2005-07-19[n年前へ]
■「加速度センサ」で「人に迷惑な電車男」
東海道新幹線「こだま」の揺れを加速度計測してみよう
最近は出張が多く、東海道新幹線に頻繁に乗っている。東京・品川・新横浜と三島の間を週に三・四回は往復し、往復二時間ほどの道のりを新幹線の座席で過ごしている。
右の地図を眺めると一目瞭然なのだが、東海道新幹線の東京から三島までは、観光地が続く。例えば、小田原駅からは小田原城がよく見える。小田原の手前に始まり熱海までの車窓からは、相模湾も見通すことができる。そして、箱根を過ぎると伊豆半島や駿河湾が見えてくる。
しかも、そんな綺麗な景色を眺めながら、ノートPCのキーボードを叩き、ちょっとした計算や文章書きなんかをすることもできたから、新幹線の中はとても快適で有意義で快適な時間だった。綺麗な景色を眺めながらノートPCのキーをパチパチ叩いていると、何だかいつもより自分自身の頭が冴えわたってくるような気がしたりしていたり(あくまで単に「いつもより」、だ)、自分の手元のノートPCもいつもより速く、まるで超高速の特別仕様であるかのごとく、キビキビと素早く反応するように感じたりもしていたのである。つまりは、以前は新幹線の中というのはとても快適な空間だったわけである。
ところがある時期から、新幹線の中での文章書きがとても辛く感じるようになった。列車の「ガタガタとした揺れ」が妙に気にかかるようになって、新幹線の中のPC作業が苦痛に感じるようになってきた。そして、時を同じくして、それまでキビキビと動き、まるで超高速のシャア専用特別仕様のようなノートPCが何だか反応が鈍いダメダメ「のび太クン」になってしまったのだ。その結果、新幹線の座席に座って過ごす時間が快適どころか、苦痛に感じられるようになってしまったのである。
その「新幹線の揺れを私が気にするようになり、ノートPCも反応も遅くなってしまった」タイミングがいつ頃だったかを考えてみると、それは東海道新幹線に品川駅が新設され、さらに「こだま」に100系電車の代わりに300系電車が使われるようになった頃だった。つまり、駅が新設されて運行テーブルが大きく変わり、列車も揺れる300系列車に変わったために、実際揺れが激しくなったのである。そのせいで、「ガタガタとした揺れ」が気にかかるようになったわけだ。しかも、それだけでなく、その頃ノートPCを買い換えた。加速度センサを搭載し、加速度変化( =揺れ・落下)を検知するとハード・ディスクのヘッドを待避させ読み書きを停止する「アクティブ・プロテクション・システム」を搭載しているThinkpadを使い始めたのである。そのため、新幹線が揺れるとノートPCのハードディスクが停まってしまい、超高速の？PCがとても反応が鈍い「のび太クン」に変身してしまった。その結果、文章書きなどをスムースに行うことが難しい環境になってしまったのである。
しかし、そう文句やグチばかり言っていてもしょうがない。Thinkpadが加速度センサを内蔵し、揺れを検知してPC作業ができなくなってしまうのであれば、その加速度センサを利用して、逆に新幹線の揺れを調べてみることにしてみたい。そして、「快適な新幹線の移動環境はどのようにすれば手に入るか？」を考えてみた。
まずは、Thinkpadの加速度(傾斜)センサ値を読み取るアプリケーションを作ってみた。そして、いつものように三島で新幹線に乗り込んだ。最初は、席が結構空いているように見えたのだが、それはその列車がグリーン車両だったからで、指定席車両さらには自由席車両へ移動していくと実際にはかなりの混雑した状態で、最終的に一番端の1号車まで移動しようやく空席を見つけた。1号車でも結構込んでいて、空席はほとんどなかったため三人掛けの真ん中の席に座わり、座席の前にテーブルを拡げた。そして、その上にThinkpadを置いて、10ms間隔でひたすら加速度データを素早くとり始めた。混雑のせいもあり、「ナニしてんだコイツ？ そのテーブルに拡げたPCを使うのか使わないのかハッキリしろよ」という周りの目が妙にキツかく、ついテレビや映画の中の電車男のようにオドオドと「すみません。すみません」とつぶやきながら、それでも勇気？(というよりは単なる迷惑な非常識)を振り絞って何とかデータをとってみた。
その(周りの視線に耐えた)苦労と勇気の結果が次のグラフである。「鉛直に対する傾斜角(の絶対値)の時間変化」を示していて、横軸は「時間」・縦軸は「鉛直に対する傾斜角(の絶対値)」を示している。ちなみに、このグラフでは時間軸は「右から左に50分ほどの時間」を示している。つまり、(一番右端の)三島をスタートし、50分弱後に品川に到着するまでの揺れの記録である。
| 鉛直に対する傾斜角(の絶対値)の時間変化 |
三島から品川まで |
このグラフを見ればわかるように、「三島→新横浜」の全区域にわたって揺れが激しい。特に、赤丸で囲ったあたりは最悪である。激しくガタガタと揺れていて実験を中止しようか、と思うくらいなのだ(何しろデータのとりこぼしがないように、ハードディスクの保護機能を切ってあるのだから)。それに加えて、新横浜での停車前には席を立つ人なども多く、そのためテーブルを固定している座席もガタガタと揺れスパイク・ノイズが入ったり、さらには私の隣の人も「新幹線の中でPCを拡げてるクセにそれをいじろうともしない迷惑なヤツ(=私である)」を邪魔そうに見ながら降車するため立ち上がったため、「すみません。すみません」とまたしても電車男のようにつぶやきながらThinkpadを抱えて避難したりしていたのである。新横浜前(グラフで言うと、新横浜の右辺り)で細かく強い揺れが生じているのはそんな情けない「電車男」が原因なのである。
そして、揺れが激しいようすは、「時間 v.s. 周波数解析」を短時間フーリエ周波数解析で行ってみると、さらによくわかる。
| 「時間 -周波数応答」の解析結果 |
 紫色が振動が強く、(背景と同じ)青色が振動が弱い |
このグラフは横軸が(先ほどと同じく)時間を示し、縦軸が生じている振動周波数を示し、色が各領域の振動の強さを示している。このグラフを見れば、「三島と熱海の間全域」「熱海を出てから5分間程度の区間」「小田原を出てから5分間程度の区間」の揺れが激しいことを見てとることができる。そして、ちょうどそのエリアで私は列車の「ガタガタとした揺れ」が気にかかるし、Thinkpadも反応が鈍い「のび太クン」になってしまうのである。
ということは、私は加速度センサ付Thinkpadを抱え、新幹線「こだま」の車両の色んな座席に座り、どの座席の揺れが一番少なく快適であるかを調べてみれば良いわけだ。せっせと、色んな席でデータ採りをしてみれば良いハズなのである。そうすれば、「快適な新幹線の移動環境はどのようにすれば手に入るか？」が明らかにできるハズである。
…しかし、正直言って、今回のデータ採りはツライのである。「ナニしてんだコイツ？そのテーブルに拡げたPCを使うのか使わないのかハッキリしろよ」という周りの乗客の視線に耐え、そして「すみません。すみません」とつぶやき続ける電車男のような一時間を何度も何度も繰り返すのはイヤなのである。私が新幹線に乗る時間帯は、いつだって車両は結構込んでいて、真ん中の辺りの車両には空席はないことも多い。、そんな中で使いもしないノートPCを拡げて、周りの乗客の迷惑そうな視線に突き刺されながら実験を繰り返すのはツライのである。
…そこで、格安のこだま号専用グリーン回数券を買い、いつでもガラガラに空いているグリーン席でデータをとってみたのである。その結果が次のグラフである。ちなみに、このグラフは横軸の時間軸が「左から右」という向きであるということ以外は先ほどまでのグラフと同じだ。
| 東京から三島までの「グリーン車」 |
鉛直に対する傾斜角(の絶対値)の時間変化 |
「時間 -周波数応答」の解析結果 |
もちろん、新幹線が走行する方向も違うし、車両位置も違うのだが、揺れのようすが全然異なることがわかると思う。「新横浜と小田原の間の区間」はちょっと揺れるが、それでも先ほどのグラグラガタガタ状態に比べれば、快適そのものだ。
…それにしても、ガタガタ揺れる新幹線をJR東海に直して欲しいような気もする一方で、少し我が身を振り返ってみれば列車の座席でノートPCを広げて、作業をしている私もそもそも間違っているような気もする。なんだか、ちょっとゆとりがないように思えてしまう。反省も込めて、今度は東海道線の各駅停車列車に乗って、往復4時間(4500円)の出張でもしてみることにしよう。グリーン車両での往復9800円との差額で少し贅沢な駅弁と(発泡酒でなくて)ビールでも買って、ガタガタと列車に揺られてみることにしようか。
2005-09-07[n年前へ]
■「appleのビデオ機能」
先日、末広町で飲んでいた時に、appleのビデオ出力のメカニズムの話題に一瞬なった。忘れている箇所も多かったので、もう一度そのメカニズムを追いかけてみた。
apple回路では、14.32MHzのオシレータ出力を2分周した7.12MHzの信号がビデオ信号のドット・クロックとなる。回路上はあくまで、(基本的には)1ドットが1bitの単純な構成である。
ところで、NTSCのビデオ信号のカラー情報は「ビデオ信号に重畳した3.58MHz波形」の位相で表すが、この3.58MHzはappleのビデオ・クロック(7.12MHz)のちょうど二倍である(もちろん単にそう設計したわけである)。ということは、2ドット分のビデオ・信号を"on""off"として出力した場合と、"off""on"して出力した場合では、NTSC信号でのカラー情報(位相)が180度ずれたもの(=補色)を表すことができるのである。
ということは、基本的にはハイレゾ1bit=1dotとして、まるで二値的に思えるシステムであっても、少なくとも白(on.on)と黒(off.off)と紫(on.of)と緑(off.on)という四色が生成できることになる。もちろん、単純に言ってしまえば、(7.12MHz単位の)2ドット毎(＝NTSCのカラー信号3.58MHzの周期)に対して2bit使っているということになるので当たり前と言えば当たり前の話になる。そして、連続する2ドットのon-offの組み合わせでNTSCのカラー信号を生成(疑似表現)するので、「連続する2ドットの関係で色が決まる」というappleのカラー・グラフィックの掟がここにできるわけだ。
さらに、(ある時期以降の)appleの場合ビデオ・データの特定の(＝横7ドット, 縦8ドットのテキストモードとの兼ね合いで使われていなかった最上位の)bitを立てると、フリップフロップ回路で70nsだけ信号を送らすことができる。その70nsのずれは、NTSCのカラー信号3.58MHzのドット・クロック幅の25%に相当する(角度で言うと90度)。ということは、NTSC信号でのカラー情報(位相)が0, 180度の色だけでなく、90, 270度の色も出力(疑似生成)することができるようになる。すなわち、黒・白・紫・緑に加えて青・橙という計6色が出力することができるようになる。
そして、これらの出力機能は結局のところ、二値出力の高低信号の位置を「ドット配置やドットの位置ずらし」といった操作で変化させているにすぎない。ということは、こういった出力をモノクロ・ディスプレイに対して行えば、(ClearTextなどの技術の祖先とも言える)「基本ドットの位置を25%だけ横にずらして、(位置出力として、あるいは階調出力として)滑らかな出力を行う」なんていうこともできるわけである。(出力デバイスがもしもカラー・デバイスであれば)「色のにじみ」が結果として出現するところも全く同じと言えば、同じである。
単純明快な回路ではあるが、こういう単純なシステムをなんだか忘れてしまっているような気がする今日この頃、だ。
2005-09-09[n年前へ]
■「男女の産み分け」と「東大生のアレやコレ」
今年の初めに、東京大学大学院 新領域創成科学研究科で話をしてきました。その夜は、基盤情報学専攻の某研究室の人たちと焼き肉屋で美味しいビールを飲んでいたわけです。その時に、出ていた話題がちょうど「男女産み分け方法」の話でした。なぜ、そんな話になったのかは覚えていませんが、「(女の子になる)X精子は酸性に強くアルカリ性に弱い」「(男の子になる)Y精子はアルカリ性に強く酸性に弱い」「X精子はスピードは遅いがY精子より生命力がある」「女性が感じると体内がアルカリ性になる」なんていう俗説話をしていたわけです。
で、基盤情報学専攻の某研究室メンバーによるセキララな告白タイムが始まりました。一言で言うと、「オレは女の子を必ず生ませることができるはずだ」とかですね。つまり…、こういう自慢？です…。「女性を感じさせないから(感じる前に終わるし)、体内を(女の子になるX精子が生き残りやすい)酸性のまま」にしておけるし、「ゴールから遙か遠くから、精子耐久レースを始めることができるから、酸性に弱い(男の子になる)Y精子を最後まで行かせない」ことができる、「だから当然オレの子供は女の子になるハズだ」というような告白が始まったのです。つまり、「早い・短い・独りエッチだよオレは」という告白です。「遺伝的アルゴリズム、遺伝的プログラミング、人工生命」を研究している彼らが、X精子とY精子について語るわけです…。短×包△・早○・下手なんていうキーワードで…。
東京大学大学院 新領域創成科学研究科 基盤情報学専攻の印象は、この「男女生み分け可能な研究室」に尽きます。「東大生」という言葉からは「早い・短い・独りエッチ」という(焼き肉屋での)大自慢大会を思い出し、「男女生み分け」という言葉からは「東大生」を思い出すのです。
2006-02-12[n年前へ]
■斜め配置CCD・CMOの秘密 前編
「画素を45度回転させ斜めに配置した」クリアビッドCMOSセンサをSONYが発表した時に、Fast & First 情報掲示板(No.9601, No.9603)で「斜め配置センサと通常配置センサの解像度」について少し書かれています。それを面白く読みながら、書かれていたことを自分なりに整理して、つらつらと考えごとをしてみました。その内容を前編・中編・後編としてまとめてみることにします。あくまで撮像素子の部分だけを考え、後の画像処理の部分については全く考えていません。また、素人のテキトーな自主学習なので、内容について信頼性が全然ないことをお断りしておきます。
撮像素子を45度傾けると高解像度に
通常の撮像素子の画素は垂直・水平方向に綺麗に並んでいます。例えば、撮像素子の画素を適当に描いてみると右のような感じになります。つまり、単位長さ1×1の大きさの正方形状画素が（各画素が垂直・水平方向に並びながら）平面をびっしり埋めている、というイメージです。こんなイメージ画像を描いてみた後に、水平(あるいは垂直)方向の解像度、すなわち「単位長さあたりの画素数」がどうなるかを考えてみることにします。
この場合、画素の大きさが1なのですから、距離(単位長)1あたり画素が1個あることはすぐにわかります。つまり、水平(垂直)方向の解像度は「単位長さ辺り1画素」となっているわけです。試しに、水平(垂直)線を任意の場所で描いてみると、「長さ1あたり画素を必ず1個横切る(長さ1あたり画素が1個ある)」ということを確認することができます。
それでは、この撮像素子中の画素配置を45度傾けた(回転させた)場合、水平(垂直)方向の解像度はどのようになるでしょうか？ この場合も、適当なイメージ画像を描いて考えてみることにしましょう。…そこで、右のように、各画素の配置を「45度」回転させた撮像素子を描いてみます。そして、水平(垂直)線を任意の場所で描いてみると、「ほぼ(つまりごく限られた特殊な条件を除き)」全ての箇所で「長さ√2あたり画素を必ず2個横切る(長さ√2あたり画素が2個ある)」ことがわかります。
つまり、水平(垂直)方向に対しては、単位長あたり「2 / √ 2 = √ 2 ≒ 1.4」個の画素があることになるのです。つまり、撮像素子の画素を45度斜めに傾いた配置にすることで、1.4倍の解像度化を実現することができた、ということになります。もちろん、（この状態で）45度斜めの方向に対する解像度は「単位長1あたり1個の画素」ということになっているわけですから、逆に言えば、水平・垂直方向に各画素が綺麗に並んでいる配置の場合には、45度斜めの方向に対する解像度が「水平・垂直方向よりも1.4倍高かった」ということになるわけです。
視覚特性は斜め方向には鈍い
ところで、人間の視覚特性は斜め方向に対しては感覚が鈍くなっています。ということは、人間が画像を眺める際には、その画像の斜め方向の解像度は低くても構わない、ということになります。斜め方向の解像度は低くても構わないから、その分水平・垂直方向の解像度が高い方が良い（アラが目立たない）というわけです。つまり、「ごくごく単純に考える限りは」画素配置を45度斜めに傾けたタイプの撮像素子の方が、人間の視覚特性と特性が合っていて都合が良い、という風に思えます。
それでは、現在多く発売されている製品で使われている撮像素子を45度傾ければ高解像度化するか、というとそうはなりません。それは、現状の撮像素子では（本来モノクロの）撮像素子をカラー化する時の手順中において、(多くの場合)すでに45度回転のテクニックが使われているからです。
RGGBフィルタを使ったカラー化の場合
本来「カラー」でない撮像素子をカラー化するためには、色のついたフィルタを撮像素子の前にとりつけることになります。例えば、原色フィルタと呼ばれる「赤・緑・青色のカラーフィルタなどを各画素の前にとりつけるシステム」では、赤色・緑色・青色それぞれの光の割合がわかるように、各画素の前にRGB(Red, Green, Blue)いずれかの色のフィルタをつけます。例えば、右のイメージ図はRGGB配列のベイヤー配列のカラーフィルタのイメージ図です。近隣4画素のうち、1画素ずつに青色と赤色のフィルタを張り、残り2画素に緑色のフィルタが張られています。緑色の画素が青色と赤色の画素の2倍の量にされているのは、人間が感じる視覚特性は緑色の成分によるところが大きいからです。
それでは、話を簡単にするために、人間が感じる視覚特性への寄与が大きい緑色に割り当てられた画素だけを抽出して、フィルタ方式のカラー撮像素子における解像度を考えてみることにします。右の画像は、緑色の画素だけを描き、そして各画素間の境界線中心を点線で描いてみたものです。このように、補助線を描いてみると、緑色を担う各画素がどのように配置しているかがわかりやすくイメージできるようになります。この点線で描かれた緑色の画素配置をひとことで大雑把に言ってしまえば、√2×√2の大きさの画素が45度傾いた状態で配置されている、ということになります。つまり、つまり、RGGB型のベイヤー配列のカラーフィルタを使ったカラー撮像素子においては、すでに45度回転配置により高解像度化のテクニックが（視覚特性への寄与が大きい緑色に対して）使われているというわけです。
実際、右の画像で、水平(垂直)線を任意の場所で描いてみれば、「ほぼ(つまりごく限られた特殊な条件を除き)」全ての箇所で「長さ2あたり画素を必ず2個横切る(長さ2あたり画素が2個ある)」ことがわかります。つまり、単位長さ1に対して水平(垂直)方向には画素が1個の解像度がある、というわけです。本来は「√2×√2の大きさの画素」ですから、もしも45度回転したような配置にしなければ、水平(垂直)方向には長さ√2あたり1画素の解像度しかなかった、ということになります。しかし、緑色が斜めに配置されたRGGB配置にすることで、緑色画素を45度回転させることができて、結果として1.4倍の高解像度化がされていることになります。
RGGBフィルタCCDを45度回転させたらどうなる…？
それでは、カラーフィルタがRGGBの配置をしている撮像素子を45度回転させた場合にはどのようなことが起きるのでしょうか？ 例えば、右の画像のように回転・配置させてみた場合には、解像度はどのようになるのでしょうか。右の配置は、ちょうど冨士フィルムのハニカムCCD（資料1資料2）と同じような場合なのですが、この場合に人間の視覚特性上重要な水平・垂直方向の解像度はどのようになっているのでしょうか？ …上の例と同じように、このRGGBフィルタCCDを45度回転させた場合でも考えてみることにしましょう。
さきほどと同じく、この右の画像には緑色の画素だけを描いてあり、そして各画素間の境界線中心を示す直線を描いてあります。すると、この場合というのは、「√2×√2の大きさの画素」が水平垂直方向に綺麗に並んでいることがわかります。そして、この画像中で水平(垂直)線を任意の場所で描いてみれば、全ての箇所で「長さ√2あたり画素を必ず1個横切る(長さ√2あたり画素が1個ある)」ことがわかります。長さ√2あたり画素が1個ということは、単位長さ1あたりならば水平(垂直)方向に画素が0.7個の解像度ということになります。
つまり、RGGBフィルタCCDを45度回転させてしまうと、視覚特性上重要な緑色の水平・垂直方向の解像度が「単位長あたり1画素」から「単位長あたり0.7画素」に低下してしまっている、ということになります。ということは、単純に「人間にとって重要な緑色の解像度」だけを考えるのであれば、（RGGBフィルタを使った場合）斜め配置センサは決して有利とはいえない、ということがわかります。
クリアビッドCMOSセンサの場合
単純に「人間にとって重要な緑色の解像度」だけを考えるのであれば、（RGGBフィルタを使った場合）斜め配置センサは決して有利とはいえないというのであれば、先日発表されたクリアビッドCMOSセンサの場合には一体どうなっているのでしょうか…？謳い文句の「画素を45度回転させ斜めに配置することで、1画素の面積を大きくしながら(高感度にしながら)、解像度は維持」というものは一体どういうことなのでしょうか？
そこで、SONYのサイトにある情報(右にページ・サムネイルで示したページ)を見てみると、RGGB配置のカラーフィルタを使っているわけではないことがわかります。4画素×4画素中に緑色を12画素を配置し・赤色と青色を2画素ずつ配置するという独自の配列です。つまり、大胆に言ってしまえば、ほとんどの画素を緑色担当にしているわけです。よくあるカラーフィルタの配置とは全く違うわけです。
ほとんどの画素が緑色担当ということは、非常に大雑把に言ってしまえば、緑色単色のモノクロ撮像素子のようなものですから、一番最初に「撮像素子を45度傾けると高解像度に」で書いたように、45度回転配置による高解像度化の効果が生じます。クリアビッドCMOSセンサの場合、1画素の面積を大きくすることで高感度を実現しようとしています。つまり、通常であれば1×1の大きさの画素の面積を大きくして、√2×√2の大きさにしてあります。そして、その画素を斜め45度に回転させたモノクロ撮像素子のようなものであるわけです。…ということは、結局のところ、上で考えてみた「RGGBフィルタを使ったカラー撮像素子」と全く同じ解像度であることがわかります。なるほど、赤色と青色の画素数を減らし、その分の面積を緑色に回すことで、高感度と高解像度を両立させようという考え方であるようです。
色情報の解像度はどうなる？ハニカムCCDなら…？
ところで、クリアビッドCMOSセンサの場合には、赤色と青色の画素数を減らしているわけですから、色情報の解像度をある程度低く設定しているわけです。また、「RGGB配置を45度回転させた」富士フィルムのハニカムCCDは（視覚特性上重要な）緑色に関する限り解像度の点で有利には見えないわけですが、やはり何らかのメリットはあるはずです。そこで、そういった点について、中編・後編で考えてみたいと思います。
2006-03-18[n年前へ]
■ユングとオウムの物語
はてなグループを使った「オウム／アレフの物語」が始まったようだ。はてなグループを使い「物語」を書く、という目的と道具の選び方に、不思議にとても興味を感じる。私は【絵文録ことのは】や氏の書籍を今のところ読んだことがなく、「河上イチローが松永英明さんであった」という件を知るまでは、松永英明さんの名前もよく知らなかった程度なのだが、それでも興味を惹かれた。
だから、こんなページや、こんなページをはてなブックマーク経由で読み、私は松永英明さんと大学が同窓・同学年だったことに気づいた時には、何だか感慨深い思いに襲われた。大学に入学した頃、何も考えずに京大 吉田寮に「不法占拠者」として入寮した頃、ちょうど昭和の終わりの年の頃が、オウム真理教のチラシが街の電柱や壁に貼られ始めた。麻原彰晃が京大の学園祭に来る3年くらい前だ。
その頃、吉田寮の寮生(＝「不法占拠者」)の折衝の相手となる学生部長は、ユング心理学で有名な河合隼雄だった。ユングというと「曼荼羅」な世界観という勝手なイメージがあるのだけれど、曼荼羅(マンダラ)と(オウム関連でよく聞いた)マントラとが音がそっくりだというだけの理由で、私の中ではユングとアサハラショウコウとは同じ引き出しに入っている。そんな理由で、オウムと聞くと、なぜかシンクロニシティ(共時性)なんて言葉が脈絡なく(因果関係もなく)浮かんでくるのだ。なんて、私の引き出しは浅いのだろうか…。
A sleep trance, a dream danceA shared romanceSynchronicity Police "Synchronicity I"
Many miles awaySomething crawls from the slimeAt the bottom of a dark Scottish lake Police "Synchronicity II"
