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【Learning Vol-07】3Dボディスキャニングの基礎から応用まで
■テクニカルレポーター：スベトラナ・ゴルベバ（Svetlana Golubeva）
■概要：
カスタムメイドの義肢から完璧にフィットした衣服、3Dプリントされたフィギュアからリアルなゲームアバターまで、3Dボディスキャナは人体に関する貴重な洞察を得るための重要なツールになりつつあります。この記事では、3Dボディスキャナの種類、人体をキャプチャする際の主な課題、医療、スポーツ、衣料、エンターテインメントの各業界での活用方法についてご紹介しています。
はじめに
3Dスキャニング技術の登場は、多くの産業に新たな扉と可能性をもたらしました。ヘルスケア、フィットネス、衣料品、3Dフィギュアプリント、エンターテインメントなどの分野で人気を集めているスキャナの1つが、3Dボディスキャナです。
この種のスキャナは、人体を迅速かつ正確に3次元でキャプチャし、その形状、プロポーション、さまざまな寸法に関するデータを、従来の手作業よりも迅速かつ容易に取得するために特別に設計されています。1980年代後半に開発された3Dボディスキャン技術は、当初、既製服のフィット感を向上させるというアパレル業界のニーズの高まりに応える形で導入されました。現在では、人体の進化に関する定量的・定性的情報を迅速かつ正確に得るための手段として、スポーツからヘルスケアまで多くの分野で広く利用されています。
ここでは、さまざまな3Dボディスキャナの仕組みと、どのようなタスクに対応できるかを詳しく見ていきましょう。
3Dボディスキャナーの仕組みは？
3Dボディスキャナは、その名の通り、人体全体、または腕、脚、耳、頭などの個々のパーツをデジタルでキャプチャできるスキャナです。3Dスキャナは、3Dブースやミラーとも呼ばれ、人物を上から下まで撮影できるフルボディスキャナと、全身と個々の身体のパーツを撮影するのに適したハンディタイプの3Dスキャナがあります。また、人体をキャプチャするハードウェアとは別に、すべての生データを解析し、計測の詳細を抽出する3D処理ソフトウェアもあります。3Dボディスキャナには、ストラクチャードライト技術、レーザーライン三角測量、写真測量などに基づくものがあります。また、スマートフォンのカメラとコンピュータビジョン、機械学習アルゴリズムを用いて、人物の写真からリアルな3Dアバターを作成するモバイルアプリケーションも出てきています。
以上のことから、現在の3Dボディスキャナーは、3つのカテゴリーに分類することができます。
A. 3Dスキャンブース＆家庭用ボディスキャナ
3Dボディスキャンブースは、通常、ブースの周囲にスキャナ、センサー、デジタル一眼レフカメラ（またはその組み合わせ）を備え、あらゆる角度から身体を撮影するための据え置き型のキャビンまたはキオスクです。スキャニング技術者が必要な準備を行い、バックグラウンドでシステムのセットアップを実行する間、人（または複数の人）は一定のポーズをとってブースの中央に立ちます。
スキャニングブースの例
ブースに設置されたハードウェアとソフトウェアによっては、すべてのプロセスが数秒しかかからず、スキャンされる人が動いたり瞬きしたりせずにポーズをとり続けることが容易にできます。スキャニングの結果は、フルカラーの3Dモデルとなり、3Dプリントショップで砂岩やその他の印刷材料で印刷することができます。
3Dボディキャプチャシステムの他の例としては、3Dミラー、3Dフィッティングルーム、家庭用スキャンキットがあります。このような装置では通常、3Dイメージング技術を組み合わせて使用します。これらは、鏡や、特別なプラットフォーム（これはスケールでもあります）に立つ人の周りを回転するスタンドに組み込まれていたり、場合によっては、プラットフォーム自体が回転して人を360度動かしながら、固定されたスキャナが体の3Dスナップショットを撮影することもあります。
このようなスキャナの出力は、単なる人物のモデル（通常はテクスチャーなし）ではなく、この特定の3Dスキャナが抽出できる一連の3D測定値やパラメーターです。通常、このようなシステムは、スポーツやフィットネスで、運動中の身体の経過を追跡したり、ダイエットプログラムや衣料品ブランドで、個人の身体測定を行い、個人に合ったカスタムフィットの衣服の作成に利用されています。
B. ハンディタイプ3Dボディスキャナ
このタイプのボディ3Dスキャナはかなり以前から販売されており、全身専用の3Dブースとは異なり、身体の一部や手足を詳細に撮影することも可能です。このようなデバイスは、柔軟性と携帯性に優れており、被験者の周りに持ち運んでスキャンを実行することができます。また、スキャン結果は、スキャンブースから得られるものよりもはるかに正確です。
ハンディスキャナで子供の耳をスキャンする臨床専門医
スキャン後、出力された3Dモデル（カラーまたはテクスチャなし）は、通常、専用の3Dソフトウェアにエクスポートされ、さらに加工されます。例えば、カスタマイズされた補綴物、装具、ジュエリーやメガネなどのパーソナライズされたアクセサリーを作成することができます。
C. モバイルフォン向けボディスキャンアプリ
このようなアプリケーションは、スマートフォンのカメラ、最新のスマートフォンやタブレット端末に搭載されている3Dセンサー、AIアルゴリズムなどを活用し、わずか数枚の写真から身体測定データを取得することができます。これらのアプリケーションは通常、ハイエンドのボディスキャナーを利用できないエンドコンシューマーを対象としており、フィットネスの進捗を追跡するために不可欠な測定基準を提供したり、自分に最も合う衣類の選択を提案してオンラインショッピングを容易にしたりしています。
3Dボディスキャナのアプリケーション
3Dボディスキャナは、3Dプリントされたフィギュアの作成から身体測定データの収集まで、さまざまな用途に活用でき、医療、ダイエット、ファッションなどの分野で技術的進歩の新しい可能性を切り開くことができます。ここでは、代表的なアプリケーションとその利用業界について、いくつか考えてみましょう。
3Dプリントされたフィギアと3Dセルフィー
3Dスキャナは、3Dプリント用のリアルな人物のモデルを作成するために、実際の生活の中で使用されています。家族写真を撮るために、近所の写真館や自動販売機に行っていたのはもう昔の話です。今では、世界中のショッピングモールやセンターに設置されている地元の3Dブースで自分や大切な人の3Dポートレートを撮ったり、3Dスキャン/プリントの専門会社に3Dスキャンを依頼したりすることができます。
3Dプリンタで作られた人と犬の置物
3Dプリントされたフィギア、3Dポートレート、3Dセルフィーと呼ばれるものは、人生の大切な思い出を記録し、保存するための新しい方法なのです。3Dスキャンは、スマートフォンで写真を撮るのと同じくらい簡単で、数日後には3Dプリントされたフィギュアができあがり、机の上に置いたり、友人や家族に贈ったりすることができるのです。オランダのBellyprint社は、妊娠3ヶ月目にArtec Evaでスキャンした身体から、3Dプリントされた妊婦のフィギュアを作っています。
フィットネス
また、フィットネスクラブ、ジム、アスリート、パーソナルトレーナーやその顧客の間で人気を集めているのが、筋肉増強や脂肪減少など、特定のフィットネスやダイエット目標を達成するために体の変化を追跡するアプリケーションです。
ボディスキャナでアスリートをスキャンする様子
この3Dスキャナは、身体を3Dで撮影するだけでなく、撮影したデータを解析し、ウエストやヒップ周りなどの基本的なサイズから、体型、姿勢、体重まであらゆる測定値を抽出することができます。さらに、時間の経過とともに身体がどのように変化していくかをインタラクティブにレポーティングし、フィットネスプランの進捗を視覚的に確認・追跡することができるのです。
そのようなデバイスは通常、身体の色や質感を捉えることができず、ほとんどが形とその経時的な進行に焦点を合わせています。
ファッション
アパレル業界では、3Dスキャナが登場するはるか以前から、人体の計測を行ってきました。20世紀初頭まで、衣服はプロの仕立屋が採寸した顧客個人のサイズに合わせて、オーダーメイドで縫製されるのが一般的でした。その後、戦争が起こり、現在でも広く使われている既製服のサイズシステムが導入されました。これは衣料品業界にとって大きな進歩でしたが、それでも理想的なものではありませんでしたし、今もそうです。人の体型やサイズはさまざまであり、すべての人を標準サイズの範囲に収めることは困難です。しかし、3Dボディキャプチャの技術は、それを徐々に変えつつあります。
バーチャル試着
衣料品ブランドは、パーソナライゼーションを求める顧客にカスタムフィッティングサービスを提供するため、また、旧来の長い手作業による測定方法を置き換えるために、3Dスキャナを使い始めました。メジャーを持って顧客の周りを歩く代わりに、正確な寸法を数秒で取得し、完璧にフィットした衣服を作ることができるようになりました。
3Dスキャナを店頭の試着室に導入し、お客様が服を脱いだり試着室を出たりすることなく、より早く試着したり、色を変えたり、アクセサリーを組み合わせたりできるようにしたブランドもあります。また、ウェブストアにバーチャルフィッティングルームを導入し、顧客が自分の体に最も合う服を選び、家から出ることなく試着できるようにしているブランドもあります。お客様は自分の3Dアバターをアップロードして試着するだけで、そのフィット感を確認することができるのです。
世界的には、3Dスキャン技術を採用し、全国規模の身体測定調査を行い、3Dボディスキャンデータを収集して、サイジングシステムを改善する国も出てきています。また、一部のブランドでは、すでにこのデータを使ってサイジングシステムを改善しています。
ヘルスケア
3Dボディスキャナによって、人の体格、体型、姿勢、皮膚表面積を正確に計測し、可視化できるようになったもう一つの分野は、医療です。従来、医療従事者は、プロの仕立て屋と同じように、手作業で体のサイズや形状を測定し、そのデータをもとに健康状態を評価し、それに応じた治療を行ってきました。
患者さんの体を3Dスキャンしている様子
3Dボディスキャン技術の登場により、医師や臨床医は、わずか数秒で、患者の体の何百もの正確な測定値を完全に自動で取得することができるようになりました。そして、この外部データ（単独、またはX線、MRI、超音波、CTスキャンなどのより侵襲的な処置によるデータとの組み合わせ）を使用して、以下のことが可能になります。
- カスタムメイドの義肢や装具を作成する。
- 癌の早期発見のためのシワや色素沈着からメラノーマまでの皮膚状態、肺機能、火傷の治療法などを評価する。
- 患者の体格、体型の変化、妊娠中の反応を監視・分析し、特別な治療（例：肥満、ホルモン剤）、食事プログラム、運動を計画する。
- 薬物療法、放射線療法、化学療法の投与量を計算する。
- 美容整形手術の結果をシミュレートして可視化する。
エンタテインメント（ゲーム、映画、特撮）
3Dスキャナでキャプチャされたリアルな全身モデルは、多くの最新ビデオゲームやPCゲーム、アクション映画、VRやARアプリケーションにも広く使用されています。映画スタジオは、3Dボディスキャナで俳優の体をキャプチャし、いわゆる「デジタル・ツイン」を作成して、視覚効果や3Dアニメーションに使用しています。ビデオゲームの開発者も同じ理由で有名俳優をスキャンしています。ゼロから3Dキャラクターを作るのではなく、特定の俳優をスキャンして将来のキャラクターのベースを作っているのです。
映画「ターミネーター ジェニシス」のためにアーノルド・シュワルツェネッガーをスキャン
ゲーム開発者の中には、あらかじめ用意されたキャラクターではなく、自撮りした写真から自分専用の3Dアバターを作成し、自分自身としてプレイできるようにする人もいます。また、多くのVRやARアプリケーションでは、ユーザーがパーソナライズされた3Dアバターをアップロードし、テレビ電話やゲームの際に使用することができます。
モバイルフォン向けボディスキャンアプリ
このようなアプリケーションは、スマートフォンのカメラ、最新のスマートフォンやタブレット端末に搭載されている3Dセンサー、AIアルゴリズムなどを活用し、わずか数枚の写真から身体測定データを取得することができます。これらのアプリケーションは通常、ハイエンドのボディスキャナーを利用できないエンドコンシューマーを対象としており、フィットネスの進捗を追跡するために不可欠な測定基準を提供したり、自分に最も合う衣類の選択を提案してオンラインショッピングを容易にしたりしています。
課題への取り組み
3Dフィギュアのプリントビジネスを始めようと思っている人も、病院、整形外科クリニック、衣料品店、フィットネスクラブ、撮影、ゲームスタジオなどで3Dスキャナが必要な人も、人物をスキャンする際には、いくつか留意すべき課題があります。
1. ハンディタイプの3Dスキャナでスキャンする際の顔や体の動き
前述したように、ハンディスキャナで人物を撮影する場合、3Dボディブースで撮影するよりも少し時間がかかることがあります。そのため、スキャナを持って歩いているときに、気づかないうちに人が少し動いたり、まばたきをしたりすることがあります。それを避けるために、その人が立つ位置をあらかじめ計画しておきましょう。人体のスキャンには4～5分かかることがあります（3Dボディスキャンを始めたばかりの場合はそれ以上かかります）ので、快適で、かつ人が動かずに保持できるような安定したポーズをとるようにします。再スキャンが不可能な場合、Artec Studioのようなソフトウェアソリューションでは、キャプチャセッション中に誤って動いてしまった人のスキャンを簡単に修正することができるものもあります。
また、使用するスキャナが作業に十分で、十分な速度で処理できることを確認することも重要です。Artecのハンドヘルドスキャナは、広いキャプチャエリアを持ち、非常に高いFPS（frame per second）と組み合わせることで、視野が狭くスキャン速度が遅いデバイスよりもずっと速く身体をスキャンすることができます。
また、人は瞬きやあくびをしたり、顔の表情を変えたりするため、顔のスキャンも課題です。そのため、EvaやLeoなどの3Dスキャナでは、まず顔からスキャンを始め、次に体の他の部分をスキャンする、あるいは体とは別に頭全体をキャプチャすることをお勧めしています。顔のスキャンは非常に速く、通常5～7秒でキャプチャされます。まばたきを避けるためのもう一つのコツは、顔のスキャン中に、目の前の1点（懐中電灯の光が直接当たらないように、目の高さより少し上）を選んでもらい、そこを見てもらうことです。
また、身長が同じか高い人の場合は、顔と頭を別々に撮影すると効果的です。この場合、頭頂部を撮影することはほとんど不可能なので、相手が座った状態で撮影するのがよいでしょう。
バラク・オバマ元米大統領をArtec Evaで3Dスキャンし、史上初の3D大統領肖像画を作成しました。
動いたり、まばたきを完全に避けることはできませんが、Artec EvaやArtec Leoなど、身体全体を極めて高速でキャプチャできるプロフェッショナルなハンドヘルド3Dソリューションで作業すれば、スキャン時間を大幅に短縮することも可能です。
2. 指、耳、脇の下、髪の毛など、細くて捕捉しにくい体の部位のスキャン
ほとんどの3Dスキャナや身体専用に設計されたスキャナに共通するもう一つの課題は、指、脇の下、脚、髪、耳など、トリッキーで細く、手の届きにくい部分をキャプチャすることです。ここでは、Artecの3Dデバイスで何千人もの人をスキャンしてきた経験から学んだ、いくつかの便利なヒントをご紹介します。
手/指のスキャニング
僧侶のような忍耐力やヨガの先生のような意志がなければ、数分間、一つの場所で手を静止させるのは難しいことだと私たちは知っています。そこで、手を動かさないようにするために、スキャンされる人に手を体に近づけるか、体に当てるようにお願いすることをお勧めします。例えば、腰に当てたり、腕を体の前で交差させたりします。また、指や手を詳細にキャプチャする必要がある場合は、まず指をスキャンし、次に体の残りの部分をスキャンすると、最良の結果を得ることができますのでおすすめです。また、上半身の計測データを取得したい場合や、3Dモデルをアニメーションに使用したい場合は、TポーズやAポーズでスキャンする必要がある場合があります。
腕を腰に当てたままの場合は、肘の内側や脇の下をスキャンするため、特に注意と時間をかけるようにしてください。EvaやLeoなどのArtecスキャナでは、できるだけ多くのデータを取得するため、デバイスを前と後ろから極端な角度で持つことをお勧めします。これらの部分を十分にスキャンしないと、黒ずんだ質感が悪くなることがあります。
足のスキャニング
足は動きにくいので、一般的にはスキャンしやすい部位と言えます。それでも、いくつか注意すべき点があります。トラッキングを安定させるために、スキャンする人が色のついたカーペットやラグなど、何らかの質感のある床の上に立っていることを確認すること。両足をスキャナーの視野内に収めておくと、見える領域の量が増えます。
ダヴィド・アラバ、ArtecEvaで足をカラー3Dスキャン
スムーズなスキャニングのために、体勢を変えるときは、床面の凹凸や人の足元に本体を向けることをおすすめします。
また、両足の内側をスキャンすることを忘れないでください。スキャンを簡単にするために、スキャンを始める前に、片足を少し前に出してもらうとよいでしょう。こうすることで、人体をスキャンするときによくある問題である、脚の間の部分が融合してしまうことを防ぐことができます。
髪の毛のスキャニング
髪の毛は通常細く、乱れたり凸凹したりしているため、ボディスキャナで捉えるにはもう一つ厄介な「表面」です。直毛は一般的にスキャンしやすく、Artec 3Dスキャナーで何も準備しなくても、そのままスキャンできることがよくあります。反対に、巻き毛や太い髪、レイヤーやとがったヘアスタイルはスキャンが難しく、スキャンするために何らかの処理が必要になることがあります。
ヘアアノテーションテキストのスキャン
髪をスキャンする際には、いくつかの簡単なルールを覚えておくとよいでしょう。Artecでは、スキャンする前に髪をブラッシングして平らにすることをお勧めしています。こうすることで、スキャナのパターンをより正確に表面に投影することができ、より良いスキャンが可能になります。髪の形状がスキャンしにくい場合は、髪を梳いたり、水で湿らせたりして、少し平らにすることも可能です。
Artecスキャナは黒い髪も明るい髪も同じようにキャプチャします。また、安定したトラッキングのために、髪をキャプチャする際には常に肩がスキャナの視野に入るようにすることをお勧めします。
長い髪の人をスキャンする前に、髪が散らばらないように、髪を後ろにずらして一か所に集めるとよいでしょう。髪型によっては、どの角度からもスキャンするのが難しい場合があります。このような場合は、スキャナを長く持って、ヘアスタイルを再現するのに必要な量の表面のビットをキャプチャすることをお勧めします。
また、複雑な髪型を撮影する場合は、スキャナの感度を上げることで、より簡単に髪の表面を検出し、撮影することができます。少し前のバージョンにはなりますが、Artec Studio 12で導入された「スマート感度」機能により、髪のキャプチャがさらに簡単になりました。
3. ヘアアクセサリー、宝石、眼鏡、革製の衣服など、光沢のある黒い面や透明な面のスキャン
透明な面、光沢のある面、または黒い面は、ほとんどすべてのスキャナにとって最も読み取りにくい面であることが知られています。光沢のある表面はスキャナの光パターンを反射しやすく、黒色の表面はスキャナの光を吸収してしまうため、デバイスがオブジェクト上のパターンを識別することができないため、キャプチャが困難です。また、透明な物体も同様で、スキャナの光は何も反射することなく、ただ通過してしまいます。しかし、Artecのスキャナは、他のどのボディスキャナよりもこのような表面の撮影に優れているため、問題にはなりません。
しかし、より安定した結果を得るためには、半透明なもの、革、毛皮、ペイレットなどの黒や光沢のある素材、眼鏡や宝石などをスキャン中に身につけることはお勧めしません（またはスキャン前に外しておく）。どうしても外せない場合は、艶消しスプレーやタルクパウダーで光沢のある部分をカバーすることができます。Artecスキャナーでは、Artec Studioソフトウェアのスキャン設定を有効にして、特定のスキャン技術（例えば、90度の角度でスキャンするなど）と組み合わせることで、スキャンしにくい表面を捉えることができます。
Artec Evaでスキャンする場合、スキャン完了後、数秒間、ポーズを変えないようにお願いし、作成したスキャンに穴や欠落がないか確認することをお勧めします。万が一、身体の広い範囲を見逃してしまった場合、後で同じポーズを再現してもらうよりも、すぐにスキャンする方がずっとよいでしょう。
Artec Leoでスキャンする場合、スキャンしながらリアルタイムでタッチスクリーンパネルで全てのデータを確認できるので、そのようなことは一切必要ないのです。人体のスキャン方法について詳しくは、ビデオチュートリアルをご覧ください。
Artec3D Scanners 最適なボディスキャナは？
3Dプリント、身体測定抽出、視覚効果のために人体をスキャンする場合、Artec 3Dは複数の3Dスキャナやスキャンシステムを用意しています。
Artec EVA
Artec Evaは、中型の工業製品、家具、彫像、モニュメントから人体や体の一部まで、様々なオブジェクトをキャプチャできることが実証されているハンドヘルド型ストラクチャードライト方式の3Dスキャナです。そのスキャン能力と安全に使用できる構造光技術により、Evaは人体全体だけでなく、体の一部分だけを高精度で高解像度でキャプチャすることができます。
この装置の用途は多岐にわたり、カスタム装具、義肢、車椅子のクッションの作成、整形手術、3Dプリントされたフィギアなど、多岐にわたります。Evaは全身をカラースキャンしてプリントすることができ、かつてはバラク・オバマ大統領の初の3Dポートレートにも使用されたことがあります。
Artec EVA Lite
Eva Liteは、姉妹機のEvaのライトバージョンです。このスキャナの特徴は、精度のスペックは同じですが、スキャン時にテクスチャデータを取り込まないことです。そのため、収集するデータ量が大幅に少なく、その結果、消費電力が少なく、より手頃な価格のPCと組み合わせることができます。そのため、ヘルスケア、スポーツ、フィットネスなど、質感をあまり必要としないボディスキャン用途に、手頃な価格で最適なソリューションとなります。
Artec Leo
Artec Leoは、Artec 3Dシリーズで初めて自動オンボード処理を搭載した完全ワイヤレス型ハンドヘルド3Dスキャナです。広範な領域と細かい部分の両方をキャプチャすることができ、小さな機械部品から人体、車両、犯罪現場全体まで、様々な対象物のスキャンに使用できる、強力で汎用性の高いソリューションとして推奨されています。
Leoは、他のハンディスキャナとは異なり、タッチスクリーンディスプレイ、内蔵バッテリー、パワフルなプロセッサ、オンボードWi-Fiを搭載しています。これらにより、3Dボディスキャンはスマートフォンでビデオを撮るのと同じくらい簡単で完璧なものとなっています。スキャン結果は常に画面上でプレビューでき、どの部分をキャプチャする必要があるのか、あるいは人物に近づく/遠ざかる必要があるのかを確認することができます。すべてを搭載しているため、スキャン技術者がコンピューターに繋いで結果をプレビューする必要がなく、より速く、より快適にスキャンを行うことができます。
Leoは、有名なマルチプレイヤーFPSのミリタリーゲームの超リアルなハイポリ3Dモデルの作成、サイクリストのためのカスタムで完璧にフィットする空気力学的スキンスーツの作成、カスタム義肢などに使用されています。
