3Dレーザースキャンとは一体何でしょうか?

2022年 1月 24日
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概要 

こちらのガイドでは、最も人気のある3Dスキャンテクノロジーの1つである「3Dレーザースキャン」について詳しく説明いたします。このガイドを読むことで、「レーザー」と呼ばれるスキャナの種類についてや、それらがどのように機能するのか、どこで最も役に立つのか、そしてそれらが何に対して使用されるのかをお学びいただけます。

技術別レーザースキャナの種類
ToF(飛行時間)、位相差、三角測量
製品別レーザースキャナの種類
ハンドヘルド、三脚つき、デスクトップ
範囲別レーザースキャナの種類
短距離(最大5 m)、中距離(最大120 m)、長距離(最大2 km)

今日、オブジェクトを現実世界からデジタルの3D空間に持ち込むには、複数の方法とテクノロジーがあります。その作業は、さまざまなタイプの3Dスキャナで行うことができます。例えばデスクトップやハンドヘルド、三脚付きのタイプや、工業用または一般消費者向けの製品があります。そして、カメラや写真測量ソフトウェアを使用するタイプや、接触型測定システムを導入しているタイプ、またはLiDARセンサーを内蔵したスマートフォンやタブレットのタイプのものもあります。さらにそれらはモバイル型や、地上型、空中システム型などに別れます。

この記事では、建設や土地の測量から法医学や遺産保存に至るまで、あらゆる場で使用されている最も人気のあるスキャン技術の1つである3Dレーザースキャンにフォーカスします。どういったタイプのスキャナが「レーザー」と呼ばれるのか、それぞれがどのように機能するのか、そしてそれらのデバイスが一体どこで何に使用されるのかを見ていきましょう。

3Dレーザースキャナとは何ですか?

人々はこの 「3Dレーザースキャナ」 という単語を聞くと、自らの経験や専門分野に応じて、なんらかのスキャンデバイスを想像するかもしれません。例えば工業設計者の場合は、短距離で小~中型オブジェクトをキャプチャできる、ポータブルのハンドヘルド型スキャナを想像するかもしれません。しかし建設作業員の場合は、建物や屋外の特定エリア全体といった、より大規模な被写体を地上から調査したり測定するための三脚に取り付けられた地上型スキャナを思い描くかもしれません。その一方で、測量およびマッピングの技術者の場合は、出張先で地形をマッピングするために使用するスキャンシステムを搭載した車やドローンが頭に浮かぶかもしれません。しかし、上記のデバイスはすべて正式に3Dレーザースキャナとみなされるので、彼らの考えはすべて正解になります。

では、レーザースキャンとは一体何でしょう?また、どういったデバイスをレーザースキャナと呼ぶことができるのでしょうか?

簡単に言うとレーザースキャンとは、レーザーを光源として使用し、実世界のオブジェクトや、オブジェクトまたは環境のグループから正確な3次元情報をキャプチャするプロセスのことです。レーザースキャナは、レーザー光をオブジェクトに投影することにより、点群を作成します。これは、空間内のオブジェクトの位置を定義する、正確に測定されたXYZ座標における数百万のポイントです。一部のレーザースキャナは、モデルを点群としてダウンロードするオプションを提供します。一方で、他のレーザースキャナはモデルを三角形状のメッシュに自動的に変換することができ、そのスキャナがテクスチャの記録ができる場合にはさらにそのメッシュをCADモデルまたはフルカラー3Dモデルに変換することが可能です。

沖つ船で使用するために準備された長距離用レーザースキャナ(写真提供:ASOM

私達が以前レビューを行った接触型の測定システムとは異なり、3Dレーザースキャナは100%非接触型で、オブジェクトを破壊してしまうリスクがないアクティブデバイスです。このスキャナでは、ソリッドで壊れやすい材料でできたオブジェクトのキャプチャが可能です。それらには屋内で作業できるものもあれば、屋外で操作できるものもあります。それらは日中でも夜でも使用が可能で、固定型としても携帯型としても利用できます。また、これらは極小サイズから特大サイズの幅広いスケールで、様々なオブジェクトやサイトをスキャンするために使用できます。

キーポイント:

非接触型で、オブジェクトを破損してしまうリスクがないレーザースキャナは、オブジェクトの表面にあるXYZ座標上の無数の点をキャプチャして、その寸法を計算することでその形状を3D環境で再構築し、空間内の位置を定義します。そして、これらすべては驚異的な精度を提供します。

アプリケーションに応じて、3Dレーザースキャナはポータブル型やハンドヘルド型、または固定型や三脚つき型などのスタンドアロンデバイスとして、もしくはロボットアームやモバイル型、または空中レーザースキャンシステムなどといった、複雑なソリューションの一部として利用されます。技術面からすると、レーザースキャナにはToF(飛行時間)、位相差、そして三角測量型があります。

最も人気のあるタイプのレーザースキャナと、それらがどのように機能するのかをこれから詳しく見てみましょう。

レーザースキャナの種類

1.ToF(飛行時間)

ここで最初にご紹介するレーザースキャナは、長距離データ取得に通常使用されるToF(飛行時間)方式のものです。このような3Dスキャナは、レーザー距離計と同じ原理で機能します。つまり、レーザーパルスがオブジェクトに送信されると、パルスの一部がオブジェクトの表面で反射され、それがスキャナに戻るという原理です。オブジェクトまでの距離は、以下に示す方程式を使用して、パルスのToFによって計算されます。距離=(光速xToF)/ 2)それからこの距離を使用して、レーザービームが当たった表面の小さなセクションの座標を計算します。

ToF測定の原理

ToF型3Dスキャナは、最大1,000メートルまで離れたオブジェクトをキャプチャすることができます。ただし、通常の許容範囲は5〜300メートルです。ToFシステムは長距離の測定ができますが、データキャプション率が最も遅く、1秒あたり数百から数千ポイントになります。

ToFテクノロジーの精度は、戻り信号の時間を正確に測定するシステムの能力によって決まります。精度の仕様はシステムによって異なりますが、ToFスキャナの一般的な精度は4〜10mmです。最近のToFシステムには、内部カメラまたは外部カメラセットのいずれかを介した追加のRGBキャプションのオプションも含まれています。

2.位相差(フェイズシフト)

位相差方式の3Dスキャナは、位相変調の周波数でレーザー光を放射し、放射信号と反射信号の位相差を測定することでオブジェクトまでの距離を決定します。ToF方式のスキャナとは異なり、位相差方式スキャナは最大80〜120メートルの短い範囲で動作し、通常の許容範囲は1〜50メートルです。

位相差方式測定の原理

位相差方式の3Dスキャナは、多くの場合、最速のレーザースキャナとして分類され、一部のシステムでは、最大100万ポイント/秒のキャプションレートが要求されます。また、これらのスキャナはToFスキャナよりも高い精度と解像度を備えています。また、ToFスキャナと同様に、位相差方式の3Dスキャナも内部または外部のカラーキャプチャオプションを含みます。

キーポイント:

すべてのレーザースキャナはレーザー光を放射しますが、インバウンド信号を解釈するために異なるテクノロジーを採用しています。ToF方式のスキャナは、放出された光がオブジェクトの表面で跳ね返ってから戻るまでにかかる時間を記録します。一方、位相差方式のスキャナは放出された信号と反射された信号の位相差を測定します。さらに三角測量スキャナはアウトバウンドビームがセンサーに戻る角度を計算します。

位相差方式のスキャナは高精度なので、大型ポンプや自動車、産業機器などの中型サイズのスキャンのニーズに最適に機能します。位相差方式とToF方式の両方は、数メートルから数キロメートルまでのより大型なオブジェクトや、構造物を調査する地上のスキャンアプリケーションでも使用できます。

地上のToFおよび位相差方式のスキャンシステムは、固定式の三脚に取り付けられた機器として提供され、広大な風景やアクセスできないエリアからの情報を必要とするプロジェクトでは、そのまま使用することも、陸上または空中にある車両に取り付けることもできます。

3.三角測量

3番目のタイプのレーザー型スキャナは、レーザー光が放出されてからそれがオブジェクトに反射されてカメラのイメージセンサーの特定の場所に戻される三角測量の原理で動作します。オブジェクトと3Dスキャナの間の距離を計算するために、このシステムは三角法による三角測量を使用します。これは、レーザー光源とセンサー、そしてオブジェクト上のターゲットの3点が三角形を形成するためです。レーザー光源とセンサーの間の距離と角度は、非常に正確にわかっています。よって、レーザー光がスキャンされたオブジェクトに当たって跳ね返ると、システムはセンサーに戻る角度、つまりレーザー光源からオブジェクトの表面までの距離を測定できるのです。

三角形量測定の原理

三角測量方式のレーザースキャナは、イメージセンサーのダイナミックレンジが小さいのでオブジェクトまでの距離が長いほど精度が低下してしまうため、ToF方式のスキャナや位相差方式のスキャナよりもはるかに短い距離(5メートル未満)で動作します。ほとんどの三角測量システムにも、内部RGBのキャプチャオプションがついてきます。

一般的に、三角測量方式のスキャナは、メーカーによって異なりますが、サイズが1 cmから2〜3mの小型オブジェクトをスキャンするのに最適です。フォームファクターにおいては、固定式の三脚に取り付けられた三角測量スキャナがあります。ただしこのテクノロジーは、ポータブルハンドヘルド3Dスキャナで使用した場合に最も成功率が高くなります。

レーザースキャナのアプリケーション

レーザースキャナは、建設や土木工学、法医学や考古学まで、広い分野でさまざまな用途に使用されています。この技術がより安く軽く、そして小さくなるにつれて、ますます多くの産業がレーザースキャンに目を向けてきています。これらのデバイスのよく知られているいくらかのアプリケーションを以下にご紹介します。

リバースエンジニアリング

短距離用で三角測量方式の3Dレーザースキャナで車の下部構造をスキャン

小型機械部品から巨大な工業用オブジェクトまで、レーザースキャナは製品の設計と開発に携わる専門家のツールキットに欠かせない技術になっています。かつては分解や細かい手動の測定に何日もかかり、製品の各部分の検査が複雑で骨の折れるプロセスになることもありましたが、レーザースキャンのおかげで、リバースエンジニアリングにかかる時間はCADのサーフェスモデルの場合はほんの数分、パラメトリックCADモデルの場合は数時間だけかかるようになりました。このスキャナは、損傷や変形している部品や、再設計が必要でもCADデータが利用できない部品の正確なデジタル設計図を作成する際に使用されます。プロセッサが組み込まれたポータブルレーザースキャナは、小~中型オブジェクトの検査に最適ですが、中~長距離用デバイスはより大きなアイテムに最適です。CADモデルを即座に作成することで、研究開発チームが実際の製品の機能強化に費やす作業時間は数時間分、もしくは数日分解放されることになります。

品質検査

レーザースキャナでパイプを検査

製造プロセスにおいてもう1つの重要な段階で、レーザースキャナが革命を起こしたもう1つの分野は、品質検査です。レーザースキャンを用いた品質検査のワークフローのおかげで、従来は手動で接触型の測定技術が主流でしたが、今でははるかに速く正確に、そして多くの測定可能なデータを使用して実行することが可能になりました。これにより、プロセスを反復する回数が少なくなり、製品をより速く顧客に配送することができます。通常、CMMは一度に数十のポイント測定値を取得でき、オブジェクトの表面と物理的に接触することに加え、検査する部品ごとに毎回異なるプログラミングを用意することが必要です。しかしその一方、レーザースキャナはさまざまなタイプのオブジェクトから数百万の測定値をキャプチャすることができ、わずかな時間で幅広く幾何学的な詳細を含ませることも可能で、しかもこれは完全に非接触型です。

キーポイント:

レーザースキャナは、リバースエンジニアリングから品質管理、フォレンジック、そして自動運転車まで、工業生産と消費者レベルの両方のアプリケーションに効果的な測定ツールであることが証明されています。

ポータブルのハンドヘルドデバイスとして提供される短距離用の三角測量方式のレーザースキャナは、検査対象の種類とその位置に対して非常に高い柔軟性を提供します。それらは手や動くタッチプローブでは測定できない非常に複雑な部品をキャプチャするのに優れています。このデバイスは軽量設計されているおかげで、品質検査の管理者は特定の場所や領域にとらわれることなく、より機動性を高めることができます。

長距離用レーザースキャナは、大型オブジェクトから正確で測定可能なデータを検査したり収集するのに最適で、小さな要素の詳細を含ませてキャプチャするためにはハンドヘルド型スキャンソリューションと組み合わせることもできます。レーザースキャナでキャプチャされた3Dモデルは、スキャン処理ソフトウェアで処理をしてから、CADファイルに変換させることができます。この段階で元のCADモデルと比較して、公差内または公差外の部品の特定が可能になります。

フォレンジック

三角測量方式の3Dレーザースキャナで犯罪現場をキャプチャ

部屋の内部や建物、または現場全体などといった広いスペースをキャプチャできる機能のおかげで、レーザースキャナは犯罪現場の正確な文書化や調査、そして事故現場の再構築をする上で頼りになる新しいソリューションになりつつあります。写真やビデオカメラ、巻尺などの従来の証拠収集方法とは異なり、レーザースキャナを使用することで捜査官は元の状態の犯罪現場全体を正確な寸法でキャプチャすることができ、人体や足跡、弾丸などのあらゆる証拠すべてをほんの数分で保存します。

プロセッサが組み込まれたポータブルのハンドヘルドレーザースキャナは、出張先で1日以内に複数の場所でスタンドアロンのアイテムをキャプチャするには最適で、それらはより多くの正確なデータが必要な場合に使用することができます。例えば、死体の詳細を含んだスキャンや損傷した家具、または犯罪者が残した足跡を追跡したスキャンなどのデータです。一方、長距離用スキャナは、空間全体をキャプチャするのに役立ちます。完全に自動的にスキャンができるように部屋の中央に置くことで、捜査官はスキャナを制御する必要がなく、目撃者や犠牲者らに事情聴取するなどして他の仕事に集中することができます。この3Dデータにより、法医学の専門家は犯罪現場のより完全で詳細を含む全体像を把握することができ、法廷で提示できるより強力で決定的なケースを構築することができます。

建設(BIM

三脚付きの長距離用レーザースキャナで倉庫を3Dスキャン

特に建築家や建設技術者達の間で人気のある、中~長距離用の地上レーザースキャナのもう1つアプリケーションは、建物や建設現場全体の3Dキャプチャです。このようなデバイスの使用で、施設の所有者や建設プロジェクトマネージャー達は、既存の建物とその状態を正確に表すドキュメントと3D視覚化をすばやく作成することができます。また、新築プロジェクトの建設や品質検査の進捗状況を追跡し、設計されたモデルと比較するためにも使用されます。レーザースキャナは、手動測定にかかる時間とコストを節約できるだけでなく、危険な場所で作業するときの安全条件も向上させます。3Dレーザースキャナは、建物のライフサイクル全体で使用でき、いつでもアクセスできる永続的で豊富な3Dデータを改修や新しい建物や改装のプロジェクトに提供します。

考古学

ハンドヘルドの短距離用レーザースキャナでトリケラトプスの頭蓋骨をキャプチャ(画像:David Cano / 3D Printing Colorado

考古学は、レーザースキャナが不可欠なツールになっているもう1つの分野です。それは、絶滅した動物の骨や古代都市全体などの考古学的発掘の3D文書化等に使用されます。プロセッサが組み込まれたポータブルのハンドヘルドレーザースキャナは、フィールドワークに役立ち、考古学者らが発見したオブジェクトをキャプチャする際に完全な自律性を実現します。内蔵されたスクリーンのおかげで、追加のラップトップやタブレットを一緒に持ち歩く必要はなく、ユーザーはスキャンした結果をリアルタイムで確認することができます。長距離用の地上および空中レーザースキャンシステムは、地図の地形や発掘計画用に、または研究者が肉眼では決して見ることができないような遺跡を発見するためにうまく適用され、それらの遺跡を隠したままにしておきます。

レーザースキャナを使用すると、考古学者らはトータルステーションやGPSデバイス、写真測量などの他の方法よりもはるかに迅速に信頼性の高い高解像度のデータが収集できるため、何百時間にも及ぶ発掘のための労力の節約ができます。オブジェクトを破損してしまうリスクがなく、非接触型のため、壊れやすくてもろい歴史的作品を元の状態でキャプチャするために使用できます。収集されたデータは考古学的な文書化や仮想現実モデルの作成、復元、保存、または公共向けの考古学的発見のデモンストレーションに使用できます。

モバイルマッピング

車載レーザーマッピングシステムの例

長距離用レーザースキャナのもう1つの用途は、モバイルマッピングです。これは、陸上(車、電車、ボート)または空中(ドローン、ヘリコプター、または飛行機)の移動車両から3D地理空間データ、つまりオブジェクトが地球上に配置されている場所を収集するプロセスです。モバイルマッピングシステムには通常、GNSS、カメラ、LiDARなどのさまざまなナビゲーションやリモートセンシングテクノロジーが搭載されています。これらすべてのテクノロジーの組み合わせが、専門家達が環境の視覚化や記録、測定そして理解をするのに役立ちます。例えば道路や鉄道のネットワーク管理や都市計画、水中または地下構造の分析、発電所インフラストラクチャの安全性の向上、そしてデジタルマップの設計など、他にも沢山挙げられます。

Artec 3Dのレーザースキャナ

今回のこのレビューもそろそろ終盤が近づいていますが、ここでレーザースキャナの実際の例をいくつか見ておきましょう。私達Artec 3Dには、2種類のレーザースキャナがあります。その1つは短距離用(0.35 – 1.2 m)ハンドヘルドのArtec Leoで、中~大型サイズのオブジェクトに最適です。 もう1つはArtec Rayで、最大110メートルの動作範囲を持つ位相差方式のスキャナです。

Artec Leo

Artec Leoは、最大0.2mmの解像度と0.1mmの精度で、中~大型オブジェクトをキャプチャするのに最適です。

Artec Leoは、ポータブルでハンドヘルドの多用途な三角測量型構造化光レーザースキャナで、他製品と一線を画しています。それはすべて内蔵されたコンピューティングユニットとHDディスプレイ、Wi-Fi、そしてバッテリーのおかげです。特にこのバッテリーは、ユーザーがPCやタブレットなどのデバイスを追加しなくてもスキャンができたり、リアルタイムで結果を確認できるようにします。このスキャナは毎秒最大3500万ポイントをキャプチャし、わずか数秒で0.1mmの精度と0.2mmの解像度を持つ非常に詳細な点群を作成することができます。この広い撮影範囲(最も遠い範囲では838×488 mm)により、Leoは、20〜50 cmの小型部品から、50〜200 cm以上の大型オブジェクトやシーンまで、さまざまなサイズをスキャンして処理できます。Leoは、クラス1 VCSELレーザーを光源として使用しています。これは、人の目に露出しても完全に安全で、物体と人体の両方のスキャンに適用することができます。Leoの設計は、スキャンプロセスに完全な自律性と柔軟性を提供するため、リバースエンジニアリングやCADベースの設計から、ヘルスケア、考古学、法医学など、そのアプリケーションは広範囲に渡っています。

Artec Ray

Artec Rayは、最大110メートル離れた場所から大型オブジェクトをサブミリメートルの精度でキャプチャができます

Artec Rayは、建物や飛行機、風力タービンなどの大~特大型オブジェクトをサブミリメートルの精度でキャプチャするよう設計された位相差方式の長距離用レーザースキャナです。このスキャナの動作範囲は110メートルで、スキャナ自体を中心にして360度回転し、270度の視野角で垂直に回転することにより、毎秒最大208,000ポイントのキャプチャができます。他の多くの長距離スキャナとは異なり、Rayは非常に正確でクリーンなデータを取得するため、リバースエンジニアリングや品質検査などのアプリケーションに適用できます。三脚が付属しており、内蔵されたバッテリーとオンボードWi-Fi、そしてスキャナのリモートコントロールを可能にするモバイルアプリのおかげで、室内外の両方から自律的にコントロールができます。Artec Rayでキャプチャされたデータは、Artecの他のハンドヘルドスキャナで取得された、より高密度で機能豊富なスキャンデータを補完することができます。

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