20160612 第34回cv勉強会@関東コンピュテーショナルフォトグラフィ

第34回 CV勉強会@関東
CV最先端ガイド4
コンピュテーショナルフォトグラフィのための光学系入門
2章冒頭～ 2.2.1 レンズの基礎
2016年6月12日 @OZ_Z_C
2016/6/12 CV勉強会@関東 CV最先端ガイド4 コンピュテーショナルフォトグラフィ 1

自己紹介
@OZ_Z_C (twitter)
 某企業研究所所属
専門：画像符号化 (画像圧縮)
2016/4～ CV的な研究テーマに従事
CV勉強会参加歴
聴講：2年位前からしばしば
発表：初
よろしくお願いします！

担当範囲
コンピュータビジョン最先端ガイド 4
2章コンピュテーショナルフォトグラフィ理解のための工学系入門
1. はじめに
2. レンズ
1. レンズの基礎
2. 理想レンズと収差
3. 結合公式とシャインフリュークの法則
3. 光線の表現とカメラの働き
4. 応用例
5. ライトフィールドの特性と解析
6. まとめ
←担当範囲

第2章のスコープ
コンピュテーショナルフォトグラフィ
Computational Photography : CP
理解するには、光学系や信号処理に関する知識が必要
第2章では、CPに関する光学系の基礎を説明
関連分野
コンピュータビジョン
イメージベーストレンダリング

コンピュテーショナルフォトグラフィとは
計算機による演算を介してシーンの画像・映像を獲得する手法
既存のデジタルカメラ
フィルム式カメラのフィルムをセンサに置き換えただけ
レンズの役割：記録デバイス上に鮮明な像を形成
CPではカメラの機能面に着目：被写体の像を画素値として出力
センサからの出力データを復号して画像が出てくれば良い
レンズが形成する像 : 光記録過程の中間表現の一つに過ぎない
→ 美しい像を形成する必要はない

CPの基本的な動機
カメラ全体の構成を一から見直す余地あり
所望の画像を得る/必要な機能を実装するため
従来とは全く異なる光学系とデータ処理の組み合わせに新たな有効性？
カメラ進化の第2幕として注目を集めている
第1幕：撮像素子によるフィルムの置き換え
第2幕：半導体デバイス・計算機技術による進化

デジタルリフォーカス
撮影したあとで信号処理によってフォーカスを変える技術
手前の馬型の何か
にフォーカス
奥の馬にフォーカス
背景にフォーカスhttps://pictures.lytro.com/lytro/collections/41/pictures/1015262

符号化撮像（第3章のテーマ）
露光時間や絞りを符号化(意図的なパタンでON/OFF）してわざと画像をぼかす
ことで、ぼけ画像の復元や奥行き推定を容易/安定にする

コンピュテーショナルフォトグラフィの歴史
CPが生まれたのは2004～05年ごろ？
元ネタ：”Computational Photography”の伝道師
https://www.cgarts.or.jp/report/rep_kr/rep0309-2.html
2005年5月に“Computational Photography and Video”というシンポジウムが開
催@MIT
まだ生まれてから10年程度の新しい分野
定義や範囲がまだはっきりとしていない？(少なくとも2011年時点では)
イメージベーストレンダリング（Image-Based Rendering : IBR）との違い？

イメージベーストレンダリングとは
従来：モデルベーストレンダリング
3次元モデルから任意視点画像を生成→3次元モデルを作るのが大変
イメージベーストレンダリング
複数視点の画像から任意視点画像を生成
空間の光線情報を記述したライトフィールドを用いる
http://www.map.archi.fr/aibm/Portal_of_Architectural_Image-Based-Modeling/Exp-Moreno.html

CPとIBRの違い
IBR
あくまで、単体でも鑑賞に堪えうる画像の獲得を目指すもの？
CP
画像の獲得方法を変えようとするもの？
実際、光学系の解析や設計に踏み込む機会は多い
レンズ光学系の性質、ライトフィールドに関する知識が必要

レンズの基礎
レンズの働き
平行光を1点に集める

レンズの基礎
前置き
写真用レンズは通常3枚以上のレンズで構成→収差を補正するため
以降では入射光と出射光の関係のみに注目
入射光と出射光を延長した際の交点を点Aとする

焦点距離とは
下記2点の距離を焦点距離fと定義
入射光を極限まで光軸に近づけたときの交点A
その時の像B（出射光と光軸の交点）
焦点距離は光軸付近を通る平行光によって定められる
レンズの収差には影響されない→どんなレンズでも定められる

焦点距離と像の大きさの関係
焦点距離が長いほど大きな像になる

ズームレンズ
焦点距離を変化させられるレンズ
内部の凹凸レンズの間隔を変えることで焦点距離を変える
http://web.canon.jp/Camera-muse/tech/report/2014/12/

ズームレンズの倍率
ズームレンズの倍率 =
焦点距離
焦点距離の最小値（広角端）
≠ 倍率𝑀(𝑐𝑓. 2.2.3) =
像の大きさ
被写体の大きさ
http://av.jpn.support.panasonic.com/support/dsc/knowhow/knowhow13.html

被写界深度
被写界深度 = ピントがあう距離の範囲
範囲狭い/広い→被写界深度が浅い/深い
深浅

被写界深度
ピントがあう、とは？
被写体上の1点から出た光が、撮像素子上の1点に集まること
http://fujifilm.jp/support/digitalcamera/knowledge/lens/apd/index.html

被写界深度
東芝：カラー開口撮像技術

口径
口径
入射光の円筒の太さ
絞りで調整可能
口径が大きいほど被写界深度が浅くなる
小大

F値
F値 = 焦点距離/口径
レンズの明るさを示す値
F値が小さいほど明るいレンズ
小大

F値
F値 = 焦点距離/口径
レンズの明るさを示す値
F値が小さいほど明るいレンズ
口径が1 2になると光を集める面積は1/2
＝ F値が 2倍になると明るさが1/2
通常のカメラでは1段階で明るさが倍半分になるF値を使用

結像公式
Q. 結像公式は経験からの近似？厳密性あり？
A. 理想レンズで自然に成り立つ厳密な式
続きは2.2.2で
1
𝑎
+
1
𝑏
=
1
𝑓

fin.
2016年6月12日 @OZ_Z_C

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