■テクニカルレポーター：ナタリア・キヴォルヤ（Natalia Kivolya）

■概要：

3Dスキャンの世界に入るのは気が引けるかもしれませんが、その背後にある技術を理解すれば、すべてが明らかになります。自分の目（3Dスキャンの基本モデル）から市場に出ている最新の3Dスキャナまで、その仕組みをご紹介します。

私たちの世界にある全ての寸法を、見る、スキャンする、そしてその他の活用へ

レーザースキャナ、ストラクチャードライト方式スキャナ、デザインソフトウェア、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、私たちを取り囲み、どこにいても私たちを表現してくれる3次元ワールドとは何かについて、少し理解を深めておきましょう。私たちが3Dの世界に住んでいることは、3Dスキャナが何であるかを知らない人でも、誰もが知っています。しかし、実際のところ、「3Dの世界」とは何を意味するのでしょうか。それは、私たちを取り囲む空間が3次元であり、あらゆるものの位置が3つの数値（パラメータまたは座標とも呼ばれる）で記述できることを意味します。この3つのパラメータを指定する方法はさまざまで、そのルールを「座標系」といいます。

最も一般的な座標系：直交座標系

私たちが身の回りのものの幅、高さ、奥行きについて話すとき、直交座標系の用語を使っています – 右手系（RHS）か左手系（LHS）のどちらかになります。両者の違いは、奥行きを示すZ軸の方向だけです。

他にも、球座標系（左）、円柱座標系（右）など、いくつかの座標系が存在

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を持ち、それが表面であれその他であれ、空間内の任意の点の位置を明確に記述しているということです。これは簡単なことのように思えますが、3Dスキャナやスキャンに関して言えば、このような基本的な原理こそが、この世界を変えるテクノロジーをよりよく理解し、うまく利用するのに役立つのです。

3Dスキャナとスキャンの世界に関する寸法についての議論は、今日のプロフェッショナルな3Dスキャンソリューションとソフトウェアの精度と解像度を考慮すると、さらに重要になります。人間の目で見える範囲をはるかに超えるレベルまで、最新の3Dスキャナの性能は、信頼性と再現性の高いハードウェアとソフトウェアベースの座標系に完全に依存しています。

オブジェクトとその3Dスキャンについて

空間における位置のほかに、すべての物理的対象には次元があります。物体には0次元、1次元、2次元、3次元があります。

原子のような極めて小さいものを考えてみましょう。これはほとんど空間を取らないので点と呼ぶことができます。このように、x,y,z座標で表現できる空間上の位置を持ちながら、次元を持たないものを0次元オブジェクトと呼びます。1次元、2次元、3次元のスキャナはありますが、0次元のスキャナはありません。

1次元物体の例として、非常に細い鎖があります。各リンクは、最初と最後を除いて、2つの「隣接リンク」しかありません。

薄い紙(c)は、幅と高さに比べて3次元（厚さ）が小さいので、2次元の物体です。

3Dオブジェクトの簡単な例は箱で、幅、高さ、奥行きを持ち、3次元すべてで一定のスペースを占めます。

現在市販されている業務用3Dスキャナでは、メーカーが製品ページや製品説明書に最適な3Dスキャンの対象物のサイズを明記しています。3Dスキャナには、小型の物体用の自動デスクトップ・スキャナ、小型・中型の物体用の携帯型ストラクチャードライト方式スキャナ、大型の物体や巨大な物体用の3Dレーザー・スキャナなど、さまざまなサイズがあります。また、これらのスキャナで作成された3Dモデルは、プロフェッショナルなCADデザインソフトウェアなどを通じて、必要に応じてリサイズすることができます。

あなたと私が世界を3Dで認識する（精神的にスキャンする）方法

遠くの天体の情報のほとんどは、光によってもたらされます。光は、宇宙空間を最速で駆け巡る電磁波です。光は主に太陽からやってきますが、表面で跳ねたり、吸収されたり、反射されたりして、吸収されない限りはずっと進み続けます。光にはさまざまなことが起こります。光は反射、屈折、散乱、吸収され、経路上の物体に当たった後、その色、強度、方向などの特性を変えることもあります。

人間の目は、可視光線の方向、強さ、色などを感知する感覚器官です。眼球には水晶体があり、そこを通過した光を網膜に集めます。網膜には光に反応する特殊な細胞があり、約1億2千万個の杆体（かんたい）と6～7百万個の錐体（すいたい）で構成されています。この杆体で白と黒を、錐体で色を見ることができるのです。その色を見るために、私たちの目は周囲から光線を集め、網膜に送っているのです。

そのため、近くのものを見ると遠くのものがぼやけて見えたり、逆に近くのものを見ると遠くのものがぼやけて見えたりします。私たちは、6～7cmから無限遠までの距離をはっきりと見るために、「調節反射」と呼ばれる特殊なピント合わせのプロセスを行っています。ほとんどの場合、収容反射は反射的に働きますが、意識的にコントロールすることもできます。

図2のように、眼の水晶体に対して、対応する筋肉が必要な調整を行うことで、異なる距離にピントを合わせることを収容の一側面といいます。

人間の片目では奥行きを感じることはできませんが、ピントを合わせると同時に、近くのものと遠くのものを識別することができます。このため、第二の目があるとないとでは大違いなのです。

人間の立体視は、いわゆる「立体視効果」を利用しています。この効果は、ある物体を2つの異なる位置から見たときに、それぞれの目で見た像が似ていながらもわずかにずれて見えることを指します。このずれの大きさは、自分と対象物の奥行き（距離）に依存し、自分に近いものほどずれる傾向があります。この現象を「網膜（両眼）視差」、別名「両眼視差」といいます。

残念ながら、目の解像度は、見ているものすべてに対して同じではありません。錐体の密度が最も高いのは中心部なので、解像度と奥行き感をよくしたいのであれば、両目を直接対象物に向ける必要があるのです。近いものを見るための輻輳（図3b参照）は眼球外筋を利用し、遠くのものに焦点を合わせる場合は画角が著しく小さくなります。

網膜に映し出された2枚の画像（両眼から1枚ずつ）は、視神経を通り、様々な視覚の脳システムに送られます。脳のさまざまな部位が同時に画像を解析します。ある部分は単純な表面形状を検出し、ある部分は動きを認識し、ある部分は過去に学習した画像と比較する、などです。

最終的に、約50ミリ秒ですべての情報が私たちの意識にのぼり、見ているものの色、深さ、動き、形に気づくのです。Artec 3Dスキャナはほとんど同じように機能しますが、人間の視覚システムよりもはるかに正確に深度を測定することができます。

人間の目、3D知覚、3Dスキャナ

光の振る舞いは状況によって異なるため、3Dの視覚は必ずしもうまくいきません。

現実には、ナノメートル以上の大きさの物体はすべて3Dですが、人間の目やスキャナで物体の全面を同時に見ることは困難です。例えば、透明でない複雑な物体は、裏面が表面で遮られることがあります。特に形状が未知のものについては、3次元の全体像を把握するために、複数の視点から観察（スキャン）することが重要なのです。また、平らな面や非常に滑らかな面など、色が均一で単純な形状の大きな物体を立体的に認識することは困難な場合があります。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　

例えば、全体が淡い色で塗られた駐車場に車を停めようとしたときがその良い例です。背景がすべて同じ色で、駐車スペースの線と対照的な目に見える特徴がないと、目と脳はスペースの奥行きを認識するのに非常に苦労することになるのです。

これは、私たちの視覚がピントを合わせるためにコントラストのある画像を必要とするためで、凹凸のない均一な色の表面は、まったくコントラストがないように見えるのです。また、黒い面も同様です。

多くのプロ用3Dスキャナは、黒色や暗い色の表面をスキャンする際に、上記のような識別の難しさに直面するため、苦労しています。多くの技術者や3Dスキャンの専門家にとって、これは深刻なハードルであり、しばしば異なるスキャン戦略、あるいは全く別のスキャナが必要とされることもあります。とはいえ、少なくとも時々暗い面を3Dスキャンするのであれば、可能な限り購入前にそのような対象物で3Dスキャナの性能をテストする価値はあります。仕事に最適なスキャナを選ぶことは、精度と解像度をはるかに超えるものです。

スキャニング、CADなどによる3Dモデル

ストラクチャードライト方式スキャナ、レーザースキャナ、ソフトウェアなど、現在のプロフェッショナル向け3Dスキャンソリューションは、コンピュータテクノロジーと密接な関係があります。これにより、新しいコンピュータ制御の機械、別名CNC（Computer Numerical Control）の開発が可能になりました。CNCの技術によって、私たちはさまざまな形状の物体（自由曲面と呼ばれることもある）の製造を大きく前進させることができた。

CNCの主な考え方は、人の代わりにコンピュータが工作機械を制御することである。コンピュータは、最高レベルの精度で、非常に正確に、高効率でこれを行うことができます。しかし、コンピュータには、どのような操作を行うかを正確に伝えるための特別なコマンドが必要です。このコマンドは、CAM（Computer Aided Manufacturing）やCAD（Computer Aided Design）と呼ばれるソフトウェアシステムによって生成されます。ここでは、コンピュータがどのように3Dオブジェクトを扱うかを簡単に説明します。

頂点とは何か、そして3Dスキャンとどのような関係があるのか？

コンピュータグラフィックスや3Dスキャナの世界では、頂点とは点の様々な属性を記述したデータ構造を指します。点の主な属性は位置ですが、その他に色、反射率、座標、法線ベクトル、接線ベクトルなどが含まれます。通常、頂点は直線、曲線、エッジが集まる点として想定されるため、この基本的な形状機能は、エッジ、面、メッシュ、サーフェスなど、より複雑な形状を表現するために非常によく使われ、ます。このため、一部の頂点属性は単なる点だけでなく、点の周囲や近傍のサーフェス全体を表現します。そして点群とは、通常3Dスキャナ、特に3Dレーザースキャナで作成される頂点の配列/集合体のことを指します。

エッジとは何か？

エッジとは、2つの点（頂点）を結ぶ直線のことです。面の一部であることもあります。

面やポリゴンに関しての簡単な説明

面とは、閉じた辺の列のことです。面の各頂点は2つの接続されたエッジを持ちます。三角形の面は3つの辺を持ち、四角形の面は4つの辺を持ちます。

3つ以上の辺を持つ面は多角形と呼ばれ、辺の数に対応したギリシャ語由来の接頭辞と末尾の「gon/ゴン」で始まります。五角形は5辺、六角形は6辺、七角形は7辺、八角形は8辺となります。

4辺以上の多角形は、その形を構成する三角形または四角形の対応する数で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技術（3Dスキャナで作成したモデルも含む）におけるメッシュとは、コンピュータグラフィックスによってソフトウェア上で表面を表現する方法のことを指します。簡単に言うと、頂点と面の集まりで、頂点がどのように面を構成し、どのように面を結んでいるかという情報が含まれています。

面は通常、あらゆる種類のポリゴンで構成されますが、GPU（Graphics Processing Units）での実装が容易な三角形が使われることがほとんどです。メッシュの種類によっては、特定のポリゴンの種類が必要となり、そのルールはアプリケーションによって異なります。

Face-vertex ： 使用する頂点とそれを指し示すポリゴンのセット

Winged-edge ： 各エッジは、2つの頂点と2つの面、そしてそれらに接する4つのエッジを持つ

Quad-edge ： エッジ、ハーフエッジ、頂点からなり、ポリゴンへの言及はない

Corner-tables ：ポリゴンを定義するために、あらかじめ定義されたテーブルに頂点を格納する

これは要するに、ハードウェアグラフィックスレンダリングで使用される三角形のファンのことです。表現がコンパクトになり、ポリゴンの取得も効率的になりますが、ポリゴンを変更する操作には時間がかかります。また、コーナーテーブルではメッシュを完全に表現できません。ほとんどのメッシュを表現するためには、複数のコーナーテーブル（三角形のファン）が必要です。

ertex-vertex meshes： 他の頂点を指す頂点のみを使用するメッシュ。非常にサイズ効率の良いフォーマットですが、実行可能なメッシュ効率の良い操作の範囲は限定されます。

三角形メッシュ（三角形で構成されたポリゴンメッシュ）

簡単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式やアルゴリズム、あるいは3Dスキャナで実物をデジタルキャプチャすることでモデリングすることが可能です。メッシュの最も重要な特徴の一つは、そのシンプルさです。同じ面をキャプチャしてデジタルで表現する方法は何通りも存在します。

ボクセルと3Dスキャンについて

直交座標系における全体の体積は、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3次元図形）に分割することができます。x軸、y軸、z軸の寸法が同じであれば立方体になります。このように単純化されたボクセルの数だけ、どんな立体も作ることができますし、ボクセルが小さいほど、より正確に近似することができます。

ボクセル座標は、データ配列内の位置で定義されます。データの標準的な性質とボクセルの基本的な形状から、処理は簡単で確実ですが、通常、保存のためのディスクスペースと処理のためのメモリが余分に必要となります。2次元デジタル画像と同様に、ボクセルの面を表す非矩形面は離散的なデータを含んでいます。

非矩形モデルの精度を高めるには、非常に小さなボクセルを含む必要があります。この場合、ディスク容量が大きくなるため、ボクセルはこの種のオブジェクトの表現にはあまり使用されません。ボクセルは、複雑で多様なオブジェクトを表現するのに最も効果的であり、3Dスキャン、イメージング、CADソリューションに理想的なものです。

スキャンなどで得たソリッドや3Dジオメトリはどうか？

現実のあらゆる物体は、空間的に一定の体積を占め、何らかの物質で構成されています。ソリッドオブジェクトのモデリングには、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。どんな物体にも境界（サーフェス）があり、ソリッドオブジェクトの境界は空間をソリッドの内部と外部の2つに分けています。このように、ソリッドオブジェクトは、境界線とメッシュなどの何らかのデータで表現することができ、内部と外部を分離することができるのです。

構成的ソリッド形状CSGの結果

この場合、基本的な要素はすでに立体（球、円錐、立方体、トーリなど）であり、これらのプリミティブな立体からブール演算（融合、減算、交差など）によって、より高度な立体を構築することになります。

テクスチャと3Dスキャンへの応用

コンピュータグラフィックスや3Dスキャンの用語では、テクスチャとは表面に描かれた画像のことを指します。テクスチャ画像は、UとVの座標を持つ各ピクセルが対応する色を持っている特別なファイルに保存されます。表面へのテクスチャーの適用は、テクスチャーマッピングまたはUVマッピングと呼ばれます。

人間の脳は、影や色、グラデーションを頼りに世界を認識しているため、形状を変更せずに形状を再現できるテクスチャは非常に有効であり、コンピュータゲームのメーカーがグラフィックを高速かつ効率的に描画するためによく使用されています。

3Dスキャナのメーカーには、テクスチャーカメラと呼ばれるテクスチャーを撮影するための特殊なカメラを搭載することができます。高画質な画像を得るためには、スキャナ自体にフラッシュが搭載されていない限り、明るく均一な照明条件が必要です。

3D技術、スキャニング、現在の使用状況、今後の動向についての結論

3D技術のさまざまな構成要素を理解することは、私たちを取り巻く世界の考えさせられる側面をより明確に理解するのに役立つだけでなく、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を知る上でも役立ちます。

特に過去20年間、3Dテクノロジーは、東から西まで、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。例えば、3Dレーザースキャナとソフトウェアは、破壊寸前の文化遺産や物体の保存に使用されています。携帯型ストラクチャードライト方式3Dスキャナを使うエンジニアは、複雑な表面や形状の部品をリバースエンジニアリングし、最終段階ではその3Dモデルを使ってCAD設計ソフトウェアを使用します。

このように、3D技術の有用性を理解することは、世界中で日々重要性を増しているのです。3D技術の活用が社会全体に広がっていることから、専門家の中には、将来、家庭、学校、職場で3D技術が広く活用されるようになるだろうと言う人もいます。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　

現在、3D技術の導入は、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、さまざまな分野で拡大しています。今後、スキャニングの経験を持つ3Dスペシャリストは、そのスキルと専門性がさらに求められることになるでしょう。

今日の若い世代は、3Dスキャナを単に研究室にあるもの、あるいは過去数十年のようにSF映画や小説の中にあるものではないと考えて育ってきています。年を追うごとに、プロフェッショナルな3Dスキャニングは私たちの日常生活に近づきつつあり、こうした技術のメーカーは、社会のあらゆるレベルに自社のソリューションをシームレスに統合することを重要視しています。その結果、子供たちでさえもストラクチャードライト方式スキャナを教室で使うことに抵抗がなくなってきていますし、医療機関や歯科医院でも3Dスキャナが使われているのを見かけるようになりました。かつては専門家の領域に限られていたものが、今や私たちの日常生活にとってかけがえのないものになりつつあるのです。

レーザースキャナやストラクチャードライト方式スキャナなど、業務用3Dスキャナやソフトウェアのメーカーは、スキャナの精度と解像度を高めるために大きな進歩を遂げてきました。同時に、設計者やその他の技術専門家は、3Dスキャナとその結果得られる3Dモデルによって仕事の負担が軽減され、これまで不可能だった、あるいは極めて困難だった仕事を達成できることに気づき、以前にも増して3Dスキャンを採用しやすくなっています。

技術者は、VR/AR教育アプリケーションのようなソリューションが広く利用されることを想定しています。デジタル・デザイン・エンジニアは、3Dスキャンとモデリングを幅広く活用し、VR/AR環境を用いて設計したオブジェクトを見て対話し、希望に応じてさまざまな素材で3Dプリントするようになるでしょう。 3Dスキャンの大きな可能性を引き出すとしたら、これはほんの始まりに過ぎません。