■テクニカルレポーター：スベトラナ・ゴルベバ（Svetlana Golubeva）

■概要：

このガイドでは、最も人気のある3Dスキャン技術の1つであるレーザー3Dスキャンについて深く掘り下げています。読み終わった後には、「レーザー」と呼ばれるスキャナーの種類、その仕組み、最も便利な場所、そしてその用途について熟知していることでしょう。

◎レーザースキャナの方式分類：タイムオブフライト、位相差、三角測量

◎レーザースキャナの製品分類：ハンドヘルド、三脚据付、デスクトップ

◎レーザースキャナのレンジ分類：近距離（5mまで）、中距離（120mまで）、長距離（2kmまで）

はじめに

今日、現実世界の物体をデジタル3D空間に取り込むには、様々な方法と技術があります。デスクトップ型、ハンディ型、三脚据付型、産業用、民生用、カメラ、写真測量ソフトウェア、接触型測定システム、LiDARセンサー内蔵のスマートフォンやタブレット、モバイル、地上型、空中システムなど、さまざまなタイプの3Dスキャナで行うことが可能です。

この記事では、建設や土地測量から科学捜査や文化財保護まで、あらゆる場所で使用されている最も一般的なスキャン技術の1つ、レーザー3Dスキャンに焦点を当てたいと思います。「レーザー」と呼ばれるスキャナにはどのような種類があり、それぞれどのような仕組みになっているのか、また、これらのデバイスはどこでどのような用途に使われているのかを見ていきます。

3Dレーザースキャナとは？

レーザー3Dスキャナと聞くと、その人の経歴や専門分野によって様々なスキャン装置を想像するのではないでしょうか。例えば、工業デザイナーであれば、小型から中型の物体を近距離で捉えることができる携帯型の装置をイメージするかもしれませんし、建設業者であれば、建物や屋外全体などの大きな物体を地上から測量・計測する三脚搭載の地上型スキャナをイメージするかもしれません。一方、測量・地図作成技術者は、外出先で地形図を作成するためのスキャンシステムを搭載した車やドローンを思い浮かべるでしょう。これらのデバイスは、いずれも3Dレーザースキャナと呼ぶのが正しいでしょう。

では、レーザースキャンとは何か、どのような機器がレーザースキャナと呼べるのか。

レーザースキャンは、レーザーを光源として、現実の物体、物体群、環境から正確な3次元情報を取得するプロセスである。レーザー光を対象物に照射することで、スキャナは点群（空間における対象物の位置を定義する、正確に測定された数百万個のXYZ点）を作成します。レーザースキャナによっては、モデルを点群としてダウンロードできるものもあれば、自動的に三角メッシュに変換し、CADモデルやフルカラー3Dモデル（テクスチャーの記録が可能な場合）に変換するものもあります。

洋上で使用するために準備中の長距離レーザースキャナ（写真提供：ASOM）

レーザー3Dスキャナは、先に紹介した接触型の測定システムとは異なり、100％非接触で、壊れやすい素材の物体を捉えることができるアクティブなデバイスです。屋内だけでなく、屋外でも使用できるものがあります。日中でも夜間でも使用でき、据え置き型と携帯型の両方があります。非常に小さいものから非常に大きいものまで、幅広いスケール、幅広い対象物や場所のスキャンに使用することができます。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　
レーザースキャナは、非接触・非破壊で物体表面の無数の点のXYZ座標を取得し、寸法計算、3D環境での形状復元、空間での位置特定を驚異的な精度で行う装置である。

3Dレーザースキャナは、用途に応じて、ポータブル、ハンドヘルド、据え置き、三脚取り付けなどのスタンドアローンデバイスとして、あるいはロボットアーム、モバイルまたはエアボーン・レーザースキャンシステムなど、より複雑なソリューションの一部として提供されます。技術面では、飛行時間型、位相差型、三角測量型などのレーザースキャナがあります。

ここでは、最も一般的なレーザースキャナの種類とその仕組みについて詳しく見ていきましょう。

レーザースキャナの種類

タイムオブフライト

長距離データ取得に用いられるレーザースキャナには、まずTOF（Time of Flight｜タイムオブフライト）というタイプがあります。レーザー距離計と同じ原理で、レーザーパルスを対象物に照射し、その一部が対象物の表面で反射してスキャナに戻ります。このパルスの飛行時間によって、対象物までの距離が計算されます。距離＝（光速×飛行時間）／2）。この距離から、レーザー光線が当たった表面の微小な部分の座標を算出するという仕組みです。

タイムオブフライト：測定原理のしくみ

タイムオブフライト型3Dスキャナは、最大1,000m離れた遠くの対象物を撮影することができます。しかし、一般的な使用範囲は5～300メートルです。TOFシステムは長距離の測定が可能な反面、データキャプチャーの速度は最も遅く、1秒間に数百から数千ポイント程度となります。

TOF技術の精度は、戻ってくる信号の時間を正確に測定するシステムの能力によって決まります。精度の仕様はシステムによって異なりますが、TOFスキャナの一般的な精度は4～10mmです。最近のTOFシステムには、内蔵カメラまたは外部カメラセットによるRGBキャプションのオプションも追加されています。

位相差

位相差3Dスキャナは、レーザー光を交互に照射し、照射信号と反射信号の位相差を測定することで、対象物までの距離を判断します。タイムオブフライトスキャナとは異なり、位相差スキャナは80～最大120mと短い距離で動作し、一般的な動作範囲は1～50m程度です。

位相差測定原理のしくみ

位相差方式の3Dスキャナは、レーザースキャナの中で最も高速なスキャナに分類され、最高100万点/秒のキャプションレートを誇るシステムもあります。また、TOFスキャナよりも高い精度と解像度を誇ります。また、TOFスキャナと同様に、内部または外部のカラーキャプチャーのオプションがあります。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　
レーザースキャナはすべてレーザー光を照射しますが、照射された信号を解釈するために異なる技術を採用しています。タイムオブフライトスキャナは、照射した光が物体表面で跳ね返ってくるまでの時間を記録し、位相差型スキャナは照射した光と反射した光の位相差を測定し、三角測量型スキャナは照射した光がセンサーに戻ってくる角度を計算します。

位相差スキャナは、その高い精度により、大型ポンプ、自動車、産業機器などの中距離のスキャンに最適です。位相差スキャナとタイムオブフライトスキャナは、数メートルから数キロメートルの大きな物体や構造物を計測する地上波スキャンの用途でも使用できます。

地上型TOFおよび位相差スキャニングシステムは、三脚に固定した状態で提供され、そのまま使用することもできますが、広大な土地や立ち入れない場所の情報を必要とするプロジェクトでは陸上車両や航空車両に搭載して使用することも可能です。

三角測量

3つ目のタイプのレーザーベーススキャナは、レーザー光を照射し、インボードカメラのイメージセンサーアレイ上の特定の位置に戻すという三角測量の原理で動作するものである。対象物と3Dスキャナの距離を計算するために、レーザー光源、センサー、対象物に残されたターゲットが三角形を形成することから、三角測量の三角法を用いています。レーザー光源とセンサー間の距離、レーザーとセンサー間の角度は非常に正確に分かっています。レーザー光が対象物に当たって跳ね返り、センサーに戻る角度を測定することで、レーザー光源から対象物の表面までの距離を測定することができます。

三角測量の原理と仕組み

三角測量ベースのレーザースキャナは、イメージセンサーのダイナミックレンジが小さく、距離に応じて精度が低下するため、飛行時間型スキャナーや位相差スキャナーよりもはるかに短い距離（5メートル未満）で動作します。また、ほとんどの三角測量システムには、RGBキャプチャーのオプションが内蔵されています。

一般的に、三角測量ベースのスキャナは、メーカーによって異なりますが、1cmから2～3mのサイズの小さな物体のスキャンに最も適しています。形状としては、据え置き型、三脚に設置するタイプの三角測量スキャナーがあります。しかし、この技術は携帯型のハンドヘルド3Dスキャナーに使用されたときに最も成功を収めます。

レーザースキャナーの用途

レーザースキャナーは、建築・土木から科学捜査・考古学まで、幅広い分野で、さまざまな用途に使用されています。技術の低価格化、軽量化、小型化に伴い、より多くの産業がレーザースキャニングに取り組んでいます。以下に、これらのデバイスの有名な用途をいくつか紹介します。

リバースエンジニアリング

ストラクチャードライト方式3Dスキャナは、まず被写体の表面にストロボで光を照射して、被写体を撮影します。光がセンサーに戻ると、対象物の構造によって生じたパターンの歪みが検出され、スキャナのソフトウェアで対象物の正確なデジタル表現に変換されます。このデジタルレプリカは、3Dポリゴンメッシュの形で、リバースエンジニアリングの対象物のCADモデルを作成するために使用されます。

短距離レーザー三角法3Dスキャナーによる自動車の足回りのスキャニング

小さな機械部品から巨大な工業製品まで、レーザースキャナは製品設計や開発に携わる専門家のツールキットに不可欠な技術となっています。かつては何日もかけて分解し、手作業で細かく計測し、製品の各部分を丹念に調べなければならなかった複雑な工程が、レーザースキャニングのおかげで、サーフェスCADモデルなら数分、パラメトリックCADモデルなら数時間で完了するようになりました。レーザースキャナは、損傷や変形があり、再設計が必要だがCADデータがない部品の正確なデジタル青写真を作成するために使用されます。プロセッサーが内蔵されたポータブルなレーザースキャナは、小型や中型のものを検査するのに最適で、中型や長距離のものは大型のものに最適です。CADモデルを即座に作成することで、研究開発チームは何時間も、あるいは何日もかけて、実際の製品改良に費やすことができるようになります。

品質検査

レーザースキャナで配管を検査

製造工程のもう一つの重要な段階である品質検査は、レーザースキャナによって大きく変革された分野の一つです。従来は手作業による接触式の測定が主流でしたが、レーザースキャニングによる品質検査のワークフローは、より速く、より正確に、より多くの測定データを取得できるようになりました。その結果、繰り返しの作業が減り、製品をより早く顧客に提供できるようになりました。一度に何十ものポイント測定を行うことができ、表面に物理的に接触する必要があり、新しいパーツを検査するたびにプログラミングが必要なCMMとは異なり、レーザースキャナは、さまざまな複雑な形状の対象物を数分の一の時間で、しかも完全に非接触で数百万の測定値を取得することができるのです。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　
レーザースキャナは、リバースエンジニアリング、品質管理、フォレンジック、自動運転車など、工業生産と民生レベルの両方のアプリケーションで効果的な測定ツールであることが証明されています。

携帯型の短距離レーザー三角測量スキャナは、検査対象物の種類や位置を柔軟に変更することができます。手や動くタッチプローブでは測定できないような複雑な部品の測定に最適です。また、軽量設計のため、QAマネージャーは特定の場所やエリアに縛られることなく、より機動的に行動することができます。

長距離レーザースキャナは、大きな対象物の検査や正確で測定可能なデータの収集に最適です。また、ハンドヘルドスキャンソリューションと組み合わせて、小さな要素を詳細にキャプチャすることも可能です。レーザースキャナで取り込んだ3Dモデルは、スキャン処理ソフトウェアで処理され、CADファイルに変換されます。この段階で、元のCADモデルと比較し、公差内または公差外のパーツを特定することができます。

法医学・科学捜査

レーザー三角法3Dスキャナで犯罪現場をデジタル保存

レーザースキャナは、室内や建物、敷地内などの広い空間を撮影できるため、犯罪現場の正確な記録や捜査、事故の再現に新たなソリューションとして活用されつつあります。レーザースキャナは、写真やビデオカメラ、計測テープなどの従来の証拠収集方法とは異なり、犯罪現場全体をそのままの状態で撮影し、遺体、足跡、弾痕など、あらゆる証拠品を正確な寸法で、しかも数分のうちに撮影することが可能です。

また、死体や破損した家具、犯人が残した足跡のクローズアップスキャンなど、より高度で正確なデータが必要な場合には、プロセッサを内蔵した携帯型レーザースキャナを持ち込むことができます。一方、長距離スキャナは、空間全体をとらえるのに有効です。部屋の中央に設置し、全自動でスキャンすることで、捜査官はスキャナーを操作する必要がなく、目撃者や被害者との対話など、他の業務に従事することができます。この3Dデータにより、科学捜査の専門家は犯罪現場をより詳細に把握することができ、法廷で提出するための、より強力で決定的な証拠となる情報を得ることができます。

建設（BIM）

三脚据置型長距離レーザースキャナによる倉庫の3Dスキャン

中長距離用地上レーザースキャナも、建築家や建設技術者に人気のあるアプリケーションの一つで、建物や建設現場全体の3Dキャプチャが可能です。施設オーナーや建設プロジェクトマネージャーは、既存の建物やその状況について、正確な資料や3Dビジュアライゼーションを迅速に作成することができます。また、工事の進捗状況の確認や、新しく建設されたプロジェクトの品質検査、設計通りのモデルとの比較にも使用されています。レーザースキャナは、手作業で行っていた測定の時間とコストを削減するだけでなく、危険な場所で作業を行う際の安全性を高めることができる。レーザー3Dスキャナは、建物のライフサイクル全体を通して使用することができ、改築や新築プロジェクトに使用できる永久的で豊富な3Dデータを提供し、いつでもアクセスすることができます。

考古学

手持ちの短距離レーザースキャナでトリケラトプスの頭蓋骨を撮影（画像：David Cano / 3D Printing Colorado）

考古学の分野でも、レーザースキャナは、絶滅動物の骨1つから古代都市全体まで、考古学的発掘物の3D記録を行うために不可欠なツールとなっています。プロセッサーを内蔵した携帯型のレーザースキャナは、フィールドワークで重宝され、考古学者が完全に自律して発見したものを記録することを可能にしています。ノートパソコンやタブレット端末を持ち運ぶことなく、スキャン結果をリアルタイムで確認することができます。長距離の地上・空中レーザースキャニングシステムは、地形図作成、発掘計画、肉眼では決して見ることができない遺跡の発見などに利用されています。

レーザースキャナを使えば、トータルステーションやGPS、写真測量など他の方法よりもはるかに早く、信頼性の高い高解像度のデータを収集することができ、発掘調査における何百時間もの労働を節約することができます。また、非破壊・非接触のため、壊れやすく傷つきやすい歴史的建造物もそのままの状態で撮影することができます。収集されたデータは、考古学的な記録やバーチャルリアリティモデルの作成、修復、保存、一般向けの考古学的発見のデモンストレーションに利用することができます。

モバイルマッピング

車載型レーザーマッピング装置の一例

長距離レーザースキャナのもう一つの用途は、モバイルマッピングです。これは、陸上（車、電車、船）または空中（ドローン、ヘリコプター、飛行機）の移動体から3D地理空間データ、言い換えれば地球上のオブジェクトがどこに位置しているかを収集するプロセスです。モバイルマッピングシステムは通常、GNSS、カメラ、LiDARなど、さまざまなナビゲーションやリモートセンシング技術を搭載しています。これらの技術を組み合わせることで、道路や鉄道網の管理、都市計画、水中や地下構造の分析、発電所インフラの安全性向上、デジタル地図の設計など、専門家が環境を視覚化、記録、測定、理解することができます。

Artec 3Dレーザースキャナ

このレビューの最後に、様々なレーザースキャナの実例を紹介することにしました。Artec 3Dでは、2種類のレーザースキャナーを扱っています。1つはハンディタイプで、近距離（0.35～1.2m）の中型から大型の対象物に最適なArtec Leo、もう1つは位相差スキャナで、スキャン範囲は最大110mのArtec Rayです。

Artec Leo

Artec Leoは、中型から大型の対象物を最大0.2mmの分解能と0.1mmの精度でキャプチャするために最適

Artec Leoは、ポータブル、ハンドヘルド、多用途の三角測量ベースのストラクチャードライト方式レーザースキャナで、他の追随を許さない存在となっています。内蔵の演算装置、HDディスプレイ、Wi-Fi、バッテリーにより、他の機器（PCやタブレット）を必要とせず、リアルタイムでスキャンと結果の確認が可能です。このスキャナは、毎秒最大3500万点を取り込み、0.1mm精度、0.2mm解像度の非常に詳細な点群を瞬時に作成することができます。広い視野（最も遠いレンジで838×488mm）により、Leoは20～50cmの小さな部品から50～200cm以上の大きな物体やシーンまで、かなり多様なサイズのオブジェクトをスキャンして処理することが可能です。Leoは、光源にクラス1のVCSELレーザーを使用しており、目に入っても全く安全で、無生物と人間の両方のスキャンに使用することができます。Leoの設計は、スキャニングプロセスに完全な自律性と柔軟性を提供します。そのため、リバースエンジニアリングやCADベースの設計から、ヘルスケア、考古学、科学捜査など、幅広い用途で使用されています。

Artec Ray

Artec Rayは、最大110メートル離れた大きな物体をサブミリメートル精度で撮影することが可能

Artec Rayは、建物、飛行機、風車などの大型・超大型物体をサブミリメートル精度で捉えるために設計された位相差長距離レーザースキャナです。スキャナの撮影範囲は110mで、自身の周りを360度回転し、270度の視野角で垂直に回転することにより、1秒間に最大208,000点を捕捉することができます。Rayは多くの長距離スキャナと異なり、高精度かつクリーンなデータを取得するため、リバースエンジニアリングや品質検査などの用途に使用できます。三脚が付属しており、内蔵バッテリー、オンボードWi-Fi、スキャナのリモートコントロールを可能にするモバイルアプリにより、屋内外を問わず自律的に動作することが可能です。Artec Rayで取得したデータは、Artecのハンドヘルドスキャナで取得した、より高密度で機能豊富なスキャンデータを補完することができます。