デジタルカメラやスマートフォンで撮影した画像は、色彩を協調して色鮮やかに変えてみたり、陰影を強調することで起伏をわかりやすく画像処理することが今では一般的になっています。かつて、フィルムカメラを使っていた頃は、そんな処理を実現するためには、暗室の中での作業をする必要がありました。だから、現実的には、そんなことをするのは、ごく限られた人たちだけでした。…しかし、今ではそんな画像加工は誰でもできる一般的なことになっています。
今は、景色などを撮影した写真を眺める機会も多いものですが、漫画やアニメーションの画など、イラストレーション画像を眺める機会も多いものです。しかし、そんなイラストレーション画像に対しては、未だ画像処理を掛けることは一般的になっているとは言えません。そこで、今回は「アニメ的な画」に対して画像処理を掛けて、より立体的・リアルにしてみることにしました。…ちょうど、Tweetでアニメ絵が流れてきたので、そのアニメ絵から立体形状・キャラクターの表面形状や表面の向きを簡易的・擬似的に算出した上で、その情報を使って光の反射や陰影を合成し、つまりは、アニメ画像を「リアル」にする画像処理をしてみることにしました。処理内容は、「色調・明度から、同じような色領域を塊として滑らかな・丸っこい立体形状を作り出し、その形状が作り出す陰影やハイライトを（元のアニメ画に）合成することで、立体的に陰影豊かに見せる」というものです。
そんな処理結果の一例が、右に貼り付けた２枚の画像です。左の画像は、tweetで流れてきた画像で、右画像がアニメ絵の立体形状・キャラクター表面形状（向き）を簡易的・擬似的に算出して、光の反射や陰影を合成してみた画像です。処理前後の画像２枚を見比べてみれば、ある意味で平面的だったアニメ絵を、立体的に３次元凹凸を強調した効果を確認することができると思います。キャラクターの腕・胸・腰・太もも…といったキャラクターの各パーツが、陰影豊かに、リアルにモリモリと手前に盛り上がっているさまが見えてくるのではないでしょうか。色鮮やかで立体的に見えるものが理想の画像だとしたならば、これはまさに理想の２次元像に違いありません。…ん？理想の立体的に盛り上がる２次元像…？…これは何だかおかしいぞ…？
…考えてみれば、２次元世界に描かれたアニメ画の魅力は、決して３次元世界の立体性や陰影ではないような気もします。ということは、リアルに陰影豊かに立体的にしてみたところで、それはアニメ絵の魅力を増しているのではないようにも思われます。そんな落とし穴に気づくことなく、今回はとても本末転倒な作業をしてしまい、最後には、一種の「服脱がし画像作成ゲーム」みたいなことをしてしまったような気がします。
とはいえ、普通の画像や風景やリアル３次元の人物ポートレートだけでなく、アニメ画に対する画像処理って少し面白いような気もします。色んな絵描きさんの手癖や好みを真似た画像処理・レンダリングを行うことで、雰囲気ある２次元アニメ画を作り出すのも楽しそうですし、キャラクターが着ている服のテカリや光模様をさらにリアルに強調するのも面白そうな気がします。
先端に穴を開けた段ボールや筒の中に煙を入れて、さらに空気（煙）を瞬間的に押し出すことでドーナッツ上の煙を発射するこども向け実験の定番ネタがあります。「空気砲」とでんじろう先生が名付け広まったこの現象は、ボルテックスリング（渦の輪）と呼ばれるもので、タバコの煙を口から小刻みに押し出すことでも作り出せたりします。
ボルテックスリングを作ろうとするとき、段ボールやハサミを使って工作で作るにしても、たばこの煙を使って自分の口で作るにしても、
どんな風に空気を押し出せば「ドーナッツ状のリング」が形作られるののかがわからないと、「どうやれば良いのか」悩んでしまったりするものです。そこで、今回はコンピュータシミュレーションを使って、「ボルテックスリングを作るコツ」を研究してみることにしました。
どのようなことを行うかというと、まず煙を入れた空気砲やタバコの煙を含んだ口を考えて、そこから空気（煙）を短く押し出した時、その煙や周りの空気がどのように動くかということを流体シミュレーションにより明らかにしてみるのです。たとえば、右図で口の先に半透明で重ねた領域で、ナヴィエ・ストークス方程式を数値的に解いていくことで、一体どのような空気流が生じるかを眺めてみよう！というわけです。
というわけで、コンピュータで数値計算をしてみた結果が、下の２枚の動画です。これらはいずれも口から吹き出した空気の動きを、断面で描いたものです。また、左下は、空気（煙）を適度に短く吹き出した場合で、右下は空気を（左にくらべるとほんの少し）長く吹き出した場合です。この２枚の動画を比べてみると一目瞭然ですが、左の適度に”短く”吹き出した場合には綺麗にドーナッツ状の煙ができていますが、右の（ほんの少し）長く吹き出した場合には、輪っかとはならずに煙の塊がただ進んでいくような具合になっていることがわかります。
空気を適度に吹き出した場合（左）と空気を長く吹き出した場合（右） （クリックで拡大）
どうしてそうなるかというと、適度に短く空気を吹き出すと、吹きだした煙に引きずられた周囲の空気が、吹き終えた直後の煙の後ろ側に回り込み、ちょうど煙が作るドーナッツの穴の中に周囲の空気が入り込むように動き始めるからです。それに対し、煙を吹き出す時間が長すぎると、周囲の空気が煙の後ろ側に回り込むことができず、煙や空気がドーナッツ状に渦を作ることができなくなってしまう、というわけです。
つまり、綺麗なボルテックスリング、華麗な空気砲やタバコ煙のドーナッツを作り上げるためには、「押し出した空気が回り出す周期より少し短いくらいの時間だけ、瞬間的に空気を吐けば良い」ということがわかるのです。吐きだした煙が尾を引くように長ければ、もっと瞬間的に空気を押し出した方が良いし、煙がほんの少ししか見えないようであれば、もっと強く長く吐きだした方が良い、というコツが見えてきます。さらに具体的に言えば、吐き出す空気の速度と煙が進む速度差イコール煙が作る「渦の速さ」になるので、煙の輪っかの（渦方向の）周長を、「渦の速さ」で割った時間だけ空気を吐き出せば良さそうだ…という概算ができる、ということになります。
ちなみに、左上の「空気の押し出し方」で生じている現象がわかりやすいように、空気の動く方向や速さ（速度）を重ねてみると、下の動画のようになります。これを見れば、煙の周りを囲うように渦巻いている空気の流れがわかりやすいかもしれません。
コンピュータシミュレーションを使うと、実際の実験ではなかなか見ることができない姿を眺めることができたりするものです。というわけで、今回は空気砲やたばこの煙で作るドーナツの秘密を、コンピュータシミュレーションにより眺めてみました。
湖や川の先にある景色が水面で反射して、地上の景色が水上に鏡のように写し出されていることがよくあります。そんな時に、水面に写る景色の方が、水の向こうにあるオリジナルの木や草よりも、不思議に色鮮やかに見えるという経験はないでしょうか？
実は、水面に映る景色の方が色鮮やかに見えるということは全く不思議ではなくて、とても自然な話です。なぜかというと、水面に映る景色は、私たちが目にする景色の「それ自身の色」をより多く写し出されているからです。
太陽や照明が放つ光に照らされた物体は、空気と物体の屈折率の違いにより、ある程度の割合の光を物体表面で反射します。そして、表面で反射されずに内部に入り込んだ光が物体の色に染まり、物体内部色の光として外に出てきます。わたしたちが眺める景色には、物体内部の色に染まった光と、物体表面で反射した太陽や照明の光そのままの色の光＝多くの場合は白い光、が含まれています。緑の木々や草花が放つ光も、それらの内部から帰る「緑に染まった光」と「表面で反射した白い光」が混じり合うことで、白みがかった緑…つまり、少し鮮やかさが失われた緑色になっているわけです。
その一方、水面に写る緑の景色では、少なからずの場合に、「表面で反射した白い光」が取り除かれて「緑に染まった光」の割合が高くなっていることが多いのです。…どういうことかというと、物体表面で反射する光は、振動方向が「物体表面に沿う側」のものが多くなります。光は電場と磁場が互いを作り出す電磁波ですが、物体（誘電体）表面で反射する割合は、波としての振動方向（偏光方向）が「物体表面に沿う側」である成分の方が（それと直交する方向に振動する成分よりも）多くなるのです。すると、木々や草花の表面で反射した光は、物体表面を基準にして振動方向が偏った光になります。そして、さらに、「偏光方向が物体表面に沿った成分が表面反射では多くなる」ということを逆に言うと、偏光方向が「物体表面に沿う側」でない光は反射しにくいということですから、木々や草花で反射して振動方向が偏った光は、「ちょうど水面の向きに沿ってて反射しやすい」という偶然でもない限り反射されにくくなります。
つまり、木々や草花と言った物体の表面で反射した光は水面では反射しにくいことから、水面で反射する光は「木々や草花の内部から返された緑色に染まった光」の割合が高くなるのです。だから、水面に写る景色の方が、水の向こうにあるオリジナルの木や草よりも、不思議に色鮮やかに見えるわけです。
絵画を眺める時も、光に照らされた絵画は「絵具表面で反射する白い光」と「絵具内側に入ったことで色づいた光」を周りに放ちます。つまり、「絵具自身の色」と「白い光」が混ざり合うことで、絵画を観るわたしたちの目には絵具の色よりも少し淡い色の光が届くのです。鮮やかな絵具が使われている絵画でも、私たちが眺める時には色の鮮やかさが多少とも失われたものになっているわけです。…そんなことを考えると、巨匠たちが描いた絵画の中にある「鮮やかな絵具自身の色」を眺めてみたいとか、「表面反射による（色を淡くさせる）白い光」を分けて眺めてみたいとか、そんな気持ちになります。
実際のところ、わたしたちが絵画を色々な方向から眺めたりする時には、絵具自身の色と表面反射による白色を分離して感じることもできるでしょう。しかし、絵画を撮影した写真などでは、それらの区別はできないために、色が淡く褪せたような印象になってしまうことも多い気がします。…そこで、今回は巨匠が描いた絵画の中にある「鮮やかな絵具自身の色」を映し出したり、「筆が作り出す表面の輝き」を取り出すことができる特殊撮影・写真展示をしてみることにしました。
特殊撮影に使う道具は、「【夏休みの自由工作】昼間なのに「夜景風の写真」が撮れるカメラを作ってみよう!?」で作った「偏光フィルタをモータで回転させつつ何枚もの画像を連写するカメラ」です。物体表面で反射した光は振動方向が偏る（けれど内部の色に染まった物体色は光の振動方向が特に偏らない）という特徴を利用して、偏光フィルタ＝一定の光振動方向（偏光方向）のみを通すフィルタを色んな方向に回転させつつ偏光フィルタを通過した光の量をカメラで撮影することで、（ある程度の仮定のもとに）「物体自体の色」と「物体表面で反射した光」の量をそれぞれ分離して推定することができるのです。
さて、巨匠が描いた絵画の色をじっくり眺めてみよう！ということで、米国フィラデルフィア美術館に特殊カメラを持ち込み､絵画を特殊撮影してみました。ストロボと三脚を使わない撮影であれば館内で絵画を撮影して良いということで、ゴッホ・セザンヌ・ルノワール・マネ・クリムト・ロートレック・マチス…と、近代西洋絵画を代表する巨匠たちが描いた絵画を撮影していきます。たとえば、ゴッホ「ひまわり」を撮影してみた結果の一例が、下に並べた画像です。左の画像はデジカメで撮影した「生画像」ですが、真ん中は（推定された）絵具の内部から放たれる「絵具自身の色」で、右が絵具表面で反射した白い光の量を表しています。「デジカメの撮影生画像（左）」と「絵具自身の色（真ん中）」を比べると、撮影生画像は（表面で反射した白い光が混じっていることで）色が淡くぼんやりした感じになってしまっていますが、絵具自身の色の方は色鮮やかで華やかです。なぜなら、「表面反射の白い光（右）」を見ればわかるように、「ひまわり」の葉や花びら部分には白い反射光が多く混じっていて、その部分の色を白く淡く変えてしまっているからです。
さて、「絵具自身の色」と「表面反射の白い光」を分けて眺めることができるようになったとはいえ、これだけでは「絵画を実際に目の前で眺める」時の感覚とは全然違うでしょう。わたしたちが絵画を目の前で眺める時は、色々な方向から眺めることで、絵具自身の色と表面反射による白色を分けて感じることもできたりします。しかし、上に画像として並べたようなものでは、実際に眺める感覚とは全く異なり、「絵具自身の色と表面反射による白色を分ける」ことはできていたとしても、「絵具自身の色と表面反射による白色を分けて感じる」ことができている…とは言えないに違いありません。
そこで、特殊撮影で推定した「絵具自身の色」と「表面反射の白い光の量」を利用して、あたかも目の前で観賞しているかのように絵画を眺めることができるページ（フィラデルフィア美術館のゴッホ「ひまわり」のVR表示）を作ってみました（右は動作画面例です）。このページで、油絵をさまざまな向きに動かして眺めてみたり、拡大して大きく眺めてみたりすれば、「鮮やかな絵具自身の色」や「絵具の表面が作り出す輝き」を感じ取ることができるのではないか、と思います。鮮やかな絵具自身の色を眺めれば、普通に撮影・印刷されたカタログではわかりづらい絵画の色使いがわかるかもしれないですし、絵具の表面が作り出す輝きからは、表面の反射特性を作り出した巨匠の筆使い（のかすかなさまを）を感じることができるかもしれません。
さて、フィラデルフィア美術館で撮影した特殊カメラ画像群ら作り出した「絵画の体感表示」をこのURLに並べて置いておくことにします（ゴッホ「星月夜」は今回のものとは別です）。ゴッホ・ルノワール・マネ・マチス・クリムト…近代絵画の巨匠たちが描き出した渾身の絵画を、こんなVR表示で眺めてみれば「鮮やかな絵具自身の色」や「絵具の表面が作り出す輝き」を少し感じることができたなら良いな、と思います。
