レーザー3Dスキャニングとは

実在する物品をデジタル領域へ取り込む手段であふれている世界において、それがスキャナ、カメラ、フォトグラメトリ用ソフトウェア、もしくはLiDARセンサー搭載のスマートフォンのいずれであっても、利用可能な選択肢の間を上手く『航海』していくことは手に負えないものになり兼ねません。この記事では、最も幅広く利用されているスキャニング技術である、レーザー3Dスキャニングを徹底解剖していきます。

要点を絞ってご説明すると、レーザー3Dスキャニングは光パルスを高速に発することで機能し、光線はオブジェクトに反射し、スキャナのセンサー（LiDAR）へ戻ります。それぞれのパルスに対し、その送信から受信までの経過時間が計算されることで、当該スキャナとオブジェクト間の距離が測定されます。各データポイントは、既知のXYZ座標を持つピクセルへと変換されます。

LiDARスキャナのワークフローは、以下の手順に分割されます。

レーザー放射：スキャナがレーザービームを通常は肉眼では見えない、赤外線スペクトル内の高速な短パルスの形でオブジェクト上に照射します。

パルスの反射：レーザーパルスがオブジェクトに当たると、スキャナへと跳ね返ります。オブジェクトのサーフェスの色彩、テクスチャ、反射性などの特性が、レーザー光線のスキャナへの戻り方に影響を与えます。

タイム・オブ・フライト測定：スキャナが、放射したパルスがオブジェクトへ到達して戻ってくるまでの経過時間を測定します。測定された時間はその後、光速を利用して距離に変換されます。

点群生成：オブジェクト表面の複数のポイントへの距離の計算を行うことで、スキャナは点群と呼ばれる、非常に詳細なデータポイントの集まりを作成します。それぞれのポイントは、空間内の3Dでの位置を示します。

データ処理：点群は詳細な3Dモデル、もしくはマップへと処理されます。それぞれのポイントはスキャンされた空間を正確に反映しています。その上で、このデータには視覚化、分析が行われ、完成させる3Dモデルの製作に利用されます。

レーザースキャニング技術は、詳細な空間データのキャプチャの際に他の追随を許さない精度、速度、そして多用途性をご提供することで、多様な産業分野に変革をもたらしています。同技術は、建設や建築から、文化遺産や製造業に亘るまでの分野で重要な役割を果たしています。驚くほど正確な3Dデータを取得することで、レーザー3Dスキャニングは製造、修復、維持管理、及び調査研究において設計上の不一致の発生を最小限に抑え、正確なデジタル化を確実にもたらすことが可能なため、異なる分野の専門業者の方々のワークフローの質の向上を支援しています。その極めて詳細なデジタルモデル作成能力により、レーザースキャニングは手際の良い計画立案、連携の強化、及びリスク低減を実現させ、多くのプロジェクトにおいて必須のツールとなっています。

主なレーザースキャニングの用途は、以下のようなものです。

リバースエンジニアリング

3Dレーザースキャニングは、リバースエンジニアリングにおいてオブジェクトのジオメトリをキャプチャすることにより非常に重要な役割を果たしており、取得データは後に複製、加工することが可能です。例えば、予備の無いパーツ、もしくは製造中止となったパーツを機械や車両のために複製する必要の生じた企業がある場合、レーザースキャニングであれば、同企業では現物となる部品の非常に正確な3Dモデルの製作が可能となります。このようなモデルは許容値の厳しい代替パーツの製造への利用が可能で、誤差が最小限に留まる上、手作業での計測も不要となり、成果品は確実にぴったりと所定の場所に納まります。

一例として、オランダのある高速ボート製造業者の方々は、手製の高耐久性の業務用ボートのデザインを再現されました。担当された班は三艘の巨大な船舶をリバースエンジニアリング用の3Dモデルのご製作のためにスキャンされ、業務用ボートの構築は容易なものとなり、他に例を見ない精度の確保を実現されました。

品質検査

レーザースキャニングは、品質管理及び検査には欠かせません。例を挙げると、橋梁や防水壁の検査においては通常、構造の完全性、構造配置、及びサーフェスの状態の査定向けの高解像度の点群生成に利用されています。このデータにより、エンジニアの方には時間に伴う変形の特定、監視が可能となり、安全性並びに整備計画の強化のための設計仕様への準拠が確実なものとなります。

GoMeasure3D社は自社プロジェクトの一つで、運用中の陸橋直下にある全長三．二八マイルの防水壁の損傷検査の定量化を可能とする方法を発案されました。その巨大な構造物の一部をArtec Ray IIにより正確にキャプチャすることで、同社のエンジニアの方々は変形の見極め、腐食測定、維持管理の必要性の査定に最適な、高いレベルのディテールの取得を実現されました。

建設

本技術は施設の施工完了時の状態の記録、及び経時変化の記録にも役立ち、建築、構造、および建築設備（MEP）の要素のような、最も複雑な部類に該当するディテールをもキャプチャします。施設の改修時を例に取ると、3Dレーザースキャニングは現状の構造骨組、機材、及び配管についての正確なデータのご提供が可能です。このデータにより、エンジニアや建築家の方は新たなデザインをシームレスに組み込み、現存の構造物と提案された更新内容の間の不一致の発生を防ぎます。当技術の精度は、最高二～四ミリメートルまでの精度を持つ点群を生成することで、初期段階で起こり得る問題点を特定し、プロジェクトの迅速な実行をより容易なものとし、改修が正確な仕様通りに行われることを可能とします。

建築設計

3Dレーザースキャニングは、建築物のあらゆる要素の高精度の3D空間情報を提供することで建築設計を効率化します。施設の再設計の際、レーザースキャニングは空間を壁や窓から冷暖房空調設備に至るまでの目視できる特徴のすべてと共に3Dで表現するために利用されます。このデータにより、建築家の方は必要とされるすべての寸法をご用意いただけます。このことに加え、3Dスキャンデータは施設のすべての部位が設計図に適合していることを証明するために充分な程度の詳細情報をも含んでいます。

遺産保全

遺産保全の専門家の方々は、文化的史跡の非侵蝕性で高精度の記録、及び保存手段としてレーザー3Dスキャニングを頼りにされています。古代建造物、遺跡、あるいは遺跡発掘現場など、3Dによる保存対象が如何なるものであっても、レーザースキャニングはあらゆるオブジェクトの細かなディテールをキャプチャし、修復、保護、及び仮想現実での見学ツアーにご利用可能となるデジタル複製を作成します。このことで歴史や文化の保護が可能となる一方で、以上の貴重な史跡の詳細な探究、及び研究に未来の世代が携わっていくことも実現します。

このことを成就された見事な一例が、オランダのハーガ教会（Hagha Church）の物語です。修復期間中に、作業に携わった方々が教会の老朽化した木製の床の下部で墓石を発見されました。当初の目的は建物の補強でしたが、担当班の方々は新たに発見された遺産を今後も地域の人々にご鑑賞いただけるように対処されました。この実現には長距離用3Dレーザースキャナが利用され、中に含まれる未発見の『秘宝』も含めた教会全体がキャプチャされました。

発電所の維持管理、及び改修

発電所の改修では、ボイラーやタービン、配管などの現状の基礎構造の正確な記録を入手することが不可欠ですが、この業務にレーザー3Dスキャニングは必須のものとなります。一例を挙げると、年季の入った発電所の新たな環境基準を満たすための改修の際には、同テクノロジーによれば、発電所の基礎構造全体の3Dモデルの製作が可能となります。その上で、モデルはエンジニアの方が改良を計画し実施する際のお役に立ち、新たに完成した器材は現状の配置に継ぎ目も無い形で確実に納まります。更に、危険な箇所への仮想現実的な実地検証もでき、安全上のリスクを低減させることに繋がります。また、摩耗しやすい部品の特定も可能で、先を見越した維持管理スケジュールの作成、必須となる素材の寿命の延長に役立ちます。

施設向け修復品の製造

製造業においては、工場の詳細で正確な竣工時のデータは改修、及び拡張に必要となりますが、3Dレーザースキャニングは器材、構造、並びに施工過程についての正確な情報をもたらします。一例として、 乗用車製造工場で組み立てラインの改修が必要となった場合には、レーザースキャニングは新たな機械を利用可能な空間にぴったりと納める際にお役に立ちます。3Dデータは設置計画、及びすべての部品の確実でシームレスな取り付けにご利用いただけ、コストの高い設置時の取付誤差や遅れ発生の恐れを低減させます。

法医学・科学捜査

法医学捜査においては、専門業者の方に綿密な分析の目的で詳細な犯行現場や事故現場のキャプチャを安全に行う必要性が生じた際に、3Dレーザースキャニングをご採用いただけます。例えば、交通事故発生時には、レーザースキャニングは車両の位置、路面標識、あるいは照度や視界などの環境因子などを含めた事故現場の正確な3Dモデルの作成が可能です。その上で、このようなデジタルによる物証は事故の再現、法的手続きにおける支援、事故再現の専門家の方が発生状況を把握するための貴重な詳細情報の提供にご利用いただくことが可能です。

この用途のもう一つの例としては、法医人類学が挙げられます。Mercyhurst Universityでは有資格者である教授の方が、3Dスキャニングによって数百の骨をデジタル化された上で、画期的な仮想現実の講座向けの解剖学的に正確な3Dモデルの製作に利用されました。

レーザー 3D スキャニング技術は様々な分野で非常に多くの長所を発揮しますが、考慮すべき潜在的な課題もいくつかございます。 高品質のレーザースキャニング機材にはかなりの額の投資が必要となるため、主な障壁となるのはコストです。幸運にも、コスト効率が高く、それでもハイエンドのスキャナの提供するような例外的な高品質の成果を挙げることも可能なソリューションの選択によって、この課題の難易度は低減されます。

3Dスキャンデータの処理、及び分析用ソフトウェアは、特に複雑に入り組んだモデル製作向けのものについては、賢く選択する必要があります。例を挙げると、Artec Studio 19は高性能ながら直観的にご利用いただける3Dスキャニング・処理ソフトウェアであり、スキャナの潜在性を最大限に引き出す高度な機能が満載です。予算がより限られている比較的小規模の業種やプロジェクトでは、維持管理費、講習費、及びライセンス料が出費に含まれる場合も生じますが、3Dデータの品質の高さや一貫した高精度の成果のような長期にわたる恩恵により、以上の投資は価値のあるものとなります。

大容量のデータセットの管理も、レーザースキャニングの課題の一つです。3Dスキャナで生成された点群は何百万、ひいては何十億のデータポイントで構成されている場合もあるため、大容量のファイルは保存、処理、管理が難しくなり、性能の安定したソフトウェア、及び高性能のコンピューターシステムを必要とする場合が良く生じます。そのような詳細なスキャンデータを扱う場合、特にそれが大規模の構造物や空間環境のものである場合はワークフローの進行を遅れさせ、プロジェクトのスケジュールの遅延にもつながります。未加工の点群をCADドローイングやBIMモデルのような利用しやすい出力に変換することも、非常に時間がかかります。しかし、Artec Studio 19のようなツールであれば、その工程を簡略化することが可能です。巨大なデータセットを扱うよう設計された当ソフトウェアは3Dモデリング、リバースエンジニアリングや品質検査のような用途を遥かに効率的で、かつ分かりやすいものとします。

周辺の条件も、考慮に入れる必要があります。スキャンデータの正確さは光の状態、サーフェスの反射性、及び素材の特性に左右されることが多く生じます。例えば、ガラスや鏡のような反射性の高いサーフェス、もしくは非常に暗いサーフェスはデータキャプチャを複雑化させることがあり、結果的に欠落部を持つ不正確なスキャンデータの取得に繋がり兼ねません。こういった状況では、適切なスキャナ、特に光の少ない条件下や課題となるサーフェスからでもデータキャプチャが可能となる機器に頼ることが不可欠となります。Artec社の3Dレーザースキャナはこのような条件下での使用において卓越しており、最高品質の成果をお約束します。その上、Artec社によるレーザースキャニングをご利用になるには、トレーニングはそれほど必要ありません。 弊社のハードウェア、ソフトウェアは双方とも利用しやすく、習得も比較的容易です。初心者の方でも二時間以内に正確なデータの取得、及び取得結果の解釈方法を身に付けていただけます。Artec社の直観的なテクノロジーはデータ誤差、並びに誤った解釈を最小限に抑えるため、異なるレベルのエンジニアリングの専門性を持つユーザーの方々に当テクノロジーの利点をご活用していただけるようになっています。