博士論文審査報告書

早稲田大学大学院 理工学研究科
博士論文審査報告書
論
文
題
目
Computer-Assisted Animation Creation
Techniques for Hair Animation and
Shade, Highlight, and Shadow
アニメーション制作工程における
頭髪及び陰影表現の実現
申
請
者
杉崎 英嗣
Eiji Sugisaki
物理学及応用物理学専攻・画像情報処理研究
2010 年
2月
Ｎｏ.1
日 本 の ア ニ メ ー シ ョ ン 、い わ ゆ る ア ニ メ と 呼 ば れ る 映 像 コ ン テ ン ツ は 今 や 世 界 を 席 巻
し つ つ あ る 。米 国 の 地 上 波 で 日 本 の ア ニ メ を 目 に し な い 日 は 無 く 、東 南 ア ジ ア で は 日 本
の ア ニ メ キ ャ ラ ク タ が 製 品 の マ ス コ ッ ト キ ャ ラ ク タ で 使 用 さ れ 、日 本 で の 放 映 と ほ ぼ 同
時 に 英 語 訳 版 が 放 映 さ れ る 等 、絶 大 な 人 気 を 誇 っ て い る 。し か し な が ら 、ア ニ メ 制 作 体
制 は 、増 大 す る 需 要 に 対 応 し 切 れ て い る と は 言 い 難 く 、ア ニ メ ー タ に 過 酷 な 労 働 環 境 を
強 い る 等 の 負 の 側 面 が あ る 。近 年 、ア ニ メ プ ロ ダ ク シ ョ ン と 大 学 等 の 研 究 機 関 が 協 力 し
ア イ デ ア を 創 出 す る こ と に よ っ て 、増 大 す る 需 要 へ の 対 応 に 加 え 、非 効 率 的 な 制 作 体 制
を 改 善 す る こ と で ア ニ メ ー タ の 過 酷 な 労 働 環 境 を 緩 和 し 、さ ら に 近 未 来 の 多 様 な 映 像 表
現 創 成 に 不 可 欠 な 基 礎 技 術 の 構 築 な ど の 試 み が な さ れ て い る 。こ の 取 り 組 み は 現 場 の ア
ニ メ ー タ の フ ィ ー ド バ ッ ク を 取 り 入 れ 、技 術 者 が そ れ を 体 現 す る と い っ た 点 で 画 期 的 な
試 み で あ る 。本 論 文 で は 、そ の 中 で い く つ か の 表 現 に 特 化 し た 技 術 に つ い て 述 べ て い る 。
日 本 の ア ニ メ ー シ ョ ン の 典 型 で あ る 2 次 元 手 書 き ア ニ メ 制 作 工 程 は 、長 年 の 実 績 と 経
験から効率的な制作方法が確立されてきたが、近年ではそのデジタル化、つまり
CG(Computer Graphics)で の 制 作 に 移 行 し つ つ あ る 。 し か し な が ら 、 Full-CG で の ア ニ メ
映 像 制 作 は 、ア ニ メ の も つ 利 点 や 特 徴 等 を 表 現 す る こ と が 困 難 な 場 合 も あ り 、基 本 的 に
は キ ー フ レ ー ム と 呼 ば れ る ア ニ メ ー シ ョ ン の 道 標 と な る 絵 に 対 し 、中 割 り フ レ ー ム を 作
成 し 、そ れ を 連 続 再 生 す る こ と で ア ニ メ ー シ ョ ン を 制 作 す る と い う 従 来 の ス タ イ ル を 踏
襲 し て い る 。キ ー フ レ ー ム も 中 割 り フ レ ー ム も 基 本 的 に は ア ニ メ ー タ の 感 性 に よ っ て 描
か れ る も の で 、物 理 的 構 造 の 矛 盾 も 多 い 。し か し な が ら 、そ の 一 枚 一 枚 の 絵 を 連 続 的 に
再 生 す る ア ニ メ ー シ ョ ン は 聴 衆 を 魅 了 す る ク オ リ テ ィ を 持 ち 、こ の 自 由 度 こ そ が ア ニ メ
の 特 徴 で あ り 、 か つ CG で の 表 現 が 難 し い 点 で あ る 。
申 請 者 は 実 際 の プ ロ ダ ク シ ョ ン で 使 わ れ る キ ー フ レ ー ム や 、既 存 の ア ニ メ 作 品 の シ ー
ン を 入 力 と し 、そ の 入 力 に 基 づ い て ア ニ メ ー シ ョ ン 制 作 を 行 う 技 術 を 提 案 し 、い く つ か
の映像を制作事例として示すことで、その有用性を実証した。
本論文は、英文で書かれており、6 章よりなる。以下に各章の概要を記し評価を加え
る。
第 1 章では、まず研究背景に触れた後、目的について明確に述べ、本研究における
A n i m e - L i k e 等 の 言 葉 の 定 義 を 明 確 に す る 。本 研 究 の 主 た る 目 的 は 、ア ニ メ ー タ に 彼 ら 自
身 の 嗜 好 を 反 映 さ せ る 自 由 度 を 与 え つ つ 、自 動 化 で き る 部 分 を 本 論 文 で 提 案 す る 技 術 に
よって置き換え、作業の効率化を実現することである。
第 2 章 で は 、ア ニ メ 制 作 工 程 の 概 要 、及 び 本 研 究 の 関 連 技 術 や そ の ソ フ ト ウ ェ ア の 概
要 に つ い て の 調 査 結 果 に つ い て 述 べ る 。開 発 し た 技 術 が 実 際 に ア ニ メ の 現 場 で 使 わ れ る
た め に は 、そ の ワ ー ク フ ロ ー を 理 解 す る こ と は 必 須 で あ り 、実 際 に ア ニ メ の 現 場 で 使 用
さ れ て い る ソ フ ト ウ ェ ア の 現 状 調 査 は 不 可 欠 で あ る 。そ の 上 で 、本 研 究 で 用 い た 技 術 的
な関連研究について触れる。
1
Ｎｏ.2
第 3 章 で は 、ア ニ メ 中 で 頻 繁 に 見 ら れ る 頭 髪 ア ニ メ ー シ ョ ン の 実 現 に つ い て 述 べ て い
る 。申 請 者 は す で に 作 成 さ れ た ア ニ メ ー シ ョ ン や 、実 際 の ア ニ メ 制 作 工 程 で 使 用 さ れ る
キーフレームを入力とし、頭髪アニメーションを実現した。
す で に 存 在 す る ア ニ メ ー シ ョ ン か ら キ ャ ラ ク タ の 頭 髪 運 動 そ の も の や 、草 、炎 な ど の
動 き を 抽 出 し 、そ の フ レ ー ム 間 差 分 か ら 擬 似 的 な 運 動 方 程 式 を 構 築 し た 。こ の 頭 髪 運 動
モ デ ル に は 剛 体 モ デ ル を 用 い 、フ レ ー ム 間 で 各 セ グ メ ン ト の 長 さ が 大 き く 変 化 し な い と
仮 定 し 、運 動 制 御 に は 角 加 速 度 、角 速 度 を 用 い た 。通 常 ア ニ メ で は 髪 型 が そ の キ ャ ラ ク
タ を 特 徴 づ け る 性 質 を 持 つ た め 、運 動 前 と 同 様 の 髪 型 に 復 元 さ せ る 必 要 が あ る 。こ の よ
う な 理 由 か ら 、申 請 者 は 構 築 し た 運 動 モ デ ル に 復 元 力 の 項 を 追 加 し た 。こ の よ う に し て
構 築 さ れ た 運 動 モ デ ル は 、実 際 の ア ニ メ 映 像 を 反 映 す る た め 、A n i m e - L i k e な 要 素 を 含 ん
だ ア ニ メ ー シ ョ ン を 作 成 可 能 で あ る と 考 え ら れ る 。 申 請 者 は 提 案 す る 運 動 モ デ ル を 3D
キ ャ ラ ク タ モ デ ル の 頭 髪 に 適 用 す る こ と で 、あ た か も 最 初 か ら そ の 場 所 に い た か の よ う
な ア ニ メ ー シ ョ ン を 実 現 し た 。こ の 手 法 は 多 く の キ ャ ラ ク タ に 同 様 の 運 動 モ デ ル を 一 括
適 用 可 能 で あ り 、作 業 効 率 の 向 上 が 期 待 で き る こ と か ら 、実 際 に ア ニ メ ー シ ョ ン 制 作 に
携わるアニメータ達に高い評価を得た。
次 に 、ア ニ メ ー タ が 描 い た キ ー フ レ ー ム を 基 に 頭 髪 運 動 を 実 現 す る 手 法 に つ い て 説 明
す る 。 入 力 に は キ ャ ラ ク タ の 手 書 き (2D)の キ ー フ レ ー ム を 用 意 す る 。 そ の キ ャ ラ ク タ の
頭 髪 形 状 を 基 に 自 動 で 運 動 制 御 に 用 い ら れ る ス ケ ル ト ン 構 造 を 抽 出 す る 。基 と な る 運 動
モ デ ル に は マ ル チ ボ デ ィ ダ イ ナ ミ ク ス を 採 用 し 、キ ー フ レ ー ム 間 の 運 動 を キ ー フ レ ー ム
間 毎 に 構 築 す る 。し か し な が ら 、シ ミ ュ レ ー シ ョ ン モ デ ル を 使 用 す る だ け で は 、目 標 の
キ ー フ レ ー ム に 運 動 を 収 束 さ せ る こ と は 非 常 に 困 難 で あ る 。そ の た め 、目 標 形 状 に 頭 髪
運 動 を 収 束 さ せ る た め に 、“ C o n v e r g e n c e F o r c e ” と 呼 ば れ る 力 を 定 義 し た 。そ れ に 加 え て 、
中割り生成中に頭髪形状が保たれるような形状保存を行いそれぞれのキーフレームに
収 束 す る 中 割 り フ レ ー ム を 作 成 し た 。作 成 さ れ た 中 割 り フ レ ー ム か ら 、ア ニ メ ー タ が 指
定 し た フ レ ー ム 数 に 基 づ き 、得 ら れ た 運 動 の 特 徴 を 持 っ た 中 割 り フ レ ー ム を 選 択 す る フ
ィ ル タ を 適 用 す る こ と で 、キ ー フ レ ー ム 間 の 最 適 な 中 割 フ レ ー ム を 決 定 し 、頭 髪 ア ニ メ
ー シ ョ ン を 実 現 し た 。以 上 の よ う に 申 請 者 は 、実 際 に 中 割 フ レ ー ム を 描 く こ と な く 、ア
ニメータが制作した作品に近いクオリティのアニメーションを実現した。提案手法は、
SIGGRAPH ASIA2009 で の 発 表 時 に 聴 講 し て い た ア ニ メ ー タ 達 に 高 い 評 価 を 得 た 。
第 4 章 で は 、ア ニ メ ー タ が 描 い た 2 D キ ャ ラ ク タ ア ニ メ ー シ ョ ン に 対 し て 、A n i m e - L i k e
な 陰 影 、影 付 け を 実 現 す る 手 法 に つ い て 述 べ て い る 。ア ニ メ ー タ が 描 い た 、も し く は そ
れ を ス キ ャ ン し た 入 力 画 像 に は 奥 行 き 情 報 は 存 在 し な い 。そ の た め 、聴 衆 に 奥 行 き を 感
じさせるための陰影処理を行う必要がある。
申 請 者 は 、ま ず ア ニ メ ー タ が 描 い た 2 次 元 の キ ャ ラ ク タ の 境 界 線 に 初 期 ベ ク ト ル 場 を
設 定 す る 。そ の 初 期 ベ ク ト ル 場 を 基 に 、D i v e r g e n c e - F r e e 制 約 下 の エ ネ ル ギ ー 最 小 化 関 数
を 用 い て 画 像 中 の キ ャ ラ ク タ の 表 面 ベ ク ト ル を 推 定 し 、そ の ベ ク ト ル を 法 線 ベ ク ト ル と
し て 用 い る こ と で 、自 動 的 に 平 面 画 像 に 陰 影 付 け を す る 手 法 を 提 案 し た 。さ ら に 、ア ニ
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Ｎｏ.3
メータが得られた結果に対して修正を簡易に行えるような初期ベクトル場設定システ
ム 、及 び 直 感 的 な レ ン ダ リ ン グ 結 果 編 集 シ ス テ ム を 提 供 し 、被 験 者 と し て 提 案 手 法 を テ
ストしたインターンアニメータ達に評価された。
ア ニ メ に お け る 影 は 、キ ャ ラ ク タ や オ ブ ジ ェ ク ト が 映 像 の 中 で ど こ に 位 置 し て い る か
の 状 況 を 表 現 す る 役 割 を 担 う と 同 時 に 、シ ー ン や キ ャ ラ ク タ を 際 立 た せ る た め の 演 出 と
し て 使 用 さ れ る 。 申 請 者 は 、 ま ず Shadow Map 法 を 用 い て リ ア ル タ イ ム で 影 を 生 成 し 、
生 成 し た 影 に 対 し て 、ア ニ メ ー タ に そ の 演 出 や 編 集 を 許 容 す る 手 法 を 提 案 し た 。通 常 の
ア ニ メ 制 作 工 程 で は 、キ ャ ラ ク タ や 背 景 等 を そ れ ぞ れ レ イ ヤ に 分 割 し 、そ れ ら を 重 ね 合
わ せ て 動 画 と す る た め 、そ れ ぞ れ 透 明 度 情 報 を も っ た 画 像 が 使 わ れ る 。提 案 手 法 は 、影
付 け を 実 行 す る レ イ ヤ の み (主 に キ ャ ラ ク タ レ イ ヤ )を 入 力 と し て 用 い 、 入 力 画 像 の 持 つ
透 明 度 情 報 を 利 用 し 自 動 的 な 影 付 け を 実 現 し た 。描 画 さ れ た 影 に 対 し て 、ア ニ メ ー タ が
イ ン タ ラ ク テ ィ ブ に 編 集 可 能 な 機 能 、影 を 簡 易 に ぼ か す 処 理 や 背 景 と の 整 合 を 構 築 す る
処 理 が あ り 、そ れ ぞ れ 直 感 的 な 操 作 が 可 能 で あ る こ と が 、実 際 の 映 像 制 作 現 場 の ア ニ メ
ータ達に高く評価され、映像制作コンペ等の作品内においてもこの技術が使用された。
第 5 章 は 、そ れ ぞ れ の 提 案 手 法 に よ っ て 作 成 し た ア ニ メ ー シ ョ ン 等 の 結 果 に つ い て 総
括 し て い る 。実 際 の 制 作 工 程 で 使 用 さ れ る キ ー フ レ ー ム や 、既 存 映 像 を 用 い て 制 作 し た
アニメーションを実例として示し、提案手法の実用性を実証した。
第 6 章 で は 、本 論 文 を 総 括 し 、提 案 手 法 の 制 約 、及 び 今 後 の 解 決 す べ き 技 術 的 な 課 題
について述べている。
以 上 、ア ニ メ 作 品 制 作 の 効 率 化 を 目 指 し て 、物 理 制 約 を も た せ た 中 割 り 画 像 の 生 成 手
法 や 陰 影 付 加 の 方 法 を 提 案 し て い る 点 は 過 去 に 類 を 見 な い 独 創 的 な 点 で あ り 、コ ン テ ン
ツ の 再 利 用 と い う 観 点 か ら も 有 用 性 の 高 い 技 術 を 提 案 し て い る 。制 作 現 場 で の 利 用 を 前
提 と し た 実 用 的 な シ ス テ ム と し て 実 装 を 行 い 、高 い 評 価 結 果 も 得 て い る 。よ っ て コ ン ピ
ュ ー タ グ ラ フ ィ ッ ク ス 分 野 の 発 展 に 寄 与 す る だ け で な く 、ア ニ メ 産 業 の 活 性 化 に 寄 与 す
る と こ ろ も 大 き い と 判 断 さ れ る 。以 上 か ら 、本 論 文 は 博 士（ 工 学 ）の 学 位 論 文 と し て 価
値あるものと認める。
2010 年 2 月
審査員
（主査）早稲田大学教授
工学博士（東京大学）
森島繁生
早稲田大学教授
工学博士（早稲田大学）
橋本周司
早稲田大学教授
理学博士（早稲田大学）
小松進一
東京工科大学教授
工学博士（東京大学）
近藤邦雄
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