2010/04/23

立体視の偽

ついこの間デジタル・ハイビジョンが出てきたと思ったら、今度は立体テレビが出てきたねぇ。
これまでは専用のメガネが必要だったりしたけど、ついに裸眼でも立体的に見えるディスプレイが開発されたのだ!
なんでも、次世代型のDSではその立体視ディスプレイが装備されるのだとか。
なんだかむかしアニメで見たようなホログラフィーが浮き上がってくるディスプレイのようだねぇ。
で、こうなると気になるのが、なんで立体的に見えるか、ということで、さっそく調べてみたよ。

まずおさらいをしておかないといけないので、人間がどうやって立体視をしているかという話。
人間や多くの猿、一部の鳥では、目が顔の正面に並んで二つついているので、ものを立体的に見ることができるのだ。
これは、右目で見たときと左目で見たときでは入っている映像情報が異なり、その「差」(ずれ)を脳内で「奥行き」として処理しているからなんだ。
このずれのことを両眼視差と言っていて、近くにあるものであれば差が大きく、遠くにあると小さくなるのだ。
簡単にイメージしてみると、右目で見ればものの右側がより深く見えるし、左目だとその逆になるので、両目で見られる中心の共通領域と片目でしか見えない領域との見え方で奥行きを判断しているということになるよ。

草食動物や魚のように顔の側面に目がある場合はあまり立体視が得意じゃないんだよね。
目が顔の前方に並んでいると目だけで見渡せる範囲は狭くなるけど(そのために首の運動で顔の面を動かす必要が出てくるのだ。)、立体視ができるので奥行きや距離感をつかみやすく、遠近感覚に優れるのだ。
一方、目が顔の側面にある場合、立体視がしにくいので、対象が自分からどの程度離れているかは見える大きさだけで判断する必要があるんだけど、その分一度に広範囲を見渡せるんだよね(自然界では外的などは当然大きさがあらかじめわかっているものなので、さほど不自由はしないみたい。)。
これは進化の過程でどちらがその動物の生活環境に有利だったか、ということにつながるんだよね。

これが人間が立体視をしている原理なんだけど、逆に、左右の目にずれのある画像情報を送ることができると、脳内で勝手に「奥行き」があるものと処理して立体的に見えるようになるのだ!
これは一種の錯覚で、遠近法を使った絵に奥行きが感じられるようなものがさらに高度化されているようなものかな?
で、右目用の情報と左目用の情報をどうやってそれぞれの目に届けるかで、立体映像の方式が変わってくるわけ。

ホログラフィーのように三次元像を再現する技術もあるようだけど、ディスプレイに使う場合は、平面の画面に映し出された映像を見て、それを立体的だと錯覚するようにし向けているんだよ。
もっとも古典的なのは赤と青のメガネを使うもので、赤いセロファンを通すと青色の映像情報だけが目に入り、青いセロファンを通すと赤色の映像情報だけが目にはいるので、これを右と左に振り分ければよいのだ。
雑誌の付録にもよくついていたようなものだよね。
でも、このままだとモノクロ映像になってしまうのだ。
最近はカラー情報を残すこともできるようになっていて、それを使った立体映像のアニメなんかもあったよね。
でも、青と赤のフィルターを通すという原理を使う限り、どうしてもカラーバランスは崩れてしまうのだ。
その分技術的に簡単で安くすむようだけど。

ここからもう少し進化したのが偏光を使ったもの。
一般に偏光と呼ばれるのは、電場(又は磁場)の振動方向がそろった光のことで、直線的に振動するのが直線偏光、振動面が回転していくのが円偏光と呼ばれるのだ。
自然光の場合はいろんな方向に振動している光(=電磁波)が混ざっているんだけど、偏光子と呼ばれる素子を通すことで振動面をそろえて偏光に変換することができるんだ。
この偏光子は逆方向から見ると偏光フィルターにもなっていて、特定の振動面を持つ偏光しか通さない性質があるので、これを利用して左右の目に別の映像を振り分けることができるのだ。
右用・左用それぞれの映像を異なる振動面を持つ偏光で作っておいて、偏光フィルターのついたメガネをかけると片側の偏光の映像だけが目に入ってくるという仕組みだよ。
遊園地などにある立体映像のアトラクションは主にこの原理を使ったもので、入るときにわたされるサングラスのようなメガネが偏光メガネで、あれがけっこう高価なんだよね(笑)

最近出てきているのは液晶シャッターメガネを使うもの。
これは、画面上は右目用映像と左目用映像が高速で入れ替わっていて、それに合わせてメガネのレンズにシャッターが下りて片目だけに映像情報が入るという仕組み。
左目用映像を映し出しているときには右目のシャッターが下りているのだ。
実際には何かが物理的に下りてくるんじゃなくて、鋭気称になっていてそこに電圧をかけて一時的に見えなくするというメカニズムみたい。
すぐれた仕組みで、二重にぶれた映像を流していないので裸眼でそのまま画面を見ても気持ち悪くないのだ(笑)
ただし、メガネの方を無線で画面に合わせて駆動させなくてはいけないので、けっこう大がかりなものではあるし、けっきょくメガネが必要なのだ。

そこで出てきているのが裸眼で立体視できるもの。
現在報道などで出てきているのは2つで、メガネなしでも左右の目に別の映像を届けようとする手法と、そもそも普段目から入ってくる視覚情報のように映像情報を光線として再現する手法なんだって。
前者は、画面に細かなスリットが入っていて、二重に映像を映し出しても、スリットによる解説で右目用の映像は右方向に、左目用の映像は左方向に出てくるというもの。
まもなく量産も開始されるそうだけど、メガネがいらないとは言いながら、画面を正面から見ないとうまく立体的に見えないのが難点なのだ。

そこも解消する技術がNHK放送技術研究所なんかでやられているインテグラル立体テレビシステムというもので、屈折率の異なる複数のレンズを通して撮影し、それをやはり屈折率の異なる複数のレンズを通して映像として映し出すことで、普通に目に入ってくる視覚情報と同じような光線の波面が再現されるんだとか。
簡単に言うと、普通にものを見たときの視覚情報を擬似的に再現して映し出してくれということだよ。
これだと、側面から見ても、寝転がってみても立体的に見えるそうなのだ!
すごい技術だねぇ。

というわけで、立体テレビはどんどん技術が進歩していて、そのうちに浸透していくみたい。
ゲーム機にまで採用されれば、立体放送が標準化されるのも近いかな?
でも、地デジですら導入が遅れているのに、またすぐに立体テレビじゃなかなか浸透しないだろうけど。
とりあえずは、裸眼でその映像を見てもぶれて見えないけど、対応テレビで見ると立体的に見える、というのから始めるとよいのかもね。

2010/04/15

直接描く絵の具

たまたまつけていたテレビでクレヨンとクレパスの違いを紹介していたのを見たのだ。
実は同じものだと思っていたので「目からウロコ」の興味深い話。
で、自分でももう少し掘り下げて調べてみたよ。

最大の違いは、クレヨンは一般名称だけど、クレパスはサクラクレパスの登録商標なんだって。
つまりは商品名で、その一般名称はオイルパステルというらしいのだ。
見た目の違いとしては、クレヨンはかたくて先がとがっているけど、クレパスはやわらかめで先がとがっていないのだ。
で、ここまでわかるともう区別はつくよね。

で、まずはクレヨンの正体だけど、もともとは顔料をろう(固形ワックス)で固めたもので、色鉛筆よりもなめらかに紙に描くことができる画材として使われるのだ。
顔料というのは水や油に溶けない色のついた細かい粒子のことで(逆に水や油に溶けるものを染料と言うよ。)、その細かい色のついた粒子がろうの中で分散しているというわけ。
紙の上で滑らせると、紙の表面のでこぼこによって顔料入りのろうがけずられ、紙の上に付着するんだ。
顔料だけだと紙に付着しづらいけど、ろうによって定着するというわけなのだ。
ちなみに、現在国内で販売されているクレヨンは顔料とろうだけでなく、そこに体質顔料(水酸化アルミニウム、炭酸カルシウム、酸化チタンのような白い不溶性の粉末に染料で色をつけたもの)と液体油も付加されていて、よりしっとり(?)、よりやわらかく、描きやすくできているそうだよ(海外のものはいまだに顔料とろうのみなので、日本のものに比べて固いそうなのだ。)。

一方、クレパスというのは、一般に固くて描きにくいというクレヨンを改良したもので、海外でデッサンなどに使われるパステルのようなやわらかい書き味を実現しようと発明されたものなのだ。
具体的には、クレパスでは体質顔料と液体油の含有量が多くなっていて、よりなめらかに紙の上に描けるようになっていて、それで混色したり、色をのばしてぼやかしたり、なんてことができるようになっているんだ。
ただし、輪郭線をしっかりと描きたい場合はクレヨンの方がしっかり描けるので向いているみたい。
クレパスの先がとがっていないのは、クレヨンのような線描ではなく、パステルのように面描するのに向いているということがあるみたい。

で、そのパステルはというと、顔料を粘着剤でゆるく固めたもので、よくデッサンに使われるのだ。
でも、顔料を紙に塗りつけるだけで粉がぼろぼろ出るし、きちんと定着させるためには定着液を噴霧しないといけないなどのプロ仕様の画材なんだよね。
とは言え、パステルカラーなんて言葉があるように、原色だけでない、中間的な淡い色合いを出すことができるし、重ね塗りで混色もできるしと、色合いに広がりを持った画材なんだよね。
で、クレヨンのような定着の良さでパステルのような色合いを出せる、ということでクレパスが誕生したのだ。

似たようなものに、やはり同じサクラクレパスが開発したクーピーペンシルというのがあるよね。
こちらは全体が色鉛筆の芯というモチーフで考案されたもので、顔料を合成樹脂やワックスで固めたものなんだそうだよ。
色鉛筆と違って消しゴムで消せるという特徴があって、折れづらい、削りやすい、手に色がつかないなどのメリットもあるのだ。
最近はその使いやすさからクレヨンやクレパスに取って代わって子どものお絵かきに使われることが多いよね。

クレヨンやパステルはそのまま描ける絵の具として考案されたもののようだけど、それがさらに進化して使いやすいものになってきているのだ。
その一方で、芸術家の観点からは、使いやすさだけでなく、色合いや色の定着の特性などもあるので、どれもなくなることはなく、棲み分けているんだよね。
大人になったらそういう特性もふまえながら画材を選ばないとね(笑)
最近は100円ショップなんかでも売っているし、ひさびさにお絵かきをしてみたくなったよ。

2010/04/08

重力で回す

宇宙航空研究開発機構の発表によると、火星と木星の間にある小惑星イトカワにタッチダウンしてきた「はやぶさ」がまもなく地球に帰ってくるのだ。
小さな探査機ながら、火星より遠くまで行き、そして、もどってくるんだよね。
しかしながら、その旅路は決して順調ではなく、姿勢制御に使うリアクション・ホイールは不調、推進剤をスラスタで噴射する化学推進系も不調、バッテリーも不調で太陽電池パネルが頼り、唯一残された電気推進系のイオンエンジンも万全ではなく、ギリギリの運用で満身創痍でもどってくる、というイメージなんだそうだよ。
しかも、最初はサンプルが回収できているんじゃないか?、と期待されている試料回収カプセルを地球に射出する計画だったようなんだけど、現在の計画では、本体ごと豪州に着陸するものに変更になっているのだ(本体のほとんどは大気圏で燃えてしまうけど・・・。)。

で、この「はやぶさ」の一連の探査で話題になったのは「スイングバイ」という航法。
太陽系探査機でよく使われる航法で、燃料をほとんど消費せずに進行方向の変更とともに加減速を行うことができるのだ。
いろんな機能が不全になってしまった「はやぶさ」も、詳細な軌道計算の結果、スイングバイなどを活用して小惑星イトカワまで到達し、そして、地球まで帰ってくることができるようになるのだ。
燃料をほぼ消費せずにできるというのがポイントで、だからこそ使える技なんだよね(笑)

宇宙空間を移動する場合、基本的にはほとんど何も抵抗となるものがない状態なので、一度力を与えると慣性で等速度運動をするのだ。
なので、加減速だけでなく、進路変更をする場合にもスラスタを噴射して軌道修正のための「新たな力」を加えてやる必要があるわけ。
ところが、ロケットの打上げ能力に限界があるので、探査機に積載できる燃料には自ずと制限があって、できれば燃料を使わずに軌道修正をしたい、ということになるのだ。
そこで考え出されたのがこのスイングバイで、近傍の天体の重力を使って進行方向を変えるので、重力ターンとも呼ばれるよ。
近傍を飛行するだけだと「fly by」だけど、近傍を飛行しつつ進行方向を振るので「swing by」なのだ。

スイングバイのミソは探査機よりはるかに巨大な天体の重力を使うということ。
探査機が天体の近くを通ると、探査機とその天体の間での重力が無視できない大きさになり、互いに引っ張られるのだ。
2つの物体の間に働く重力はその物体の質量に比例するので、相手側の天体の質量が大きければ大きいほど重力も大きくなるし、相手側が大きいと、探査機が一方的に天体側に引き寄せられることとなるんだ。
この天体に向けて引き寄せられる力をもとにして探査機の進行方向を変えるんだよ。
ベクトルで考えるとわかりやすいけど、近づいた天体をくるっと回る形でターンをすることになって、どこまでその天体に近づくかで回る度合い=進路変更の度合いも変わってくるよ。
探査機ももともと動いているので、天体に近いところではより強く、遠いところではより弱く重力の影響を受けることになって、そのためにブーメラン型に曲がることになるんだ。
完全に重力圏にとらわれてしまうとその天体の周回軌道を回ることになるよ。
さらに、あんまり近づきすぎるとその天体と衝突してしまうのだ。
一度重力圏にとらわれてしまうと脱出速度まで加速する必要があるんだけど、逆に一度着陸した天体から飛び立つ場合は、この脱出速度を超える速度まで加速すれば再び宇宙空間に出られるのだ。
地球から飛び立つ場合、この速度を「第二宇宙速度」と言うんだよね(この速度を超えない限り、地球を周回する人工衛星になってしまうのだ。)。

スイングバイの場合、ただ進行方向を変えるだけでなく、探査機の速度も変わっているのだ。
制止している天体の近くを通るのであれば進行方向が変わるだけなんだけど、その天体が動いている場合、重力の働く方向が常に変わるので、その影響を受けるというわけ。
太陽の周りを公転している惑星でスイングバイをする場合、その公転速度の分が上乗せになれば加速するし、逆の場合は減速になるのだ。
実際には、公転方向に対して航法から近づいてスイングバイすると、探査機の進行方向と惑星の公転の進行方向に重なる部分が出てくるので、公転速度が上乗せになって加速になるのだ。
逆に、公転の進行方向に前方から近づくと、探査機の進行方向と惑星の公転の進行方向がバッティングするので、逆に減速してしまうよ。
ちなみに、公転面に対して垂直方向から近づいた場合、この加減速は影響しないけど、公転方向に引きずられて弧を描いて曲がることになるのだ。
実際には三次元的なのでもっと難しいはずで、しかも、スイングバイによる軌道修正は近づくときの小さなずれが大きく増幅される可能性もあるので、高度な軌道制御技術と精密な運用が必要なんだって。
そうそう簡単に燃料なしでターンをさせてもらえるわけではないのだ(笑)

燃料を使わずに加減速をしているわけだけど、エネルギー保存の法則は成り立っているわけで、探査機はどこからかエネルギーをもらっていることになるんだよね。
実際は、近くを通る天体からもらっているのだ!
スイングバイをするのに探査機が天体に近づいたとき、天体が巨大なので一方的に天体の重力で探査機が引き寄せられると考えがちだけど、実際には両物体の間に働いているのは万有引力なので、天体の探査機に引き寄せられているのだ。
加速スイングバイの場合、探査機は天体の公転方向の後ろから近づくけど、そうなると、天体は公転方向と逆向きに引っ張られるというわけで、その分の公転の減速分のエネルギーが探査機の加速分のエネルギーに振り替えられているのだ。
ただし、天体があまりにも大きいので、その変化分はほぼ無視できるというだけ。
エネルギーは質量と速度の二乗に比例するので、同じエネルギー変化でも質量が大きいと変化がごくごく微細なものになるのだ。
そうでないと惑星の公転軌道が変わってしまって大変だけど(笑)

で、「はやぶさ」はそんなスイングバイを活用して宇宙を旅して帰ってくるのだ。
でも、その成果は、火星に行こうと必死の努力をして、けっきょく届かなかった「のぞみ」の上に立っているんだよね。
日本は、月に行った「ひてん」のときにスイングバイ技術を習得して、「のぞみ」の運用でノウハウを蓄積し、それを活用して「はやぶさ」の奇跡的な運用につなげているのだ。
その積み重ねがなければここまでこられなかったというわけで、火星には行けなかったけど、「のぞみ」の成果はきちんと活かされているんだよ。

2010/04/02

春眠暁を覚えず?

いよいよ本格的に春がやってきたのだ♪
それにしても、春になると心地よい陽気で眠くなるねぇ(=o=)zzZ
ぼーっとしているとついついうとうとしてしまうのだ!
でも、動物の世界ではむしろ逆。
冬眠していた動物たちが目覚めて活動し出すんだよね。
実は、この冬眠もただ眠っているだけ、ではないのだ。

冬眠する代表的な動物と言えば両生類やは虫類のような変温動物。
気温が一定温度以下になると、越冬すべく土の中や池の中で「冬眠」するのだ。
でも、これは「眠っている」というよりはむしろ「仮死状態」になっているだけで、ギリギリ生きているという状態まで代謝が低下している状態。
体温は外気温に並行してぐんぐんと下がって、冷たくなっていくのだ。
それであたたかくなると体も温まり、代謝が再び活性化されて目覚めるというわけ。
もともと変温動物は体温を一定に保たない代わりにエネルギー消費が抑えられていて、エサを頻繁に食べる必要がないんだけど、その絶食期間が長くなっただけ、とも考えられるのだ。

体温が下がっていくと言っても、体の中の水分が凍結して氷になってしまうと細胞が破壊されていくのでさすがに生きていけないのだ。
液体窒素なんかで一気に冷凍するとそれが避けられることもあるけど、自然界で徐々に周囲の気温が下がっていくような場合ではそうはいかないんだよね。
でも、氷の張った池の中でカエルが冬眠していることがあるよね。
これは、凝固点降下のおかげで、電解質(ナトリウムやカリウムなどのイオン)や糖分に富む細胞中の水分は0度より低い温度にならないと凍結しないから。
氷の張った水の下でワカサギが泳いでいられるのもそのおかげだよ。

さらに、両生類・は虫類の場合は、冬眠前にエサを食いだめしないのだ。
もともと変温動物の場合は、太陽熱や地熱なんかを利用して体を温めて生体機能を維持していて、食物の消化も例外ではないのだ。
イグアナは低温になると死んでしまうことが知られているけど、これは代謝が低下してエサが消化できなくなるため。
まさに冬眠前の変温動物もそうで、寝ながら消化して食物をエネルギーに変換することができないので、しっかり食べて消化してから冬眠する必要があるのだ。
ペットのは虫類を冬眠させるとき、エサを大量に与えてから冬眠させようとすると死んでしまうこともあるそうなので注意が必要だよ。

冬眠するのは変温動物だけでなく、ほ乳類であるネズミやリスの仲間なんかも冬眠するよね。
でも、そのメカニズムは当然のことながら変温動物とは違っていて、こっちは意図的に代謝を低下させてエネルギー消費を押さえることで冬を乗り切ろうというものなのだ。
体が小さいと体重に比して体表面積が大きくなるので、体温を維持しようとするとそれだけ多くのエネルギーを消費する必要があるんだ。
ネズミが常にエサを食べているのはそういう理由があるのだ。
でも、冬の間は体温を維持できるほど大量のエサが確保できず、さらに、いつも以上に熱生産が必要になるので、いっそのことエネルギー消費をできるだけ抑えて眠っているというわけ。
こっちはまさに「冬眠」なんだよね。

変温動物とは違って、一定程度の体温は保っていて、常に気温より高い温度になっているみたい。
それで必要最小限のエネルギー変換をするんだって。
ほ乳類の場合は、冬眠前に食いだめをして、体にしっかり脂肪を蓄え、それをちょっとずつ燃焼させて生きながらえるんだよ。
普通に生活しているときに比べて代謝のレベルは数十分の一にまで低下するというんだからおどろきだよ!

冬眠をするほ乳類としてはクマのような大型のものもいるけど、実は、その冬眠は小型ほ乳類の冬眠とはまた違ったものなのだ。
クマなどがするのは「冬ごもり」と呼ばれるもので、普通に眠っている状態が長く続くもの。
おなかがすいたりすると途中で起きてエサを食べたりもしていて、飲まず食わずで春を待つわけではないのだ。
リスなんかでも時折目覚めてエサを食べることがあるそうだけど、クマの場合は体温の低下も数度程度で、外気温より少し高い程度まで下がる小型ほ乳類とはやはり違うのだ。
ちょっとした刺激でもすぐに目が覚めるらしいよ。

SFでよく出てくるコールドスリープなんていうものは、人間の体を冷やすことで極限まで代謝を抑え、より長期間生きながらえさせようとするもので、よく不治の病にかかった人が未来に治療を受けられるように、というので出てくるよね。
これはまさに冬眠に発想のヒントを得たものだけど、ずっと安定して冷やし続けることは大変だし(途中に停電があったら大変なのだ!)、どこまで冷やしていいものか実験しないといけないなどの問題もあるんだよね。
いっそのこと冷凍する手もあるけど、細胞の中の水分が凍結してしまってはいけないので、それも簡単ではないのだ。
現在では、精子や卵子、受精卵などの生殖細胞を冷凍保存する技術はほぼ確立されているようだけど、それも100%復活させられるわけではないので、体丸ごとを冷凍して復活させるというのは相当難しいのだ!