記事の目次

    本連載では、アカデミックの世界に属してCG・映像関連の研究に携わる人々の姿をインダストリーの世界に属する人々に紹介していく。第5回では、石器や土器などの考古遺物の計測、解析をCGで支援する岩手大学の今野晃市教授に自身の研究室について語っていただいた。

    ※本記事は月刊『CGWORLD + digital video』vol. 244（2018年12月号）掲載の「ACADEMIC meets INDUSTRY 岩手大学 理工学部 今野研究室」を再編集したものです。

    TEXT＿今野晃市 / Konno Kouichi（岩手大学）
    EDIT＿尾形美幸 / Miyuki Ogata（CGWORLD）
    取材協力＿芸術科学会

    企業での研究開発の後、大学へ移動

    岩手大学の今野晃市です。1985年から15年間企業で3Dモデリングに関する研究開発を行い、2001年4月から岩手大学に勤務しています。私は企業と大学の両方に概ね同じ年数在籍してきたので、大学と産業界の連携促進のお手伝いができる本企画に参加でき大変嬉しいです。

    • 今野晃市
       岩手大学 理工学部 システム創成工学科 教授
      博士（工学）
      専門分野：CG（主に形状モデリング）、情報考古学
      gmhost.lk.cis.iwate-u.ac.jp


    私は大学で情報工学を学び、企業では機械系のCAD／CAMシステムの核となるモデリングカーネルの研究開発を行いました。勤務先の企業は、研究成果を短期間で製品に直結できる体制で、研究開発から商品化・保守サポートまでを一貫して行なっていました。そこでは自分の研究成果がベースとなった機能を実装したソフトウェアを、お客様に使っていただけることに大きなやりがいを感じていました。一方で、製品のリリース後は自由な研究の割合が下がっていきました。もともと、商品化などの業務より研究活動を中心とした仕事をしたかったのに加え、学生の教育に興味があったため、大学への移動を決めました。

    現在は理工学部 システム創成工学科 知能・メディア情報コースに所属しており、大学院では総合科学研究科 理工学専攻デザイン・メディア工学コース（修士課程）と、理工学研究科 デザイン・メディア工学専攻（博士課程）の指導を担当しています。本コース（専攻）は、工学と芸術工学の2つの学位を授与できる、国立大学としては珍しいコース（専攻）です。学部生は主に情報（メディア）系ですが、大学院には情報系、環境系、芸術系の3分野の学生が在籍し、融合教育を行なっています。また本コース（専攻）には留学生が多く在籍していることも特徴で、学生の40〜50％は留学生となっています。

    本研究室は、私が岩手大学に赴任した2001年4月に開設されました。研究テーマをどうするか模索していた最初の頃、後に岩手大学発のベンチャー企業であるラングを起業した先生から3D技術を買われ、同社の起業プロジェクトに参加したのが考古学との付き合いの始まりでした。ラングのメインの業務は、考古遺物の計測と計測点群を用いた発掘調査報告用の情報作成で、私が企業で扱ってきたテーマとはまったく別の内容でした。しかし研究の幅を広げる良い機会だと思い、すぐ研究を開始しました。前述したラングの創業者のひとりで現在の社長は、日本旧石器学会や日本考古学協会、日本情報考古学会などで活動している考古学者であり、ビジネスマンでもあります。互いの知識や技術、考え方を理解し、自分の専門分野に翻訳できると、互いの研究の幅が広がり、学際的な研究ができます。考古学分野にCG技術を持ち込んだときの検証が容易なのは、近くにラングがあるからこそだと考えています。

    現在ラングとは石器接合に関する技術を共同研究しており、アプリケーションの開発と実用化を目指しています。その一環で特許［1］も取得しました。さらに、私が勤務していた3次元データの軽量化技術をもつラティス・テクノロジーや、アルプスカンパニー［2］とも共同研究を行なってきました。研究成果を製品化する、あるいはユーザーのニーズを課題として研究を行い、成果を製品に還元するというのは私が企業で行なってきた活動そのものですが、大学と企業との共同研究として実施する場合は、緩めの関係を構築し、例えば年単位くらいの長期的な活動計画を話し合うことが、連携を長続きさせるコツだと思います。それぞれの成果を共有し、より高度な成果を生み出せることが産学連携の最大のメリットですが、組織が別ということは活動予算をどうするかが課題になります。関係を継続することで、行政からの予算獲得もやりやすくなると思われます。

    ［1］特許第6319679号,「閉領域同士の隣接面を探索する探索プログラム及び装置」
    ［2］タイヤ空気圧モニタリングシステム, 特願2009−438, 「3次元データ処理装置及び該装置を内蔵したタイヤ情報監視システム」

    考古遺物の計測、解析をCGで支援

    2018年9月現在、本研究室には学部学生5名、交換留学生3名、修士課程6名（うち留学生3名）、博士課程3名（うち留学生3名）、ポスドク1名が配属されています。留学生は主に、中国、モンゴルから受け入れています。本研究室で博士の学位を取得した修了生が、帰国して大学教員となり、彼らの推薦する留学生を受け入れることが多いです。修了生からの推薦なので、身元もしっかりしており、安心して受け入れています。

    私自身の学位論文は、3次元形状の外形を表す曲線メッシュ上で、隣り合う面同士を滑らかに接続できる曲面表現と、曲面同士を接続するためのアルゴリズムに関するものです。この研究は理論研究で、はまれば楽しいのですが、数学的なバックグラウンドを多く必要とします。基礎の部分の修得に時間がかかるため、博士課程へ進学しない学生にはおすすめしていません。しかし、この技術は3DCGの基盤となる技術で、点群処理や、計測システムの内部設計・開発に非常に役立っています。本研究室の主な研究テーマと研究概要は下記の3つです。


    【1】石器計測と接合処理

    石器は、母岩と呼ばれる原石を打ち欠き、破片を取り出し、その破片の形を調整して制作したツールです。主に黒曜石などが材料として用いられています。打製石器を制作する過程では、破片が多く飛び散りますので、遺跡からは飛び散った破片が発掘されるわけです。

    発掘された破片を集め、組み立てることで接合資料と呼ばれる資料が作成されます。接合資料は破片を3次元的に組み立てるので、ジグソーパズルの3次元版と言え、組み立てには試行錯誤を伴います。これをコンピュータで支援するアルゴリズム開発や、システム構築をしています。

    ▲【左】石器（模造品）を接合したもの／【右】本研究室が開発した石器接合アルゴリズムによる【左】の接合結果。研究の詳細は、本記事の3ページ目で紹介しています


    【2】土器復元と接合用インターフェイス

    土器は、祭事用あるいは日常生活の煮炊きなどで使われたものが出土します。石器と異なり、多くの場合、土器は破壊された状態で出土します。手動による土器の組み立ては、石器接合資料の作成とは異なり、組み立てる過程で表面の模様や特徴的な形状などが現れてくるので、ある意味楽しいと考えます。この研究では、ユーザーの楽しみを損なわずに、試行錯誤による土器片の破損などを回避できるシステム開発を目指しています。


    【3】点群処理基盤アルゴリズム

    形状表面を表す点群は、レーザー計測や写真計測などで得られます。市販の計測装置は大量にある対象物を計測することが少し苦手なので、ラングと共同で、大量に出土した考古遺物を効率良く計測する「多方向大量同時計測装置」を開発しました。この装置は実務で稼動しており、業務の合間に実験用の点群を計測したりしています。

    ▲本研究室が開発した多方向大量同時計測装置。研究の詳細は、本記事の4ページ目で紹介しています


    最近は、モンゴルの文化財のひとつである、ザナバザル制作の仏像を計測し、形状解析を実施しています。解析は、モンゴル国立大学のエンフバヤル先生（本研究室の修了生）との共同プロジェクトで、日本・モンゴル工業系高等教育支援事業と、日本学術振興会の二国間交流事業の支援で行なっています。

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    多くの院生が情報・通信系企業に就職する中
    一部はゲーム業界へ

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    多くの院生が情報・通信系企業に就職する中、一部はゲーム業界へ

    学術論文は年間3〜4本程度が採択されており、学会発表は学生数に応じて実施しています。国際会議での発表は5〜6件程度で、CGI（Computer Graphics International）、CASA（Computer Animation and Social Agents）、NICOGRAPH International、IWAIT（International Workshop on Advanced Image Technology）などに投稿しています。国内会議での発表はNICOGRAPH、日本情報考古学会、芸術科学会 東北支部研究会などを含めて20件程度です。修士課程は、修了までに国際会議1回、国内会議1回以上の発表をするよう指導しています。博士課程は、年間の国際会議や国内会議のスケジュールと、本研究室推奨の会議を年度の最初に説明して、各自で目標を定めて発表します。

    企業で働いていた頃はあまり論文作成ができませんでしたが、大学に移動してからは学生と一緒に積極的に研究を行い、NICOGRAPHや日本情報考古学会などで15件の論文賞を受賞しました。受賞すると学生の研究活動への意欲が高まりますし、指導教員はそれまでの指導が報われるので、非常に嬉しいことです。

    卒業（修了）後は、多くの大学院生が学校推薦などによって情報・通信系の一般企業へ就職していますが、一部の大学院生はゲーム業界へ就職しています。また多くの博士課程の学生が、母国の大学や日本の大学へ教員として就職しています。現在、本研究室では11名の修了生が博士の学位を授与されています。

    バーチャルカンパニーで土器パズルなどの製品開発も実践

    理工学部には、学内にバーチャルカンパニーをつくり、学生と一緒に起業体験する「ものづくりEF（エンジアリングファクトリー）」というプロジェクトがあります。2009年に準備委員会がつくられたときから、私は本プロジェクトに関わっています。バーチャルカンパニーは学内カンパニーと呼ばれ、将来起業家を目指す学生や、大学で学んでいることが製品開発にどう役立つのかを知りたい学生が参加しています。

    私は学内カンパニーの公募に学生と共に応募して、2010年からMMM（エムキューブ）というバーチャルカンパニーを起ち上げ、考古遺物を3Dプリンタで出力して製品化する事業を行なっています。情報系の学生に加え、本学で美術を専攻している学生にも手伝ってもらい、3Dプリンタの出力物に色を付けた土器パズルなどを制作しています。最初は修士課程の学生が中心になって活動していましたが、ここ数年は学部1年生も入社するようになり、MMMの年齢層は広がってきています。MMMは様々な分野の学生が集まる融合プロジェクトとなっているため、学生のコミュニケーション能力向上や視野拡大におおいに役立っています。

    ▲実物の土器（右）を模倣し、MMMが開発した土器パズル（左）。本作はMaker Fair Tokyo 2017にて「チームいわて」のブースに出展されました


    ▲陸前高田市森の前地区にある「五本松の巨石」と呼ばれる史跡の模型。ここは地区の人々の拠り所となっていたため、かさ上げ工事で埋め立てられる前に記録として残したいという要望を受け、MMMが本研究室の技術を使い制作しました

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    計測点群を用いた石器接合アルゴリズム

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    RESEARCH 1：計測点群を用いた石器接合アルゴリズム

    ・研究目的

    本研究の目的は、出土した石器を計測した点群を用いて、接合資料を作成する方法をユーザーに提示することです。出土した石器は、洗浄、母岩分類（材質などに基づいた分類）などを経て、材質・色・模様などを手がかりに面同士を接合していきます。石器をジグソーパズルのピースと考え、隣り合う（すなわち面が合わさる）ピースを探索することが課題となります。ジグソーパズルとは異なり、石器接合では必要な全てのピースが出土するとは限らないので、「もうこれ以上接合しない」という判断が非常に難しいといわれています。本研究では、ある遺跡から出土した石器だけでなく、近隣の遺跡から出土した石器を含む膨大な数の石器を全てテストできるようなしくみも検討しています。

    石器のマッチングは、剥離面と呼ばれる面単位で行います。本研究では剥離面の形状の一致度を算出して、最も一致度の高い面同士を接合します。また一般的に複数の母岩が混在した状態で接合が行われるので、本研究ではその状況を想定し、複数のグループの石器を混在させた状態で、接合資料生成が可能かどうかを検証しました。


    ・主な先行研究

    破片を計測して組み立てる研究はいくつか行われています。Huangらは、破壊された塑像を組み立てるために、隣接する破片を探索する方法を提案しています［1］。またBrownらは破壊されたフレスコ壁を復元するために、Huangらの方法を応用し、隣接する破片を探索する方法を提案しています［2］。これらの方法では、破片の断面形状に激しい凹凸がある場合を想定し、変化の具合を手がかりにマッチングしています。一方、石器剥離面は面形状が滑らかで変化が少ないため、前述の手法を適用することは困難です。


    ・研究内容

    本研究では石器を3次元計測した点群を用いて、次のながれで隣接剥離面探索と隣接剥離面の3次元空間姿勢を算出しています［3］。

    【1】石器点群軽量化
    【2】稜線抽出
    【3】剥離面認識
    【4】隣接剥離面検出と空間姿勢算出
    【5】剥離面再構築

    【1】、【4】、【5】は、本手法の中核を成すアルゴリズムになっています。【1】の石器点群軽量化では、【4】の隣接剥離面検出の精度を向上できるような軽量化手法［4］を用いています。また【4】では、剥離面同士の幾何学的な一致度を、距離と剥離面の面積を考慮して算出する新しい評価法を開発・導入しています。さらに【5】は、2つの石器を接合することによって現れる剥離面をその都度認識することで、複数の石器にまたがる複合的な剥離面を処理できるようになっています。これまで石器接合を自動化した例はほとんどなく、考古学者からもおおいに期待されている技術です。

    ▲【左列】石器（模造品）を接合したもの／【右列】本研究室による【左列】の接合結果


    ▲【左】2つの石器の接合例。モデル1（薄い緑色）とモデル2（濃い緑色）を接合しました／【右】【左】の接合では、モデル1のV1とモデル2のV2、およびモデル1のV3とモデル2のV4が接合箇所の境界線の端点になります。接合の結果、青色の線で囲まれた剥離面が再構築されています。赤色はモデル1、黄色はモデル2の剥離面だった部分です


    ▲3つの石器を接合し、剥離面を再構築しています。黄色の線は、再構築された剥離面の境界線を表しています


    ・制作現場での実用の可能性

    本研究成果は特許化（特許第6319679号）されており、共同研究しているラングと共に実用化を目指しています。実用化するためには、接合された情報を解析して、実際の石器を接合する手順を抽出した後、ユーザーにわかりやすく提示する必要があると考えています。

    ・今後の課題

    本研究では剥離面の一致度に基づいてマッチングする手法を採用していますが、剥離面が部分的に一致している場合や、一致している面積が非常に小さい場合にも正しい結果が得られるように、アルゴリズムを拡張していく必要があると考えています。


    ・参考文献

    ［1］Q.Huang, S.Flory， N.Gelfand， M.Hofer, H.Pottmann， "Reassembling Fractured Objects by Geometric Matching"， ACM SIGGRAPH 2006， pp．569-578， 2006.
    ［2］B.J.Brown， C.Tolerfranklin， D.Nehab, M.Burns， D.Dobkin， "A System for High-Volume Acquisition and Matching of Fresco Fragments : Reassembling Theran Wall Paintings"， ACM TOG， Vol.27， No.3， pp.84:1-84:9， 2008.
    ［3］千田あゆみ, 松山克胤, 千葉史, 今野晃市 ： 接合資料作成のための計測点群による高速な隣接剥離面探索手法, 芸術科学会論文誌, Vol.13, No.2, pp.107-115, 2014, 芸術科学会論文賞受賞.
    ［4］X. Yang, K. Matsuyama, K. Konno, Y. Tokuyama : A Feature Preserving Simplification of Point Cloud by Using Clustering Approach Based on Mean Curvature, The Journal of Art and Science, Vol.14, No.4, pp.117-128, 2015.


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    多方向大量同時計測システム

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    RESEARCH 2：多方向大量同時計測システム

    ・研究目的

    本研究の目的は、前述の石器を大量に同時計測するためのシステムを構築することです。ひとつの遺跡から出土する石器は数百〜数千個と言われており、これらを処理して発掘調査報告書を作成することが求められています。しかし、市販の計測装置だと大量に出土する石器を効率良く計測することが困難なため、ラングと共同で多方向大量同時計測システムを開発しました［1］。


    ・主な先行研究

    3次元計測装置は様々なものが市販されており、実物の表面を計測し、3次元点群データを取得することが可能です。しかし多くの装置は、一度に測定可能な対象物がひとつ、あるいは少数で、大量の石器を計測する用途には不向きとなっています。

    また、石器を処理して発掘調査報告書に掲載する場合は、前後上下左右の6方向から見た形状を、石器を実測した数値に基づいて図化します。したがって図面を計測点群から作成するためには、全方位からの測定が求められます。


    ・研究内容

    本研究では、ガラステーブルおよび複数のレーザー計測装置を用いて、大量の考古遺物を、全方位から同時に測定可能な計測システムを開発しました。このシステムでは、テーブルを挟むようにコの字型のアームを設置し、アームの上部（テーブルの上側）に2つ、下部（テーブルの下側）に2つ、合計4つのレーザー計測装置を配置しています。計測時にはアームがx方向とy方向に移動しながら対象物をスキャンするため、テーブルの上側2方向と、テーブルの下側2方向から、同時に対象物を計測することが可能です。計測後は、各レーザー計測装置から得られた情報を統合し、石器表面の3次元点群データを獲得します。

    ▲【左】計測システム全体／【右】計測中の様子。ガラステーブルの上に置かれた大量の考古遺物を、コの字型のアームの上下に設置した4つのレーザー計測装置でスキャンしています


    ▲計測システムの模式図。アームはx方向とy方向に移動しながら対象物をスキャンします


    本研究では、前述の上下4方向からの計測を行う前に、上下2方向、テーブルに対して垂直に配置した2つのレーザー計測装置を使ったシステムを試作しました。しかしこのシステムでは対象物の全方位にレーザーが届かず、一部の3次元点群データが欠損してしまいました。そこでレーザー計測装置を4方向に設置し、対象物を斜めから計測することで、レーザーの当たらない箇所を削減できるシステムを構築しました。その結果、3次元点群データの欠損を大幅に削減することに成功しました。

    ▲ある石器の計測結果を基に生成された、前後上下左右の6方向から見た形状表面画像。2つのレーザー計測装置を使ったシステムで測定しているため、レーザーが届かず、3次元点群データが欠損した部分（白く抜けている部分）が多く残っています


    ▲4つのレーザー計測装置を使っているため、白く抜けている部分が大幅に削減されています


    ・本研究の新規性

    本システムのガラステーブルの大きさは100cm×50cmで、その上に数百個の石器を並べ、同時に計測することが可能です。また、4方向から同時にレーザー計測することで、自己オクルージョンの問題を解決し、凹凸の激しい石器でも欠損の少ない3次元点群データを獲得し、その形状表面画像を生成することが可能となっています。このように一度に大量の石器を自動的に測定することは市販の計測装置では困難ですが、本システムは考古遺物（石器）計測に特化することで、ひとつの石器あたりの計測時間を大幅に短縮することができました。

    なお、本システムも特許化（特許第5316992号）［2］されており、ラングにて実運用しています。


    ・今後の課題

    本システムでも計測しきれない欠損部分を埋め、さらに完全な形状表面画像を生成するため、新たなアルゴリズム［3］を開発しています。また、より複雑な表面の石器計測が可能となるように、装置や点群処理ソフトを改良していきます。


    ・参考文献

    ［1］村木祐太, アルタンツェツェグ エンフバヤル, 千葉史, 松山克胤, 今野晃市 : 多数の遺物を一括測定可能なレーザー型自動計測システム, 情報考古学Vol.20, No.1・2, pp.8-15, 2014, 日本情報考古学会論文賞受賞.
    ［2］今野晃市, 千葉史, 村木祐太, 横山隆三, 相馬孝志, 横山真, 「レーザー計測装置を用いて被計測物を複数方向から同時計測するシステム」, 特許第5316992号.
    ［3］E.Altantsetseg, K.Matsuyama, and K.Konno : Minimum Surface Area Based Complex Hole Filling Algorithm of 3D Mesh, The Journal of Art and Science, Vol.14, No.2, pp.26-35, 2015.



    • 月刊CGWORLD + digital video vol.244（2018年12月号）
      第1特集：映画『HUGっと!プリキュア♡ふたりはプリキュア オールスターズメモリーズ』
      第2特集：エンバイロンメント 2.0

      定価：1,540円（税込）
      判型：A4ワイド
      総ページ数：144
      発売日：2018年11月10日
      cgworld.jp/magazine/cgw244.html