3Dスキャニング精度、精密度、及び解像度：その違いとは？

3Dスキャニングの精度はポイント当たり、もしくは体積測定的に計測が可能です。3Dスキャナの仕様のほとんどには単一スキャン精度（single-scan accuracy）が記載されていますが、これは一回でキャプチャされた画像がどの程度オブジェクトの真の寸法に近いかを表します。3Dスキャニング中にキャプチャされたオブジェクトのあらゆる角度からのスキャンデータを組み合わせた体積の計測により、体積測定上の精度を明らかにすることも可能です。

精度はスキャンデータの体積において（データごとの体積においても）スキャン方向ごとに異なるために参照オブジェクトと照らし合わせて評価され、製造企業は最悪の場合の数値を公表しています。そのため、体積精度を話題にする場合には、これは実際にはキャプチャされた「総測定体積（total measurement volume）」のことを指します。

例えば、コインをスキャンする（他の物が周りに無い）場合、総測定体積はコインそのものの体積となります。これは、スキャンする距離が変数に影響しないという意味で、いずれにしても、製造企業の公表している誤差の最低レベルを満たしています。

これと比較して、体積精度はより大規模なオブジェクトほど低くなるため、問題となるのはキャプチャされた空間の大きさの方です。このため、この仕様は大規模となるキャプチャのための3D測定システムの性能を評価する尺度として、最も有用となります。

どのような形での計測でも、現在では3Dスキャニングで達成可能な精度のレベルは見事なものです。Artec Micro IIのようなハンドヘルド式の構造化光3Dスキャニングは通常、〇．〇一から一ミリメートルの精度でサーフェスをキャプチャすることが可能ですが、更に実物に近いスキャンデータの取得も可能です。例えば、Artec Micro IIのような卓上型ソリューションは、わずか〇．〇〇五ミリメートル（五ミクロン）の偏差での3Dスキャニングが可能となります。

もちろん、上記すべての事柄には『測定不確実性』の恐れが付きまといます。スキャン精度は、ポイントクラウドとそのサイズに合う幾何形状オブジェクトとの比較により計測されることが多いのです。これは、スキャンデータには本質的に、『真の値』に対して比較できなくなる程度の誤差が生じるからです。しかし、少なくとも誤差の範囲の特定は可能で、参照値を基に測定された精度はその許容値範囲内に納まります。

距離と共に、精度の最適化にはキャプチャ時の条件、及び利用するテクノロジーも重要な基準となります。LiDARスキャナはその計測精度は構造化光よりも劣りますが、広範囲のスキャニングにより適しています。計量学的ではないフォトグラメトリの場合は精度の高いデータキャプチャの信頼度は更に低くなりますが、極めて本物のようなモデルの製作を可能とします。

データキャプチャの最適化に関しては、スキャン技術を磨くこともデータの質の向上に繋がり、スキャン状況を整えることも、過度な光量、及び温度がスキャンデータを変形させる恐れがあるため、同様に有効です。

通常は最高の成果を挙げるために機器のスキャン範囲の端部で測定される解像度は、キャプチャされた3Dデータポイントクラウドの二点間の最小増分としてとして定義されます。解像度は三角メッシュの一つ一つの大きさをも決定し、より小さいものがよりディテールに重きを置いたモデルを生成します。

しかし、新たに3Dスキャナを購入した場合は、常にその製造元による解像度の定義をご確認された方が良いでしょう。解像度の種類には、メッシュ解像度（完成モデルの最高の解像度）、3D空間解像度（space resolution、特定の空間での3Dポイントクラウド密度）、及び単一フレーム解像度（single-frame resolution、位置合わせ前の各フレーム内の3Dポイント密度）などがあります。

ご利用の用途によっては、構造的解像度（structural resolution、個別に計測可能な最小構造のサイズ）、並びに計量的解像度（metrological resolution、既知の体積と計測された量の間の識別可能な最小の変化）をご存じの方もいらっしゃると思います。

それぞれの用語には、注意すべき点が数点あります。メッシュ解像度はユーザーの方によるメッシュ化過程における設定が可能ですが、ミリメートル単位以下のレベルへ達することも可能です。しかし、これはスキャンの軌跡やノイズ、その他の数々の要素に拠るため、常に『最大』の形で表現されます。

同様に、3D空間解像度は特定の奥行部分での一平方センチメートル当たりのデータポイントの数で計測されます。そのため、計測対象の物量が機器から遠いほど、そのサーフェス上に投影するポイント数も少なくなり、スキャンデータは低解像度となります。

前述のすべての仕様が、ハードウェアに依存しているわけではありません。お持ちのスキャナが低価格のものであれば、いつでも補間（interpolation、二点間への算定済みポイントの挿入）等の技術を利用していただけます。このことで構造的解像度が劇的に向上するわけではありませんので、以前よりも小さな要素へ分解することはできませんが、メッシュ解像度は改善されます。したがって、高解像度カメラ内蔵の3Dスキャナへの投資は、最高のテクスチャのディテールを毎回キャプチャするためには最善策であると言えます。

精度は3Dスキャンされたオブジェクトの寸法に非常に近い3Dポイントクラウドの生成にかかっていますが、解像度はそのキャプチャされたポイントの数を指し、そのそれぞれの間隔の近さを表します。

そのため、精度と解像度を比較することは不可能なのです。しかし、メッシュ化後にスキャンデータの詳細度が低いほどデータの三角の数は少なくなることを考慮すると、解像度が精度に影響することはあり得ます。ディテールの質を落とすこと自体は精度が劣ることに繋がるわけではないため、この二つの評価基準は密接に関わっているわけではありませんが、精度が複数の領域の総和であることは特筆すべき点です。

このことは3Dスキャンデータキャプチャ、及び処理用ソフトウェアであるArtec Studioでも確認できますが、同機器はサーフェス上のノイズを減少させ、更なる数のポイントを生成し、効果的に精度を劇的に向上させる高解像度HDモードを搭載しています。斜面上や小規模のオブジェクトのサーフェス再現能力により、Artec StudioはCAD幾何形状のフィットにも役立ち、精度を更に向上させます。

医療から教育、航空宇宙や防衛の分野に至るまで、何処を見渡しても、3Dスキャニングは高精度、高精密度、高解像度でのデータキャプチャに活用されています。しかし、このような観点の一部が比較的、他のものよりも重要となる分野もあります。

例えば、リバースエンジニアリング向けにオブジェクトをキャプチャする場合、3Dモデリングのために元となる物品に充分近いメッシュを生成する際には、ミリメートル単位以下の精度は不可欠となります。3DMakerWorld社により3DスキャンされたSadler Vampire社製航空機を例に取りましょう。Artec Leoによりキャプチャされた〇．一ミリメートルの精度のデータ抜きでは、取引先の求めるようなスペア機をリバースエンジニアリングすることは不可能でしょう。

できる限り偏差の少ない形でジオメトリを繰り返しキャプチャする必要がある状況では、精密度を伴う3Dスキャニングは同様に重要となります。GoMeasure3D社はこのことを線路全体のキャプチャ、及び検査のためにLeoを利用することで立証していますが、これは3Dスキャニングによる列車事故の防止策としての偏差の事前の発見は可能である、というの考えに基づいています。

一方、解像度は極めて本物のようなデジタル複製を作成する3Dモデル製作者の方には必須となります。これは遺産保全、法科学、及びCGIなどの領域でも同様です。CGI分野における3Dスキャニングの更に素晴らしい利用例としては、著名な特殊効果メイクアップアーティストであるカズ・ヒロが、Leo、並びにArtec Space Spiderを利用して驚くべき詳細さで俳優の顔面をキャプチャしたことが挙げられます。

もちろん、以上はプロフェッショナル級の3Dスキャニングによりもたらされた可能性の数例に過ぎず、高精度、高精密度、及び高解像度でのキャプチャは更なる可能性を解き放つことに繋がります。