が感じる色を正確に算出するためには，マ ルチスペクトル化が有効 RGB表示装置では人間の眼が知覚できる色域の一 部しか表示できない． 多原色表示を利用することで，人間の眼が知覚で きる高い彩度の色域に近づけることが可能となる． 16バンド回転フィルタ型 マルチスペクトルカメラ 動画用 ６バンドHDTVカメラ マルチバンド表示系 分光器 フィルタ特性を調整した2台のプロジェクタを重ね合 わせて表示することで，6原色プロジェクタを構成 プリズムや回折格子を用いて波長ごとの強度を計測 物体色・光源色の特性評価 試料分析 6原色フロント投射型 プロジェクタ 小型リア型6原色 ディスプレイ装置 http://www.jaima.or.jp/jp/basic/spectroscopy/ http://www.konicaminolta.jp/instruments/products/spectrometer/principle.html 分光画像の撮影 分光画像の例 プリズムによる分光 １ライン分の分光分布を２次元画像として計測 蛍光灯 太陽光 実 空 間 で の 高 さ λ ２次元シーン １ラインの波長分布 １点の波長分布 http://www.jfe-tec.co.jp/product/hikari/imspector.html 5 吸収スペクトル 太陽光はほぼ黒体放射 原子が特定の波長の光を 吸収する 地表に届く太陽光のスペク トル分布は滑らかではない 分光解析の例：皮膚 ３バンドでは区別のつきにくい差異を強調 原画像 550nmの強調 580nmの強調 原画像 550nmの強調 580nmの強調 三井ら，マルチスペクトル画像を用いた皮膚病変部の強調と定量化， Medical imaging technology, 2005 見える光と見えない光 約380nm～780nmは可視光，それ以外は不可視光 見えない光 ガ ン マ 線 硬 エ ッ ク ス 線 軟 エ ッ ク ス 線 極 紫 外 線 紫 外 線 可 視 光 線 近 赤 外 線 中 赤 外 線 遠 赤 外 線 マ イ ク ロ 波 Ｖ Ｈ Ｆ 波長 Wikipedia.org 紫外線 Ultra Violet (UV) 10～400nmの波長，Ｘ線より長く可視光より短い 化学線とも呼ばれ，殺菌消毒や日焼けの原因 メラニン色素を酸化させて褐色に変化させる 発癌性など生体に対する破壊性が強いが，オゾン 層により地表には到達しない（波長にもよる） ブラックライト 可視光を吸収し，蛍光作用の強い紫外線を照射す るランプ 蛍光物質を発光させる 紙幣や美術品の鑑定 舞台・バー・お化屋敷などの演出 蛍光により，人間も知覚できる http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2008/October/23100802.asp 6 蛍光の原理 通常の反射 分光反射率 • 波長ごとに独立し て計算可能 L( l ) E ( l ) R ( l ) • 入射光よりも波長 が長くなる • 蛍光色は入射光 の分光分布に依 存しない 入射光の分光分布 蛍光の場合 入射光の分光分布 L(li , lo ) E (li ) (li , lo ) (lo ) a (li )E (li )dli 蛍光はなぜ発光しているように見えるのか 画像を撮影したRGB値としては，通常のインクと同じ 人間は照明色に影響を受けない反射率を推定しよ うとする（色恒常性） その結果，反射率が１を超えてしまう それは，自己発光していないと説明がつかない (172,195,125) 吸収特性 発光特性 (210,130,169) (122,178,179) (173,55,53) 赤外線の分類 遠赤外線の可視化 サーモグラフィ（一般に高価） 物体から放射される遠赤外線の空間 的な分布を可視化 熱を持った物体からは必ず放射され， 温度によって放射量は増える レンズはゲルマニウム 可視光線と電波の間の電磁波 近赤外線 約800～2000nm 見えないが可視光に似た性質の光 主としてリモコンなど遠隔操作，通信などに利用 中赤外線 約2000～4000nm 分光分析に利用 遠赤外線 約4000nm～1000μm(1mm) 熱を持った物体（絶対温度が0Kを超える物体）からは必ず 放射されている 暗視カメラ，温度センサとしての利用 遠赤外線による温度計測の例 空港での遠赤外カメラ 新型肺炎（SARS）流行時に広く導入 発熱を検知するとブザー ガス管 配管 タンク マザーボード 侵入者 エンジン 基板 海上監視 過電流 地熱監視 http://www.infrared.avio.co.jp/jp/appli/monitor.html https://www.thermography.or.jp/utillization/utillization05.html 7 人工衛星からの温度計測 近赤外線 たまたま人間には見えない普通の「光」 人間に見えないこと利用した様々な応用 暗視カメラ Kinectのパターン投影 リモコン 通信 生体に対する性質 深部到達性 衛星画像から得ら れた海面温度分布 低吸収・低散乱 可視・近赤外画像 遠赤外画像 低侵襲性（X線に比べて安全） 観測波長による違い 暗視カメラとしての近赤外線 近赤外光の透過性 照明が必要であることに注意 たまたま人間に見えないだけで， 普通の光 可視光と赤外光の透過率の違い トイザらス 7,999円 人体に対する高い透過性 近赤外光を用いた静脈認証 光学の窓 近赤外線を吸収するヘモグロビン 皮膚のすぐ下にある静脈（還元ヘモグロビン） 赤色照明 近赤外照明 日立指静脈認証 8 近赤外写真 CCDの感度特性 植生の高い反射率 近赤外に高い感度を 持つ高感度カメラ 通常のCCDでもある 程度の感度 一般には近赤外カット フィルタを装着 可視光 近赤外光 アートとしての利用 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B5%A4%E5%A4%96%E7%B7%9A%E5%86%99%E7%9C%9F 通常は近赤外をカット 近赤外デジタル一眼レフカメラ 近赤外にも感度を持つセンサ 自然な見え方にするための近赤外カットフィルタ 工夫次第で近赤外カメラにも Foveon社イメージセンサ 美術品の調査・鑑定や鑑識などでの使用を想定 IRカットフィルタの取り外し PENTAX 645D IR 黒田清輝 《菊》 ポーラ美術館蔵 https://www.ricoh.co.jp/fa_security/infrared/645d/point.html 可視光カットフィルタの装着 油絵の鑑定 近赤外分光解析の例：水分検出 波長1200, 1450nm付近に水による近赤外光の吸収 A：水分のない箇所 B：水滴を垂らして乾いた箇所 C：水滴を垂らして濡れている箇所 加筆消去前 加筆消去後 赤外線撮影 ＡとＢは肉眼では区別がつかない https://www.ricoh.co.jp/fa_security/infrared/645d/point.html 残存水分の量に応じた反射率の差 http://www.jfe-tec.co.jp/product/hikari/case02.html 9 近赤外分光解析の例：素材判定 近赤外分光解析の例：糖分検出 フルーツトマト と 普通のトマトは区別できるか？ 960, 1150 nm: 高濃度ほど 透過率が高い 糖度で差が出る波長 (960, 1150 nm) 植物とプラスチックの葉の識別 異物検査 http://www.jai.com/jp/newsevents/news/ad-130ge 水を基準とした相対透過スペクトル（濃度ごと） トマトの透過スペクトル まとめ 物理量としての分光分布 照明の分光分布 物体の分光反射率 センサの分光感度 人間の感覚量としての色 不可視光 紫外光・近赤外光の特性 10
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