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: SmTIAS（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 SmTIAS 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 （SmTIAS-Evaluation/TEST_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
• SmTIAS-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)

• SmTIAS アプリ（Flutter/Dart）の修正（SmTIAS/ は参照用）
• 実測データの処理（SmTIAS-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)

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（SmTIAS-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 SmTIAS 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

技術選定の決定事項 (Resolved Decisions)

下記はフェーズ 2（技術選定）〜フェーズ 7・Step 8（基準設計キャリブレーション）を通じて確定済み．選定論拠は ENV_01「既存ツールとの比較（なぜ自作 Mitsuba 3 か）」 に記載．

• シミュレーション手法: 決定 → モンテカルロ光線追跡（Mitsuba 3 の path integrator．多重反射計算が CoV 再現に必須のため）
• 採用ライブラリ / ツール: 決定 → Python 自作 + Mitsuba 3．商用光学シミュレータ（LightTools 等）はライセンス費・指標コードを実機系と共有できない点・キャリブの内部不可視性から不採用（ENV_01 参照）
• Fusion 360 からのジオメトリ受け渡し形式: 決定 → STL（バイナリ）．mm→m 換算は実装側で対応（ENV_01「ジオメトリ受け渡し」参照）
• LED の光学パラメータ取得元: 一部未確定 → 現状は Lambertian 配光を仮定．使用 LED データシートに基づく IES プロファイルへの差替えは将来の拡張余地として残す（SPEC_03 参照）