hirax.net::inside out::2014年08月

■ケルビンプローブフォース顕微鏡を使った表面電荷分布解析　

　走査型プローブ顕微鏡 (Scanning Probe Microscope; SPM) のひとつであるケルビンプローブフォース顕微鏡（Kelvin probe Force Microscopy:KFM）を使うと、測定対象の表面形状と電位ポテンシャル像を同時に得ることができる。…そんな測定データを見て、「表面形状と電位ポテンシャル像から、表面形状と表面電荷分布を導いてみたいですよね！」と呟いた（１年くらい前に）ことをきっかけに、SPMで測定された電位分布から、測定対象の表面電荷分布を推定する作業をした（数ヶ月前に）。

　…やったことは、とても簡単で、インパルス的な電荷が存在していた時に、KFMプローブ測定系で測定される電位分布をシフトインバリアントな系として静電場解析した上で＊、その電位分布で測定ノイズ耐性を考慮した出コンボリューション、つまり、ウィーナフィルタ的な処理をすることで、ケルビンプローブフォース顕微鏡（KFM）で測定された電位ポテンシャル像から、表面電荷分布を求める作業をした。

　といっても、やったことをとても単純に言えば、ノイズの大きさを考えながらロバストにボケた測定系のボケを除去する（プラス、意味合いというか単位変換をする）というだけで、何だか１０年くらい前に書いたコードをただ書き直しただけ、という感じ。あと、球状の測定対象を測定した電位分布測定結果から全球状の電荷分布を逆推定するための処理コードを書いたくらい（しかも、それはプラネタリウムソフトを作るために書いたコードをそのまま流用した）。

　…思うことは、使える状態の”ストック”が「できること」の量を決めるという当たり前のこと。「できたこと」を決めるのはタイミングとか運とかの影響の方がずっと多いと思うけど、「できること」を決めるのは使える状態にある”ストックの量が決める…と勝手に小さく信じて（きっとホントは違うんだろうけど）、精進しよう・そうしよう。

■Mathematica 10で東京タワーとスカイツリーから見渡せる地域を眺めてみよう!?　

　先日リリースされたMathematica 10の新機能を使うと、たとえば、東京タワーとスカイツリーから見渡せる地域を（ざっくり地表凹凸が無いとすると）簡単に描くこともできます。４千円程度で買うことができるRaspberry Pi 用のMathematica も、正式にバージョン10になったので、色々遊ぶことができそうです。

■関東を中心にした地震発生分布地図　

　先週に引き続き、Mathematica 10 で追加された機能を確認しています（Mathematica 10で東京タワーとスカイツリーから見渡せる地域を眺めてみよう!?）。扱うことができる（自動で取り込むことができる）データが増えていたので、使用例を読みながら、関東を中心にした地震発生分布地図を描いてみました。

　地震発生分布地図を眺めてみると、「なるほど、確かにTVでよく見かける地震速報の震源地と一致するな（当たり前だけど）」と感じさせられます。たとえば、「震源地は千葉」とか「震源地は茨城」といった地震速報はよく見かけるけれど、確かに（すぐ近くにあるのに）東京の下で起きる地震は（関東内での相対比較では）少ないんだな…という風に見えてきます。

■「割り箸袋の引き抜き」でハンコが綺麗に押せる理由を実験してみよう!?　

　ハンコ押しは、結構な確率で失敗しがちなです。けれど、割り箸袋の上にハンコを押す紙を起いて、ハンコを押した後に割り箸袋を引くと、ハンコが綺麗に押すことができます。…で、その理由を実感するために簡単な実験をしてみました。

　下に貼り付けた画像は、（左から）普通に押したもの・押しつつ割り箸袋を引いたもの・割り箸袋の引き抜きを途中で止めたものです。

　色々やってみた結果からは、まずはハンコを押す紙の下にある割り箸袋を引くときに、 スティックスリップ（stick-slip：摩擦面間で受動・滑りの繰り返しで生じる自励振動）が生じて、ハンコ・紙が高周波で微振動することで、紙の表面凹凸などで触れにくい箇所に対してもちゃんと接触できるようになるということがありました。そして、（割り箸袋を引くときに）割り箸袋の端部が位置する箇所に応力集中することで、ギュッとハンコが押されるという効果も（これは若干で、前者による効果よりは小さいように思えましたが）ありそうです。たとえば、上の右端写真では、右半分が「割り箸袋の端部が位置する箇所に応力集中する箇所が通り過ぎた後」の状態です。

　…というわけで、ハンコに超音波振動子を内蔵させたりしたら、「押しミスが少ない優れものハンコ」に変身するかもしれません!?

■月岡芳年の浮世絵をタブレットでリアルに手にしてみよう!?　

　幕末から明治にかけての浮世絵師「月岡芳年」の作品を３次元的に眺めてみよう!? で月岡芳年の浮世絵の見え方を復元し、見る方向で姿が変わるリアルな浮世絵を３次元的にグリグリ眺めてみよう!?では、Three.jsでそれを３次元的に眺めてみました。そこで今日は、月岡芳年の浮世絵をタブレットでリアルに手にしてみることにしました。

　といっても、やった作業はとても簡単で、実質１０分ほどの作業に過ぎません＊。（結構前ですが）前回の記事作ったデータを、iOS上で動くGLSL Studioに読み込んで、前面カメラ（フェイスカメラ）で周囲の環境光をリアルタイムに認識することで周りから浮世絵に照射される光線を推定し（適当にね！）、（浮世絵を眺める人の視線方向に対して）浮世絵から反射されるはずの光・色を液晶画面に映し出すことで＊＊、「周りからの光と自分自身の反射率特性に応じて、周りに光を返す」という反射物体が持つ特性と同じ挙動をさせる、という具合です。…こう書くと複雑そうですが、実際のところはほんの１０行足らずのコードを書いてみたに過ぎません。

　最近のスマホなら、前面カメラを使うことで環境光分布の推定も容易にできますし、浮世絵のような反射物が持つh反射率分布関数(BRDF)の再現・表示もスマホ搭載のGPU・LCDならある程度行うことができます。…となると、もはや反射物体としての浮世絵とかアートの再現なんてスマホで十分可能だぜ！という時代が訪れているようにも思われます。

＊＊ちなみに、iPadのフェイスカメラ部分にティッシュペーパーを貼りつけてあるのは、環境光分布を畳み込む計算を行うのがGLSL Studioでは重かった（不要な重複計算が生じてしまう）から、ティッシュペーパーで超アナログな畳み込み計算をしてみた…という具合です。

■神田無線電機モバイルプロジェクタとスマホ魚眼レンズで全球ディスプレイを作ってみよう!?（第1回）　

　１万円少しで買った神田無線電機 Wis 高解像度小型プロジェクター KVD-Z240Kと、アキバのどこかの店頭で買った（多分）スマートフォン用の円形魚眼レンズ で、湯村さん @yumu19 のPersonal Cosmos モドキを作成中です。まずは、東急ハンズで１６０円くらい（だったような気がする）で透明半球樹脂を買い、１００円ショップのダイソーで買った白色塗料スプレーで透明半球を拡散白色塗装して、とりあえず、半球状態でオバマ大統領や地球をを表示してみます。…これが結構立体的で意外なほど面白く 、全球ディスプレイ面白いぞ！と思ったりします。

　「１万円で全球ディスプレイ」と「ピクリとも動かないはずの雑誌グラビアページの胸をリズミカルに揺らしてみよう!?」を組み合わせれば、夏休みの大人の自由研究「超体感○×」ができあがるかも!?

7:16 PM - 13 Aug 2014

■神田無線電機モバイルプロジェクタとスマホ魚眼レンズで全球ディスプレイを作ってみよう!?（第2回）　

　（昨年Maker Faire Tokyo 2014 で眺めた湯村さんのPersonal Cosmosが面白く・ハマったたので）神田無線電機モバイルプロジェクタとスマホ魚眼レンズで全球ディスプレイを作ってみよう!?（第1回） …というわけで、湯村さん@yumu19のPersonal Cosmosモドキを仕立ててみました。１万円ちょっとで買った神田無線電機のモバイルプロジェクタと東急ハンズとダイソーで買った３００円くらいの小物と、家に転がっていたいくつかのレンズの組み合わせで作ってみた超個人的な「全球儀」です。ほぼ球面上の地球表面や上空に流れる流体の動きや、太陽からの放射熱や熱放出のバランスで決まる温度分布をグリグリ眺めてみると、何だかとても楽しく思えます。

　ちなみに、ほぼ全球状のマッピングができたのは、すべて（じゃないけど）OPIE 2014で、堀田光学工業株式会社が無料で配布していた「プラレンズ多量詰め合わせセット」のおかげです。堀田光学工業素晴らしいぞ！

　OPIE@パシフィコ横浜で、最高に好きになった会社が堀田光学工業株式会社。だって、プラレンズの詰め合わせ（たくさん）セットを無料で配ってる。欲しいレンズが入ってるかを選べばもう数万円相当。

4:40 PM - 25 Apr 2014

　OPIE（≠おっぱい）@パシフィコ横浜で、（最高な）堀田光学工業株式会社が配布していたプラレンズの多量詰め合わせを使えば何本ものミニチュア天体望遠鏡や超ウルトラ魚眼レンズが作れそう。

5:16 PM - 25 Apr 2014

■「スマホで簡単３次元計測」MS論文を簡単に試してみよう!?　

　『スマホの赤外線カットフィルタ取り外して、赤外線投光器取り付けて、距離と輝度の関係（とあと適当な機械学習で）、スマホを簡易３D形状センサにしちゃう』という話（論文、ビデオ）が面白かったので、簡単な実験してみました。１００円ショップのライト前面にピンホールと拡散板を組み合わせてた点光源作り（箸で穴開けた紙にティッシュ貼り付けただけ、とも言う）、立体メガネから取り外した回転偏光フィルタで表面反射光を除去した上で、なるべく光源とレンズを近づけた配置にして（影ができてるけど＝光源と撮像系が一致してないけど）、デジカメで撮影した画像から３次元形状の復元をしてみました。

　ピンポン玉を撮影したり、カメラに向かって広げた指を撮影して、その画像から簡易に３次元形状を復元してみたのが下に貼り付けた画像です。…まぁ、こんなところでしょうか。

　点光源と撮像系位置を一致させれば、遮蔽による影や対象物の法線分布を無視できる系になるでしょうから（件の論文にはそうしたことは書かれていませんが）、今度は透明シートをハーフミラーの代わりにでも使って、そうした簡易実験でもしてみようかと思います。

■水中で弾丸撃たときのキャビテーション（泡発生）計算をしてみよう!?　

　OpenFOAMの「水中で弾丸撃たときのキャビテーション（泡発生）」Tutorial計算を一昨日から流してるけど、まだ40ms後くらいまでしか終わらない。「AK-47を水中で撃ったら、一体どうなる？（キャビテーションが起きるよ！）」動画の再現までは道のり遠いかも…。

■「ミネラルウォーター風ドリンクーいろはす」 …に騙された!?の巻　

　コカコーラのミネラルウォーター風ドリンク「い・ろ・は・す」 …着色されてないだけの結構普通の炭酸飲料だったとは！（右に貼り付けた画像のような）このデザインで、カロリー少なからずある普通の飲料…って大どんでん返しだと思う。これまで、「美味しいなぁ、カロリー低いのに！」と思っていたのだけれど、100mlあたり20kcal弱で、1000mlでお椀にご飯てんこ盛りくらい。…ヘルシー気分で気持ちよくガブガブ飲んでたのは、まさに物知らず。

　「いろはすレモンの表側には炭酸水と書かれているけれど、裏ラベルの品名は炭酸飲料」というお言葉を承り、炭酸水＝炭酸飲料なら、水＝飲料なんだろうか？と悩んでみたり。

■Excelで”-1^2″の計算結果が1で、”0-1^2″は-1になるヒミツ!?　

　Excelで”-1^2″の計算結果が1で、”0-1^2″は-1になるヒミツ!?を書きました。この話題、遙か昔から定番ですが、とても面白いと思います。

　このようなExcelの演算子解釈ルール（優先順位ルール）は、どのようにして生まれたのでしょう？「それは、きっとExcelに先行して発売されていた表計算ソフトのVisicalcやLotus 1-2-3にならったに違いない！」と言われることも多いのですが、残念ながらそうではありません。Visicalcの演算子解釈順は、単純に左から右へと並ぶ”並び順”で解釈されますし、Lotus 1-2-3は…

■[今日見た景色] 国立天文台 野辺山 公開日　

　長野県にある野辺山天文台の公開日に行く。…というより、こどもの頃に住んでいた場所（当時は野辺山 太陽電波観測所という名前だったけど）に行ってみた。変わっているところも多かったけれど、変わっていないところも多かった。その頃、（ちょうどその頃は）蒸気機関車が定常的に走ってる路線で（信じてもらえないだろうけど）、当然小学校は「分校」で…とか色々考えつつ、夕方３時過ぎから、車でこの辺りをグルグル回ってみる。

■夏休みの自由工作・自由研究「超テカリ・超サラサラな画像を作ってみよう!?」　

　野辺山に行く前後、昨日早朝と今夜に作ってみた夏休みの宿題的工作が超原始的な右のガラクタです。自動回転偏光フィルタを備えたカメラです。（試しに使ってる様子と撮影した動画例）。…夏休みの自由工作課題や自由研究を全然やってない！もう夏休みの終わりも近いのに！というありがちコドモがいたら、「宿題引き受け株式会社」的にセールスして回ってみたくなります。

　もちろん、夏休みの自由工作・自由研究的には、何か「調べて見た的要素」が必要でしょうから、たとえば、この超原始的装置で撮影した動画を使って作り出した「表面反射成分を取り除いた色画像・表面反射のみ画像・表面反射を誇張した超テカリ画像」を作り出してみた結果が、下に貼り付けたものになります。表面反射における偏光具合の違いを使い、表面反射成分を取り除いています（生画像と表面反射除去後画像の例はたとえばこのような具合です）。こうした使用例とか考察とかサンプルコード付きで夏休みの自由課題・自由研究「宿題引き受け株式会社」営業中です！（ウソ）

■回転する偏光フィルタ越しに撮影するカメラで表面法線分布を算出してみよう!?　

　昨日は、回転する偏光フィルタ越しに撮影するデジカメを作り、表面反射光と（比較的等方に広がる）拡散色を識別する装置を作ってみました（夏休みの自由工作・自由研究「超テカリ・超サラサラな画像を作ってみよう!?」）。…というわけで、今日は、そんな回転する偏光フィルタ越しに撮影するカメラを使って、表面反射による偏光方向の偏りをもとに表面法線分布を算出するコードを書いてみました。その結果が、下に貼り付けた画像です。左から「撮影画像」「表面反射画像」「主偏光方向（≒法線方向）」です。

■[今日見た景色] 日本の分水嶺で、太平洋と日本海に向け、生き別れた立ちション"のゆくえ　

　野辺山天文台の公開日を観た帰り、野辺山高原から山を越えて平沢集落に向かいます。…そこは、この野辺山に暮らしていた頃に、遠足で必ず登った（登る途中にあった）場所で、そこにある獅子岩（ししいわ）近くにある「日本の分水嶺」では、男の子はみな立ちションをして、そのオシッコが日本海と太平洋へと分かれて行くさまを誰もが見た…といいます（これはけれど１００％ホントの話）。

■「おしっこの匂い」の拡散を防ぐにはどうしたら良いか!?　

　太平洋と日本海の分水嶺に立ち、二手に分かれていくおしっこをしながら考えました。おしっこをすると、その匂いをすぐに感じ取ることができます。…言い換えれば、おしっこから揮発したアンモニア等の分子が鼻の中に侵入してきているわけです。自分が排出したものとはいえ、それほど心地良い香りではありませんから、アンモニア分子などが鼻孔に押し寄せてくるのは少し避けたいところです。

　空気中におけるアンモニア分子の拡散は、「気体の拡散速度は、分子量の平方根に逆比例する」というグレアムの法則にもしたがうかもしれませんが、こと立ちションの場合には、空気中に「（暖かい）おしっこが放たれることにより、空気が掻き乱されたり・上に立ち上る空気流が生み出されたりしそうです。実際、下に貼り付けた「（シュリーレン光学系で可視化した）カップに注がれるお湯が作り出す空気の流れ」を眺めてみても、上に立ち上る暖かな空気の流れが見て取れます。

　立ちションをして、下からアンモニアの湯気が立ち上ってくれば、当然のごとく、すぐに鼻の中に侵入してくるに違いありません。そうした下腹部から立ち上り攻めてくるアンモニア分子たちから逃げる方法はないのだろうか？そんなの無理なことなのだろうか？…さらには、立ちションする人体周辺の空気流を可視化したら、きっと恐ろしい姿が映し出されるに違いない…などと考え悩む夏の終わり、です。

■「青空全天球の偏光分布」を測ってみよう!?　

　明日書く記事のついでにやった実験。

　１８０°魚眼レンズを装着し、自動回転偏光フィルタ付きカメラ（iPhone版）を真上に広がる青空に向け、主偏光方向分布を可視化してみた。太陽方向を基準に十字型の分布が見えて良い感じ（本当に夏休みの自由研究っぽくなってきた）。

2:45 PM - 31 Aug 2014

　そういえば、液晶が下向いてると操作性悪いし、iPhone4の背面カメラで動画撮影するとクリッピングされちゃうから、実際に使ったのは、前面カメラ使うように変更したものだった（その時のようすはコンパクト・デジカメの記憶容量がいっぱいになってしまい記録できなかった…）。

4:06 PM - 31 Aug 2014

■【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!?　

　【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!?を書きました。

　８月３１日の夜、つまり、「夏休みが終わるまであと少し」の瞬間というわけで、夏休みの自由工作をしてみました。作ってみたのは「昼間なのに夜景風の写真を撮ることができるカメラ」です。

　本当のところ、実際の夜景で見える景色はその物体自身が光り輝き示す色ですが、このカメラに映し出される夜景風の景色は物体自身が発する色ではなく・他から発せられた光をただ跳ね返すだけの色に過ぎません。そんな風に、正反対の１８０度違うかに思える光なのに、私たちには区別できず同じように見えるというのが面白いものですね。