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SmTIAS-LightSim / docs / 03_PLAN / PLAN_01_要件定義書.md

要件定義書 (Requirements Definition)

プロジェクト概要 (Project Overview)

  • プロジェクト名: SmTIAS-LightSim
  • 目的: MiniTIAS(スマートフォン舌画像撮影装置)の照明ユニットを試作する前に, LED 配置・ディフューザー形状・筐体内反射条件を仮想的に変更しながら照明均一性を シミュレーションし,設計の方向性を絞り込む
  • 背景:
    • 既存の MiniTIAS は中心/周辺比 ≈ 1.064,勾配 ≈ 6% の照明ムラが実測で確認されている (MiniTias-Evaluation/REPORT_01)
    • 実機制作→撮影→評価のサイクルは筐体 3D プリントや回路組み立てのコストが高く, 設計変更を数多く試せない
    • Fusion 360 で筐体 3D モデルを試作中のため,そのジオメトリを取り込めると設計変更が速い

対象ユーザー (Target Users)

  • 研究者本人(千葉大学フロンティア医工学センター)
  • PC 上でローカル実行.他者への配布・GUI パッケージ化は不要

スコープ (Scope)

やること (In Scope)

  • 光源・幾何モデルの入力:
    • Fusion 360 で作成した筐体モデル(STEP / STL 等)を読み込み,光源・反射面を設定
    • LED の配置・数・向きを変数として与えられる
  • 照明均一性の事前シミュレーション:
    • 白板相当の平面(ROI 相当)での輝度分布を算出
    • 出力は実機の撮影画像(PNG)と同じ形式の擬似撮影画像,または輝度マップ
  • MiniTias-Evaluation と同じ指標での評価:
    • Rec.709 輝度,CoV,標準偏差,最大/最小比
    • 3 ゾーン分析(center / middle / periphery)・放射状プロファイル
  • 設計バリエーションの比較:
    • 同一評価フォーマットで複数設計の結果を並べて比較できるようにする

やらないこと (Out of Scope)

  • MiniTIAS アプリ(Flutter/Dart)の修正(MiniTIAS/ は参照用)
  • 実測データの処理(MiniTias-Evaluation の範疇)
  • 筐体の構造・熱・強度解析(光学のみ)
  • GUI / Web アプリ化(CLI or スクリプト実行)
  • リアルタイムシミュレーション
  • 色再現性(ΔE)の検証 — 均一性検証が完了してから拡張する

検証対象 (Evaluation Targets)

優先度対象評価項目備考
1(最初)基準設計の再現MiniTIAS 実測値との一致(均一性指標)現行構成をモデル化してキャリブレーション
2光源配置の最適化CoV,中心/周辺比の改善LED 個数・角度・位置を変数化
3ディフューザー形状の検討CoV の改善透過率・散乱特性をパラメータ化
4(将来)色再現性の事前検討ΔE均一性の課題解決後に着手

データ (Data)

  • 入力:
    • 筐体ジオメトリ(Fusion 360 から STEP/STL/3MF 等でエクスポート)
    • 光源定義(LED 位置・向き・光度分布.データシートまたは仮定値)
    • 材料パラメータ(反射率・透過率・散乱係数等)
  • 出力:
    • シミュレーション画像(PNG)または輝度マップ(NumPy/PNG)
    • 均一性指標 CSV(MiniTias-Evaluation と同フォーマット)
    • 設計比較レポート(表 + 可視化 PNG)

検証の進め方 (Evaluation Strategy)

  1. 現行 MiniTIAS の構成を仮想モデル化し,実測値(CoV ≈ 0.0426,勾配 ≈ 6%)と 比較してシミュレーション精度をキャリブレーション
  2. 光源配置・ディフューザー形状の改良案を複数作り,同じ指標で比較
  3. 有望な改良案を Fusion 360 側に反映し,実機試作へ

未決事項 (Open Questions)

以下はフェーズ 2(技術選定)以降で決定する:

  • シミュレーション手法: 光線追跡 / LED 配光 + 簡易モデル / モンテカルロ等(未定)
  • 採用ライブラリ / ツール: Python 自作,Mitsuba 3,LightTools 等(未定)
  • Fusion 360 からのジオメトリ受け渡し形式: STEP / STL / 3MF(未定.手法依存)
  • LED の光学パラメータ取得元: 使用 LED のデータシート有無(未定)