構造化光3Dスキャニングの仕組みと役割

構造化3Dスキャナが驚くべき速さと正確さでオブジェクトをキャプチャする過程について詳しくご説明するには、まず、構造化光法を理解していただく必要があります。

構造化光法は、専門的には、スキャンするオブジェクト上に3Dスキャナが照射する、正確に調整された白または青の光のパターンのことです。このパターンは通常、平行線、縞模様、若しくは格子の連続したものとなっています。

構造化光がオブジェクトの表面に当たると、光のパターンは曲面やくぼみ、隆起した領域に達すると変形します。

スキャナの投射機（左）が放射した白色光は、途中にあるグリッドを通過すると、線状、つまり縞模様の光になります。グリッドにあるバーの幅が広くなり、バーの間のスペースが狭くなるほど、グリッドの『出口』での光の線は細くなります。直線状となった光は、花瓶の曲面状の表面に当たると変形します。

この現象が起こる間、スキャナのカメラはその変形した光のパターンが反射する中、パターンのフレームを連続してキャプチャし、スキャニングソフトウェアはそのパターンを分析し、スキャンされたオブジェクトのサーフェスをデジタル3Dですべて正確に再構築するために利用します。

3Dスキャナはオブジェクトの大きさ、及び所要時間によって、一回のスキャンにおいて何十、何百、何千のフレームをキャプチャすることが可能です。

構造化光法が、非破壊的に極めて小さいものから巨大なものまでをキャプチャできることは疑いの余地のない長所であり、ソリューションによっては、白血球の半分の大きさである最大十ミクロンの精度でのキャプチャも可能なのです。

それぞれのスキャナは幅広い種類のオブジェクトの驚くほど正確なデジタル複製を作成することができますが、特定の大きさのオブジェクトのみを主に扱う場合は、その業務に最適な、特定のスキャナを入手することを考慮したほうが良いでしょう。

ぜんまいや歯車、テンプや宝石など、時計の極めて小さなパーツを定期的にスキャナする必要がある場合は、Artec Microのような、クリックのみで簡単にパーツを次々とスキャンできる、デスクトップ型構造化光スキャナの購入を真剣に考えてください。生産中止となったCNC圧延加工されたバルブやネジ式ボルト、スイッチなどの非常に小さな航空宇宙用パーツの場合でも同様です。反面、選択したオブジェクトが人体のように大規模である場合には、人間の髪の毛の太さの七分の一といったような精度はおそらく必要ありません。部屋ほどの大きさもある、実在する大規模のオブジェクトも、高品質のハンドヘルド式構造化光3Dスキャナなら、難なくキャプチャすることが可能です。

速さと携帯性

皆様のワークフローが人物や、何らかの種類の動物のデジタルでのキャプチャ工程を含んでいる場合は、オブジェクトが動いてしまう前に素早くスキャンできるソリューションを入手した方が良いでしょう。そうでなければ、スキャンデータに位置ずれが生じてしまう恐れがあり、後処理での修正が大変な作業となります。こういった場合は、ご購入を考慮されているスキャナのFPS（秒間フレーム数）をご確認ください。動くことのないオブジェクトを扱う場合以外は、その値は高いほど、より有効となります。

高速で携帯性に長け、妥協のない精度を提供するよう開発された3Dスキャナの一例が、ワイヤレスでハンドヘルド式スキャナの Artec Leo, です。毎秒フレームレートが最高八十、及び毎秒三千五百万ポイントのデータ取得速度を誇ります。

構造化光3Dスキャニングソリューションの査定においては、お取り扱いのものと同じ種類のオブジェクトのキャプチャにスキャンが使用される様子を直接ご覧いただける、実演の機会に触れることが賢明です。更に良いアイディアは、ご自身でお試しになることです。その際は、オブジェクトの準備及びスキャン、更にスキャンデータの処理作業のしやすさに特にご注目ください。

CGIや芸術作品用のフォトグラメトリには専用の3Dスキャンは必要なく、そのまま、見事なテクスチャを持つ3Dモデルの作成に使用できますが、その反面、最も顕著である精度面を含めて、欠点がないわけではありません。

次節で詳細にご説明するように、正確さが要求され、計測業水準の測定性能を持つ機器が必要となるプロジェクトで使用されている、もう一つの種類のフォトグラメトリが存在します。この節の残りの部分では、これまでにご紹介したように、CGI製作者チームや3Dモデル製作者の間でよく使用されている、従来のフォトグラメトリに焦点を絞ります。

CGIフォトグラメトリの過程は進行が遅く、時間が掛かるため、以前ご説明したように、スキャニング時にオブジェクトが少しでも動くと、完成モデルの精度や位置合わせに深刻な影響があるため、人体のキャプチャには全く使用されていません。

時間に制約のあるプロジェクトでの使用も、問題外です。信頼性のある、正確な成果を数分で上げることが、サプライチェーンの流通の妨げにならないための重要な要素となるような種類の、ほぼ全ての製造業での品質検査が、この種類のプロジェクトに当てはまります。

その上、この種類のフォトグラメトリは、何千とは言わなくとも、何百という画像をすべて処理することのできるパワフルなコンピューターが必要となる場合もあります。

芸術作品用のフォトグラメトリのもう一つの問題点は、フィードバックが遅れることです。実際のところ、画像を処理するまで、オブジェクトのすべてをキャプチャできたかどうかを確認することができないのです。その上、気付いた際には手遅れの場合もあるのです。

考古学の分野において、発掘現場や遠隔地で出土した遺品や化石が、その場所から動かせないか、若しくは移動させてはならない場合が、的確な例の一つです。

計測上の相乗効果：3Dスキャニングと計測用フォトグラメトリの併用

つい最近、計測業やその他の市場で話題となっているデジタルキャプチャソリューションの一つが、DPAフォトグラメトリ. と呼ばれる、皆さんの3Dスキャニングワークフローで使用可能な、特殊なフォトグラメトリです。CGIフォトグラメトリとは違い、このソリューションは驚くほど正確であり、山ほどある写真を繋ぎ合わせる処理作業にも長時間を必要としません。

3Dスキャニングとの併用時には、DPAフォトグラメトリはオブジェクトや場面の物理的に正確な寸法をキャプチャするため、工程の初期段階にのみ使用され、その結果は非常に正確な（最高十ミクロン）ポイントクラウドの形で3Dスキャニングソフトウェアに転送されます。

その後、既に写真でキャプチャした物品を3Dスキャンするだけで、結果として完成した3Dポリゴン状のメッシュと、フォトグラメトリによるポイントクラウドを組み合わせることにより、完成する3Dモデルは幅広い種類の計測業水準のプロジェクトに最適な、並外れたレベルの正確さと解像度を有したものとなります。

新しいテクノロジー機器の購入を決定する前には、その相対的な長所と共に、短所となる点についても把握することが大切です。この点に関して言えば、構造化光法は短所よりも遥かに多くの長所を持っています。しかしながら、ここでは敢えて、構造化光3Dスキャナがその限界を露呈し得る状況について、その数例を見ていきます。

スキャニング中のオブジェクトの過剰な動き

ハンドヘルド式構造化光3Dスキャナを用いてオブジェクトのキャプチャを行う際、スキャンの対象となるオブジェクトは静止しているか、若しくはターンテーブル上で回転している状態のように、制御された形で動いていることが望まれます。

それが期待できないような不都合な状況は、すべての3Dスキャナが多かれ少なかれ直面する事態ですが、実際、データの品質はスキャナのFPSキャプチャ率によるところが非常に大きいのです。例えば、オブジェクト、若しくはスキャナが過度に動くとスキャナはトラッキングが不可能となりますが、非常に高いFPSを持つ構造化光スキャナならば、問題とはならないのです。

3Dスキャナ及びフォトグラメトリにとってキャプチャの困難なサーフェス

どんなスキャナでも、CGIフォトグラメトリにおいてもキャプチャが困難となりがちなサーフェスが何種類か存在します。ただ、そういったサーフェスは、スキャンが全く不可能な訳ではありません。適切な準備を行い、高品質の3Dスキャナを使用すれば、無事にスキャンできる確率も向上します。

非常に暗いサーフェス： この種類のサーフェスは、通常ではそれほどお目にかかるものではありませんが、存在することは確かであり、構造化光の光線を簡単に吸収するため、光のパターンがスキャナのカメラの位置まで反射しなくなってしまいます。もし、付属のソフトウェアにユーザーの調整できる感度設定があるスキャナをお持ちであれば、スキャンデータのプレビューにおいて、サーフェスがスキャナにはっきりと認識されるまで感度を上げてみましょう。

クロムやその他の光沢のある金属などの高反射性のサーフェス： 構造化光の光線がこの種類のサーフェスに当たると、光線は予測不可能な方向へ跳ね返ってしまうため、スキャナのカメラが技術的に変形した光のパターンの正確な画像を適切にキャプチャすることができなくなります。この場合は、異なる様々な角度やあらゆる距離からオブジェクトのスキャニングを行ってみてください。時には、オブジェクトに対して直角となる場所からスキャンしないよう、スキャナの位置を変えたり、角度を調整したりすることで問題が解決することもあります。この解決法によれば、構造化光の光線はカメラへ直接反射されるのではなく、よりゆっくりと分散されるようになります。

ガラス状、透明、若しくは半透明なサーフェス：スキャナの構造化光の光線が素材を通過したり、若しくは照射された際に拡散されたりする場合、その光線はカメラへは反射されないため、真のサーフェスジオメトリの記録が不可能となります。このようなサーフェスが構造化光の光線を吸収したり拡散したりすることを防ぎ、光線を正しく反射させるようにするための解決方法は豊富にあります。DIY的な方法としては、スキャン対象のオブジェクト上にコーンスターチやベビーパウダーを振りかけることも可能です。同様に、どんなサーフェスからも数分から数時間の間に蒸発するような、高品質の艶消しスプレーも数種類販売されています。

毛髪や毛皮で覆われたサーフェス： 構造化光の光線がこの種類のサーフェスに照射された際には、光は複数の方向へ反射されるため、スキャナのカメラは光のパターンを充分にキャプチャすることができなくなり、オブジェクトの実際のサーフェスジオメトリを判別することが不可能になります。もし、暗いサーフェスと同様に、お持ちのスキャナ付属のソフトウェアに感度調節機能があれば、スキャナが毛髪の細かいジオメトリを検出できるよう、感度を非常に高い状態に設定してください。頭部のスキャンの場合は、『耳から耳へ』、片方の耳から頭のてっぺんへ向けてスキャナを動かし、もう片方の耳へ下がっていくようにスキャンするよう心掛けてください。また、首や肩をできるだけスキャナの視野内に常に納まるようにすれば、スキャニングソフトウェアがそういった箇所を参照として使用できるようになります。

非常に薄いオブジェクト（またはその一部）: これは、対象となるオブジェクトのサーフェス領域が小さすぎて、構造化光の光線を照射した際、スキャナのカメラに充分な量の光を反射させることができない場合です。例えば、スキャナがオブジェクトの薄い一端をキャプチャする際、サーフェス領域が数ミリの厚さしかない場合です。多くの場合、この難点は、スキャナの視界にカラフルな背景、若しくはパターンの入った背景を設置することで解決可能です。スキャンの対象となる薄いオブジェクトやサーフェス領域のすぐ後ろに、テキスト、幾何形状や模様の描かれた紙を設置するだけで充分です。

埋め込まれたサーフェスや深い刻み目： ハンドヘルド式スキャナなら、このような領域も比較的キャプチャしやすくはなるものの、スキャナの性能に関わらず、構造化光の光線がキャプチャしているオブジェクトや場面の一部に届かず、スキャナのカメラに反射させることができない場合は、スキャナが情報を認識できないことから、キャプチャは不可能となります。この場合、スキャナによっては、他の機器よりも上手くいくものもありますし、同様に、光の届きにくい種類のサーフェスに対する最も効果的なソリューションとして、視覚的にスキャンデータの幅広い種類の部分的特徴を認識し、高解像度のカラーの3Dでサーフェスの再構築をデジタルで行うことのできる、AI駆動型のスキャニングソフトウェアを使用することも一つの方法です。