3D スキャンテクノロジーの仕組みとは?

著 Natalia Kivolya
2月 5日, 2020
3 分で読めます
概要 
3Dスキャンの世界から始めるのは少しハードルが高いかもしれませんが、3Dプリントの背後にあるテクノロジーを理解するのに少し時間をかけるだけで、全てが明確になります。ご自身の目(スキャナの起源ですね!)から、現在市場に出ている最新の3Dスキャナまで、すべてがどのように機能するのかをここに記述いたします!
スキャナの種類
4+
精度の範囲
0.1 – 5 mm
解像度の範囲
1 – 1,000 cm

表示やスキャンなどにおける私達の世界の次元

数ある多くのレーザースキャナ、構造化光式スキャナ、設計ソフトウェア、3Dモデルなど、魅力的な3Dスキャンの世界に飛び込む前に、まずはどこにいても私達を常に取り巻き、そして位置づけをする3次元について理解を深めましょう。

3Dスキャナが何かということを全く理解していなくても、誰でも私達が3次元の世界に住んでいることは知っています。しかし、「3次元の世界」とは、実際には何を示しているのでしょうか?

それは、私達の周囲の空間には3つの次元があり、どんな物体でもその位置はパラメータまたは座標と呼ばれる3つの数字を使用して記述することができることを示します。これらの3つのパラメータを指定するには様々な方法があり、その為のルールは座標系と呼ばれます。

図.1a​

最も一般的な座標系は直交座標系(デカルト座標系とも呼ばれる)です。

私達が身の周りの物の幅、高さ、深さについて話すときは、直交座標系を使用しているのです- 右手系か左手系のいずれかを用いてです。この2つの唯一の違いは、z軸の方向であり、これは物体の深さを指します。

図.1b​

図.1c​

その他にも、球面座標系(左)や円筒座標系(右)などいくつかの座標系があります

その他にも、球面座標系や円筒座標系などいくつかの座標系があります。すべての3D座標系に共通しているのは、3つの独立したパラメータがあり、表面かどうかにかかわらず、空間内のどの点の位置も明確に記述することです。これはとても単純なように思えますが、3Dスキャナとスキャンに関しては、このような基本的な基本原則が、この世界を変えるような技術をよりよく把握し、正常に使用するのに本当に役立ちます。

現在のプロフェッショナルな3Dスキャンの解決法にあたる、ソフトウェアの精度と解像度を考慮すると、3Dスキャンとスキャナの世界に関する寸法の議論はさらに重要になります。人間の目に見えるレベルをはるかに超えるレベルまで、最新の3Dスキャナのパフォーマンスは、信頼性と再現性のあるハードウェアおよびソフトウェアベースの座標系に、完全に依存しています。

物体の簡単な説明と、それらの3Dスキャンについて

空間内の位置に加えて、すべての物体には次元があります。物体は、0D、1D、2D、または3Dと示されます。

0D & 1Dの物体​

2D の物体​

3D の物体​

原子のように非常に小さなものについて考えてみましょう。これはほとんどスペースを占有しないと言えるので、点と呼ぶことができます。点の物体が、x、y、およびz座標で記述できる空間内の位置を持っていても、次元は持たない場合、それは0Dの物体と呼ばれます。そして、1D、2D、および3Dの物体用のスキャナは確実に見つかりますが、0Dの物体用はありません。

非常に細いチェーンは、1Dの物体の例です。最初と最後のリンクを除く各リンクには、「隣接」リンクが2つしかありません。

薄い紙(c)は2Dの物体です。なぜなら3次元(高さ)は横幅と縦幅に比べて重要ではないためです。

3Dの物体の簡単な例は、横幅、縦幅と、高さを持ち、3次元すべてで一定のスペースを占める箱です。

現在市販されているプロ仕様の3Dスキャナのメーカーは、製品ページ内および製品ドキュメント内で最適な物体のサイズ(3Dスキャン対象)を明確に指定しています。3Dスキャナのサイズは、極小型および小型の物体用の自動デスクトップスキャナから、小型および中型の物体用でハンドヘルド仕様のライトスキャナ、そして大型および巨大型の物体用の大型スキャナ(3Dレーザースキャナなど)まであります。これらのスキャナで作成された3Dモデルは、その後プロフェッショナル用CADデザインのソフトウェアなどで、必要に応じてサイズを変更できます。

私達がどのように世界を3Dで知覚するか(そして時に無意識でスキャンするか)

遠方の物体に関するほとんどの情報は、光の助けを借りて私たちに届きます。光とは、可能な限り速い速度で宇宙を駆け抜ける、単純な電磁放射です。主に太陽から来る光は表面で跳ね返り、表面で吸収または反射され、吸収されない限り前進し続けます。光には、多くのことが起こり得ます。光は反射、屈折、散乱、吸収することができ、その行き先にある物体に当たった後は、色、強度、方向などの特性を変更することさえできます。

人間の目は、可視光の方向、強度、色を検出できる感覚器官です。目には水晶体があり、そこを通過する光を網膜に集束します。網膜には、約1億2000万個の棒と、600万〜700万個の錐体で構成される、特殊な光感受性細胞が含まれています。これらの棒は私たちに黒と白を知覚させ、錐体は私たちに色を見せてくれます。これらの色を見るために、私たちの目は周囲からの光線を集め、網膜に向けます。

私達の目はすべての距離で同時に焦点が合っている物体を見ることができないため、近くの何かを見ると、遠くの物体はぼやけて見え、逆もまた同様です。「調節反射」と呼ばれる特別な焦点を合わせるプロセスにより、6〜7センチメートル(2.5インチ)から無限の遠距離まではっきりと見ることができます。ほとんどの場合、調節は反射のように機能しますが、意識的に制御することもできます。遠近調節の1つの側面は、図2に示すように、異なる距離で焦点を合わせるために対応する筋肉が目の水晶体に必要な調整を行う場合です。

図. 2​

焦点: a. 遠方にあるなにか​

b. 近方にあるなにか​

それは目が焦点を合わせるのに役立つだけでなく、調節すれば近くの物体と遠くの物体を区別することもできます。人間の片方の目では、それほど深く認識できないにもかかわらずです。これが、目を2つ持つことによって発揮される利益です(図3を参照)。

図.3a​

図.3b​

人間の3Dの視覚は、立体効果と呼ばれるものに基づいています。この効果は、2つの異なる位置から物体を表示するプロセスを指します。この場合、それぞれの目で見る画像は似ていますが、わずかにずれています。ズレの大きさは、あなたと物体の間の高さ(距離)によりますが、画像はあなたの近くにある物体ほど大きくズレる傾向があります。この現象は、両眼視差と呼ばれます。

残念ながら、見るものすべてに関して、目の解像度は同じではありません。錐体の最高密度は中央にあるため、良好な解像度と奥行きの知覚を得るには、両方の目が物体に直接焦点を合わせる必要があります。近くの物体を見るための輻輳(図3(b)を参照)は、外眼の筋肉を利用し、遠くの物体に焦点を合わせる場合、目に見える角度は非常に小さくなります。

2つの画像(それぞれの目から1枚)が網膜に投影された後、それらは視神経を通過し、さまざまな視覚脳システムに到達します。脳のさまざまな部分が同時に画像を分析します。単純な表面形状を検出する部分もあれば、動きを記録する部分もあり、以前に学習した画像などと画像を比較する部分もあります。

最後に、わずか50ミリ秒で、このすべての情報が意識的に浮かび上がり、見ているものの色、深さ、動き、形状を把握します。Artec3Dスキャナはそれとほぼ同じように機能しますが、人間の視覚システムよりも奥行きの測定に関してはるかに正確です。これは、Artec 3Dレーザースキャナと構造化光式スキャナを指します。

人間の目、3D知覚、そして3Dのスキャナ

光は状況に応じて異なる動作をするため、3Dの視覚は必ずしもうまく機能するとは限りません。

現実には、ナノメートルより大きいサイズのすべての物体は3Dですが、人間の目や最新のスキャナが物体のすべての側面を同時に見ることはかなり困難です。それは大体他の物体がそれを隠してしまうことが多いからです。例えば、不透明な複雑な物体がそうです。これらの物体の前面は、背面が視覚的にブロックされる可能性があります。

特に形状が不明な場合、3D形状の全体を表示するには、複数の視点から物体を観察(およびスキャン)することが重要です。均一な色と、3Dの単純な形状の大きな物体を認識することもまた、難しい場合があります。平らな表面や、非常に滑らかな表面を持つ物体もそうです。

 

重要なポイント

これの良い例は、完全に明るい色で塗られた駐車スペースに車を駐車しようとした場合です。背景がすべて同じ色で、駐車スペースのラインと対比する目に見える特徴がない場合、目(および脳)はスペースの奥行きの深さを認識するのに非常に苦労します。

これは、目の焦点を合わせるために視覚にコントラストのある画像が必要であり、凹凸のない均一に色付けされた表面にはコントラストが全くないように見えるためです。 黒い表面でも、同じことが言えます。

多くのプロフェッショナル3Dスキャナは、上記のような区別をするのに困難なため、黒または暗い表面や色をスキャンするのは難しいのです。多くの技術者と3Dスキャンの専門家にとって、これは深刻な問題で、多くの場合、異なるスキャン戦略または全く異なるスキャナを必要とします。とはいえ、暗い面が少なくともときどき3Dでスキャンされる場合は、可能な限り、購入前にそのような物体で3Dスキャナのパフォーマンステストをした方が良いでしょう。仕事に必要な、最適なスキャナを選択することは、精度と解像度を考慮することよりも、はるかに重要です。

スキャニングを通した3DモデルやCADなど

構造化光式スキャナ、レーザースキャナ、ソフトウェアなど、現世代のプロフェッショナルの3Dスキャンの解決法は、コンピューターのテクノロジーと密接に関連しています。これにより、新しいコンピュータ数値制御、別名CNC(コンピュータライズド・ニューメリカル・コントロール)の開発が可能になりました。CNCテクノロジーにより、多くの形状(自由曲面と呼ばれることもある)の物体の生産において大きな一歩を踏み出しました。

CNCの主な特長は、人間ではなくコンピューターが工作機械を制御することです。コンピューターは、これを最大限の精度で、非常に正確かつ効率的な方法で行うことができます。とはいえ、コンピューターには実行する操作を正確に伝えるための、特別なコマンドが必要です。これらのコマンドは、コンピュータ支援製造(CAM)およびコンピュータ支援設計(CAD)として知られるソフトウェアシステムによって生成されます。さて、ここでコンピューターが3Dの物体をどのように扱うかを簡単に見てみましょう。

頂点とは一体何で、3Dスキャンとの関連性は?

コンピューターグラフィックスと3Dスキャナの世界における頂点とは、点のさまざまな属性を記述する、データ構造を指します。任意の点の主な属性はその位置ですが、他の属性には色、反射率、座標、法線および接ベクトルなどが含まれます。

通常、頂点は線、曲線、またはエッジが集まる点であると想定されるため、この基本的なジオメトリの特性は、エッジ、フェイス、メッシュ、またはサーフェスなど、他のより複雑なジオメトリを記述するためによく使用されます。これが、一部の頂点属性情報が単なる点ではなく、点の周囲または近くの表面全体を記述する理由です。

点群データ(ポイントクラウド)は、3Dスキャナ、特に3Dレーザースキャナによって通常生成される頂点の配列です。

エッジとは?短く35文字で簡潔に説明

エッジとは、2つの点(頂点)を結ぶ直線です。フェイスの一部になることができます。

フェイス、ポリゴン、その他に関する簡潔な説明

フェイスとは、エッジの接続した並びのことです。フェイスの各頂点には、2つの接続されたエッジがあります。三角形のフェイスには3つのエッジがあり、四角形のフェイスには4つのエッジがあります。

三角形

四角形

五角形

六角形

七角形

八角形​

3つ以上のエッジを持つフェイスは、ポリゴンと呼ばれます。エッジの数に対応するギリシャ語から派生したプレフィックスと、末尾に「ゴン」がつきます。

五角形(ペンタゴンとも呼ばれます)には5つのエッジがあり、六角形には6つ、七角形には7つ、八角形には8つあります。4つ以上のエッジを持つポリゴンは、その形の構成に対応する数の三角形または四角形に置き換えることができます

3Dスキャンの世界におけるメッシュ

3Dテクノロジーにおいてメッシュ(3Dスキャナで作成されたモデルを含む)とは、コンピューターグラフィックスを介してソフトウェアでサーフェス(表面)を表現する方法を指します。簡単に言えば、メッシュは頂点とフェイスの集合体であり、頂点がフェイスをどのように構成し、どのように互いに接続されているかに関する情報を含んでいます。

通常、フェイスはどのタイプのポリゴンでも構成されますが、グラフィック処理ユニット(GPU)で実装しやすいため、ほとんどの場合、三角形が使用されます。さまざまな種類のメッシュには特定のポリゴンタイプが必要で、それらのルールはアプリケーションに依ります:

 

  • フェイス-頂点 - 頂点と、いくらかの頂点からなるポリゴンの一式。
  • ウィングド-エッジ - それぞれのエッジに、2つの頂点、2つのフェイス、そしてそれらに接する4つのエッジがあります。
  • クワッド-エッジ -  これはエッジ、ハーフエッジ、頂点で構成され、ポリゴンへの参照はありません。
  • コーナー-テーブル – これらは、定義済みのテーブルに頂点を含み、ポリゴンを定義します。

 

これは本質的に、ハードウェアグラフィックのレンダリングで使用されるトライアングルファン(一つの頂点を使いまわして扇のように三角形を作成していく方法)です。見た目はよりコンパクトで、ポリゴンの取得より効率的ですが、ポリゴンを変更する操作は遅くなります。さらに、コーナーテーブルはメッシュを完全に表現していません。ほとんどのメッシュを表すには、複数のコーナーテーブル(トライアングルファン)が必要です。

頂点-頂点-メッシュ – これらは他の頂点を指す頂点のみを使用します。これは非常にサイズ効率の高い形式ですが、実行できる効率の高いメッシュ操作の範囲は限られています。

シンプルなメッシュは手動で作成できますが、より複雑なメッシュは数学の方程式、アルゴリズム、または3Dスキャナで実際の物体をデジタルでキャプチャすることでモデル化できます。メッシュの最も重要な特徴の1つは、そのシンプルさです。同じ表面をキャプチャしてデジタルで表示する方法は複数あります。

頂点

フェイス

メッシュ

 

ボクセルと3Dスキャンについての簡単な備考

直交座標系のボリューム全体は、ボクセルと呼ばれる小さな直方体(6つの平行四辺形からなる3D図形)に分割できます。x、y、およびz軸に沿った次元が同じ場合、それらは立方体になります。この単純化の後、多くのボクセルを介し、どんなのソリッドオブジェクトも作成できます。ボクセルが小さいほど、近似はより正確になります。

ピクセル

ボクセル

ボクセル座標は、データ配列内の位置によって定義されます。データの標準的な特性とボクセルの基本的な形状により、処理は単純で信頼性の高いものになりますが、それにより、通常ストレージ用の追加ディスクスペースと処理用の多くのメモリが必要になります。2Dのデジタル画像と同様に、ボクセルのフェイスを表す長方形ではないものの表面には、離散型データが含まれます。

長方形ではないもののモデルを正確にするには、非常に小さなボクセルが含まれている必要があります。これには大量のディスク容量が必要になるため、これらの種類の物体を表すためにボクセルは一般的に使用されません。ボクセルは、複雑で多様な物体を表すのに最も効果的であるため、3Dスキャン、イメージング、およびCADソリューションでの使用に最適です。

スキャニングとその他において、ソリッド(立体)と3Dジオメトリとは?

あらゆる種類の実在する物体は、空間で一定量のボリュームを占有し、何らかの種類の材料で構成されます。ソリッドの物体をモデル化するには、スイープ、サーフェスメッシュモデリング、セル分解など、さまざまな方法があります。すべての物体には独自の境界(サーフェス)があり、ソリッドの物体の境界はスペースを2つの部分に分けます:ソリッドの内部と外部です。この方法で、ソリッドの物体は境界とメッシュなどの一部のデータで表現でき、内部と外部を分離するために使用できます。

構成的なソリッドジオメトリのCSGの結果

別のアプローチは、基本要素がすでにソリッド(球、円錐、立方体、トーラスなど)である建設的なソリッドジオメトリ、またはCSGで使用されます。そしてブール演算を介し、これらのプリミティブソリッドから、より高度なソリッドが構築されます(図7):融合、減算、交差点などです。

テクスチャ(物の質感)と、それが一体どのように3Dスキャンに影響するのか

コンピュータグラフィックスおよび3Dスキャン用語では、テクスチャとは表面(サーフェス)に描かれた画像を指します。テクスチャ画像は、UおよびV座標を持つ各ピクセルが対応する色を持つ、特別なファイルに保存されます。サーフェスにテクスチャを適用することは、テクスチャマッピングまたはUVマッピングと呼ばれます。

人間の脳はほとんどの場合、周囲の世界を視覚的に知覚するために影、色、色のグラデーションに頼っていることを考慮すると、テクスチャは、ジオメトリを変更することなく形状をエミュレートする非常に効果的な方法であり、グラフィックスをより高速かつ効率的にレンダリングするためにコンピュータゲームのメーカーによってよく使用されます。

3Dスキャナのメーカーは、テクスチャカメラと呼ばれる、テクスチャをキャプチャするための特別なカメラを組み込むことができます。高品質の画像を取得するには、スキャナ自体にフラッシュが装備されていない限り、明るく均一な照明条件が必要です。

テクスチャカラーのないサーフェス​

テクスチャカラーのあるサーフェス

テクスチャファイル

3Dテクノロジー、スキャニング、現在の使用用途と未来の3Dテクノロジーの傾向についての結論

3Dテクノロジーのさまざまな成分を理解することにより、私たちを取り巻く世界のいくつかの考えさせる側面をより明確に理解させてくれるだけでなく、3Dスキャンを含む3Dソリューションが実際にどのように機能するかについてのアイデアも提供してくれます。

特に過去20年で、3D技術は世界各国からの多くの挑戦的で重要な科学プロジェクトに参加してきました。破壊の瀬戸際にある文化遺産や物体を保存するために使用された3Dレーザースキャナとソフトウェアなども一例です。エンジニアがハンドヘルド構造化光式3Dスキャナを用い、それでできた3DモデルをCAD設計ソフトウェアを使用して複雑な表面と形状のパーツをリバースエンジニアリングしたりもしました。医師や医療専門家は、患者の3Dスキャンを行い、プロテーゼの設計、皮膚診断など、さまざまな用途に使用しました。

3Dテクノロジーの理解を深めることの重要性は、世界中で毎日ますます求められるようになってきました。社会全体で3Dテクノロジーの利用が増え続けているため、一部の専門家は、将来、家庭、学校、および職場で3Dテクノロジーの広範囲な使用を受け入れるだろうと推測しています。

 

重要なポイント

現在、航空宇宙、エンジニアリング、デジタル製造、ヘルスケア、CGIなど、さまざまな分野で3Dテクノロジーの採用が拡大しています。将来的には、スキャンの経験がある3Dスペシャリストは、スキルと専門知識に対するさらに大きな需要を期待できます。

今日の若い世代は、3Dスキャナは実験室にしかないものという観念や、過去数十年のSF映画や小説にしか登場しないものというような観念はなく、実際に身近にあるようなものという観念を持つようになってきています。毎年、プロフェッショナルの3Dスキャンは私たちの日常生活にとって身近なものになってきており、そのようなテクノロジーのメーカーは、社会のあらゆるレベルでソリューションを継ぎ目なく統合することを目指しています。その結果、子供でさえ教室で構造化光式スキャナを使用することに慣れており、医療や歯科医院でも使用されている3Dスキャナを見ることができます。かつては専門家の領域だけにのみ制限されていたものが、今や日常生活のかけがえのない一部になっています。

レーザースキャナや構造化光式スキャナなど、プロフェッショナルの3Dスキャナとソフトウェアのメーカーは、スキャナの精度と解像度の向上に大きな進歩を遂げています。それと共に、設計の専門家や他の技術専門家は、3Dスキャンを採用するようになってきました。スキャナが提供する3Dモデルを使用すれば作業の負担は軽減するし、以前は不可能または非常に難しいとされていた仕事が可能になるということに気が付いてきたからです。

技術者らは、将来子どもたちが教室の安全で快適な場所から、アマゾンの熱帯雨林やゴツゴツしたヒマラヤの山頂などを訪れるVR/AR教育アプリケーションなど、様々な使用を想定しています。医師達はすぐにあなたの体を3Dスキャンし、独自の幹細胞を使用してリアルな代替臓器や他の解剖学的構造を3Dプリントし、免疫システム拒絶の可能性を完全に排除するでしょう。この他にも、使用用途は沢山あります。

3Dスキャンの膨大な可能性を引き出すということになると、これはほんの始まりに過ぎないのです。

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Natalia Kivolya

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