# 基準設計の物理構成 (Baseline Physical Configuration)

## 概要 (Overview)

Step 8（基準設計のキャリブレーション）で対象とする MiniTIAS 実機の物理構成を定義する．
本ドキュメントは実機写真（[REFERENCE/](../../REFERENCE/)）と Fusion 360 設計データから読み取った構成を、シミュレーション側でどう表現するかの **認識合わせ** を残すためのものである．

仕様確定前の暫定値（材料パラメータ・LED 強度等）はキャリブレーション反復で更新する．

実体は [configs/scene_baseline.yaml](../../configs/scene_baseline.yaml)．

## 座標系 (Coordinate System)

- 単位: mm（YAML 内）．シミュレータには m に変換して渡す．
- 原点: STL モデル（Fusion 360 エクスポート）の座標系を踏襲．
- 主要部品の Z 座標（中心）:
  - 評価板（照明ムラ補正ボード）: Z=+4（厚み Z=-4.5〜+12.5）
  - LED 基板カバー: Z=-65.3
  - スマホ（SH-02M）: Z=-154.4

## 評価板（照明ムラ補正ボード）

### 構造

| 面 | 法線 | Z 座標 | 構造 | 役割 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 表面（外側） | +Z 法線 | Z=-2.5〜+12.5（凹凸） | 楕円窓 + AR マーカー + カラーチャート | 撮影された画像で見える側．スマホで写真を撮るときに映る面 |
| **裏面（内側）** | **-Z 法線** | **Z=-4.5（平面）** | **平坦な取付面** | **照度均一性の評価対象面．LED 光がこの面に均一に届くことが MiniTIAS の設計目的** |

### 評価対象面

**評価対象は内側（平坦面、-Z 法線面）の照度分布**．照明ムラ評価とは「この面に届く光が空間的に均一かどうか」を測ること．

## LED（光源）

### 物理仕様

| 項目 | 値 | 根拠 |
| --- | --- | --- |
| パッケージ | SMD 2835 | [REFERENCE/smd2835_datasheets.png](../../REFERENCE/smd2835_datasheets.png) |
| サイズ | 2.8 × 3.5 mm | データシート（Samsung / Bridgelux / Lumileds 共通） |
| 配光角（ビーム角） | 120°（≒ Lambertian） | データシート |

### モデル化（光の広がり方）

- Mitsuba の **AreaLight (rectangle)** として表現
- 発光面の **片面のみ** から放射する（`direction` ベクトルが示す向き側．裏面は完全に発光しない）
- 放射分布は **Lambertian**（法線方向で最大，cos(θ) で減衰）
  - データシートのビーム角 120° は半値全幅 ±60° に相当し，Lambertian の cos(60°)=0.5 と一致するため矛盾なし
- 各 LED の `direction` は **z 軸マイナス方向 `(0, 0, -1)`** で全 18 個共通．光は -Z 半球側に Lambertian で広がる
- `radiance` は暫定 `1.0 W/sr/m²`（キャリブレーション反復で実機 W 値に校正予定）
  - 全光束への換算: `Φ [W] = radiance × area × π`（Lambertian 半球積分）
  - 1 LED あたりの面積: `2.8 × 3.5 = 9.8 mm² = 9.8e-6 m²`
  - `radiance=1.0` のとき `Φ = 1.0 × 9.8e-6 × π ≈ 3.08e-5 W`（極めて小さい．実機 LED は ~0.2 W なので約 6500 倍の校正が必要）

### 配置

実機の LED 基板は **前側のでっぱりの直角部分** に取り付けられている．3 基板を Z 軸まわりに ±90° 回転で配置：

| 基板 | 基板中心 [mm] | LED 並び方向 | 個数 |
| --- | --- | --- | --- |
| 下（Y-） | (0, -70.2, -65.3) | X 軸 | 6 |
| 右（X+） | (70.2, 0, -65.3) | Y 軸 | 6 |
| 左（X-） | (-70.2, 0, -65.3) | Y 軸 | 6 |

各基板上の LED 6 個は基板の長手方向に約 8.7 mm 間隔で等間隔配置．総数 **18 個**．

※ 左右基板の中心座標は STL の下基板（`LED基板カバー.stl`、bbox 中心 (0, -70.2, -65.3)）を基準に Z 軸まわり ±90° 回転で算出した推定値．Fusion 360 設計の実位置と微小なズレがある可能性あり．

## カメラ（センサ）

評価板の **内側（平坦面）の照度マップを 2D 画像として直接取得** するため、orthographic（平行投影）センサを使う．

| 項目 | 値 | 意図 |
| --- | --- | --- |
| `type` | `orthographic` | パースペクティブ歪みを排除し、評価板の各位置の輝度を pixel と 1 対 1 対応させる |
| `position` | (0, 0, -50) mm | 評価板の裏面（Z=-4.5）より少し離れ、かつ LED 基板（Z=-65.3）より評価板側．ray の経路に LED が入らない位置 |
| `target` | (0, 0, 0) mm | 評価板の方向（+Z）を見る |
| `ortho_scale` | (50, 52) mm | 評価板の bbox（X=99, Y=102 mm）に余裕を持たせた半幅 |

カメラ位置が評価板に近すぎる（Z=-10 等）と Mitsuba の orthographic の near_clip 内に入って何も映らないので注意．

## レンダリング設定（多重反射の扱い）

Mitsuba 3 の **path tracer**（モンテカルロ光線追跡）を使用し、多重反射（インターリフレクション）まで含めて計算する．

| 項目 | 値 | 意味 |
| --- | --- | --- |
| `integrator` | `path` | **多重反射を考慮した** path tracing．LED → 内壁 → 評価板 のような間接照明経路もすべて積分する |
| `max_depth` | 8 | ray の最大反射回数．8 回までの反射を追跡（実用上 MiniTIAS の白筐体内多重反射には十分） |
| `spp` | 1024 | pixel あたりサンプル数．大きいほどノイズ減・計算重．**spp 校正済み**（下記「キャリブレーション経過」参照）．llvm_ad_rgb・512×512 で 1 レンダ約 9.6 分 |
| `variant` | `llvm_ad_rgb` | LLVM JIT による RGB レンダリング．LLVM-C.dll が PATH（または DRJIT_LIBLLVM_PATH）で参照可能なこと |

### 多重反射の意味

LED 光が評価板に届く経路は以下のすべてが計算される：

1. **直接光**: LED → 評価板（評価板の表面に直接当たる光）
2. **1 回反射**: LED → 内壁 → 評価板
3. **2 回反射**: LED → 内壁 → 内壁 → 評価板
4. ...
5. **max_depth (8) 回反射まで**

MiniTIAS は **白い筐体内壁の多重反射で照明を均一化** する設計のため、多重反射の正確な計算が CoV 値の再現に必須．

### 制限

- 現状 Phase A のベイク（[visualize/baker.py](../../src/sm_tias_lightsim/visualize/baker.py)）は直接照度のみで多重反射を考慮しない．多重反射込みの照度マップを得るには本ドキュメント記載の path tracer（`sm-render`）を使う．
- `max_depth` を超える反射は無視される．白筐体（reflectance 0.85）で 8 回反射した光のエネルギーは初期の `0.85^8 ≈ 27%` まで減衰しているため、無視しても影響は小さい．

## 筐体（材料）

実機の筐体構造物（前側 / 後側 / LED 基板カバー / 評価板）は **すべて同じ 3D プリンタ白素材**（PLA / PETG / ABS の白フィラメント）で造形されている．スマホホルダのみ別素材．多重反射で照明を均一化する設計．

| 部品 | 材料定義名 | 材料モデル | reflectance | 備考 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 前側 / 後側（筐体） | `printer_white` | `diffuse` | 0.85 | 3D プリンタ白フィラメント（暫定値．実物の素材データシートで再校正） |
| LED 基板カバー | `printer_white` | `diffuse` | 0.85 | **同じ 3D プリンタ白素材．不透明な白プラの枠**で LED の周囲を囲む構造であり、LED 光が透過するディフューザーではない |
| 評価板 | `printer_white` | `diffuse` | 0.85 | 3D プリンタ白．照度マップ上の輝度から照度への換算は `E ≈ pixel × π / 0.85` |
| スマホホルダ | `holder_dark` | `diffuse` | 0.50 | 別素材（推定．要確認） |
| スマホ本体（SH-02M） | `phone_body_dark` | `diffuse` | 0.05 | 樹脂・金属の黒系 |

### LED 基板カバーの取り扱いについて

当初 `thindielectric`（半透明 PMMA）でディフューザーとしてモデル化していたが、実機は 3D プリンタ白素材（不透明）であることが判明したため `diffuse 0.85` に変更した．これにより：

- LED 光は基板カバーを **透過しない**．Lambertian の発光面（AreaLight）から直接シーン空間に放出される
- 基板カバーの表面は **白プラとして拡散反射** に寄与し、多重反射の経路の一部になる
- 「半透明ディフューザーで散乱しない」問題は解消（そもそも実機にディフューザーは存在しなかった）

## キャリブレーション目標（実測値）

[PLAN_02](../03_PLAN/PLAN_02_開発ステップ.md) より：

| 指標 | 実測値 | 仮置き許容範囲 |
| --- | --- | --- |
| CoV | 0.0426 | ±0.005 |
| 中心/周辺比 | 1.064 | ±0.02 |
| 勾配 (%) | 6.23 | ±1.5 |

## キャリブレーション経過（spp 校正と診断）

### spp 128 → 1024 の数値比較（2026-05-18）

代表実測 1 枚（`MiniTIAS_20260408_144434`、ROI 物理対応済み）に対するシミュ結果：

| 指標 | 実測 (target) | spp=128 | spp=1024 | 実測との差 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| **CoV** | 0.0426 | 0.236 | **0.183** | 4.3× |
| std | 6.26 | 35.83 | 27.85 | |
| max/min 比 | 1.392 | 11.59 | 4.27 | 3.1× |
| mean | 146.71 | 151.79 | 152.02 | ≈ 一致 |
| 中心/周辺比 | 1.0650 | 1.330 | 1.328 | 1.25× |
| 勾配 % | 6.10 | 24.83 | 24.72 | 4.1× |

### 診断結論：ノイズ要因 vs 物理モデル要因の切り分け

spp を 8 倍にして判明した切り分け：

- **モンテカルロノイズ由来だった成分**：max/min 比 11.6→4.3、std 35.8→27.9、CoV 0.236→0.183．極端な外れ値ピクセルが消えた．
- **物理モデル由来（spp 非依存）の成分**：**中心/周辺比 (1.330→1.328) と勾配 % (24.83→24.72) はほぼ不変**．計算ノイズではなく構造的な空間勾配．

ノイズ分解（`std² = 信号² + ノイズ²`、ノイズ ∝ `1/√spp`）で逆算：

- spp=1024 の残留ノイズ std ≈ 8.5、真の物理信号 std ≈ 26.5
- **spp→∞（ノイズゼロ）でも CoV は ≈ 0.174 までしか下がらない**（実測 0.0426 の約 4 倍）
- ⇒ spp をさらに上げても CoV は 0.183→0.174 程度で頭打ち．**spp 増加は費用対効果なし**．spp=1024 を基準設定として確定．

### 残差の主因（物理モデル差）

CoV 4 倍差・勾配 4 倍差の主因は **シミュの照度が周辺へ急峻に落ちる構造的空間勾配**．これは実機との物理差というより **比較スケールの差** が支配的：

実測 PNG は実機 ISP の **レンズシェーディング補正（周辺減光の電子補正）込み**で、シミュは線形放射輝度（補正なし）．実測データ提供側 README（`reference_measurement/.../README.md` 注意点）も明示：

> レンズシェーディング補正が ON だと周辺光量低下の一部は ISP が補正している．**「シミュの勾配が実測より大きい」ことが期待される**（このため 6% は補正後の残存ムラ）．

今回の観測（シミュ勾配 24.7% ≫ 実測 6.1%）はこの予測と整合．次の改善はレンズシェーディング補正の後処理適用、または筐体内壁反射率スイープ（次セッション着手）．

## 想定どおりの挙動（追加対応不要）

以下は実機と一致する挙動として **意図的にそのままにしている** 項目：

1. **評価板の楕円窓からの光漏れ**: 楕円窓は撮影用開口で、均一性測定時にも何も塞がない．シミュ上で楕円窓から外部に光が逃げる挙動は実機と整合．
2. **筐体開口部（スマホ取付穴等）からの光漏れ**: 同上．実機でも漏れる構造で、シミュも同じ．
3. **被写体（白板）は別途配置しない**: 「補正ボード」= 評価板（照明ムラ補正ボード）そのものを指す．楕円窓の奥に追加の白板は置かない．

## 既知の差分（実機との不一致）

Step 8 進行中に把握した、実機との未解消の差分：

1. **3D プリンタ白素材の反射率の正確な値**: 暫定 `0.85` だが、実物のフィラメント（PLA / PETG / ABS のどれか）と分光反射率データで再校正が必要．
2. **左右 LED 基板の正確な位置・向き**: STL から推定した座標で、Fusion 360 設計とのズレがある可能性．
3. **LED 1 個あたりの実 W 値**: 現状 `radiance=2807.25`（実測 mean=146.7 にスケール校正済み）．mean は一致するが、実機 SMD 2835 の規格値（~0.2 W）からの物理的整合性は未検証．
4. **スマホホルダの実素材**: 推定 `holder_dark` (0.50)．実物確認が必要．
5. **【最大の差・主因】ISP レンズシェーディング補正によるスケール差**: 実測 PNG は実機 ISP の周辺減光電子補正込み、シミュは線形放射輝度（補正なし）．このため **シミュ勾配 24.7% ≫ 実測 6.1%**（実測データ提供側も予測済み）．CoV 4 倍差の主因．spp 由来ノイズではなく構造的（「キャリブレーション経過」参照）．対策はレンズシェーディング補正の後処理適用．
6. ~~**評価 ROI の不一致**~~（**解消済み**）: ROI を実機と物理対応させ（`configs/eval_baseline.yaml` = pixel (24,37,464,450)）、`sm-evaluate` は実測 PNG に対し MiniTias-Evaluation と小数点 14 桁レベルで一致を確認済み．評価ロジック起因の差はない．

## 参照（References）

- 実機写真: [REFERENCE/housing_interior_real.jpg](../../REFERENCE/housing_interior_real.jpg)
- LED 基板拡大: [REFERENCE/led_board_closeup.jpg](../../REFERENCE/led_board_closeup.jpg)
- Fusion 360 内部視点: [REFERENCE/fusion360_housing_interior.png](../../REFERENCE/fusion360_housing_interior.png)
- LED データシート: [REFERENCE/smd2835_datasheets.png](../../REFERENCE/smd2835_datasheets.png)
- YAML 仕様（一般形）: [SPEC_02_シーン定義仕様](SPEC_02_シーン定義仕様.md)
- 基準設定の YAML 実体: [configs/scene_baseline.yaml](../../configs/scene_baseline.yaml)