■概要：

LiDARは、レーザー光を使って対象面までの距離を測定するマッピング技術です。一言で言えば、部屋から広大な地形まで、あらゆる場所の3Dマップを驚くほど正確に生成することです。今回は、LiDARソリューションの機能、LiDARの種類、そしてこの技術がどのように使われているのかを見ていきましょう。

はじめに

LiDARスキャンの仕組みに入る前に、LiDARという名前の由来をご存知でしょうか。レーダーが「Radio Detection and Ranging」、ソナーが「Sound Detection and Ranging」であるように、LiDARもその頭文字を取ったものです。

「Light Detection and Ranging」または「Laser Imaging, Detection, and Ranging」、どちらを選んでもLiDARになります。

撮影できるものはさまざまです。標高や窪地、植生から都市全体まで、LiDARを使えばコンピュータの画面上で3Dマップとして見ることができ、シーンの小さな部分を拡大したり、全体をパンしたりすることができます。

例えば、LiDARの空間データ、フルカラー写真、衛星写真から作成されたニューヨークの3Dマップです。この地図は、いつも見ている他の多くの都市や町の地図と同様に、Googleマップで簡単にアクセスすることができ、高層ビル、広場、モニュメント、その他のランドマークを、どの方向からも（下を除いて）、驚くほど詳細に見ることができます。もちろん、普通の2Dビューに戻ることもできますが、2Dの地図や写真では決して表現できない巨大都市の鳥瞰図を手に入れたのに、なぜそうするのでしょう？

LiDARは、魅力的な画像を作成するだけでなく、なぜ実際に重要なのでしょうか？

LiDAR技術は、エンジニアリング、建設、都市計画など、広い面積の形状や寸法を正確に把握することで意思決定を行う分野で、大きな可能性をもたらしています。例えば、山間部に道路を建設する場合、建設資材の配分や工期を正確に把握することが必要です。また、道路の長さは、A地点とB地点を結ぶ最短距離だけでなく、途中の高低差も考慮する必要があります。巻尺とコンパスを持って森に行く？そうではありません。そんなときは、空中LiDARを使えば、素早く正確に測れます。

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

LiDAR技術は、エンジニアリング、建設、都市計画など、大規模・超大規模な表面領域の形状や寸法に関する正確な情報によって意思決定が行われる分野で、その可能性を広げています。

LiDARはどのような仕組みになっているのでしょうか？

LiDARセンサーは、レーザー光を照射することで周囲をスキャンします。光は最も近い地表に当たると跳ね返り、LiDARデバイスに戻り、LiDARデバイスは受信信号を拾います。LiDARは、使用する技術によって、ビームが戻ってくるまでの時間を記録したり、受信信号の位相シフトを分析したりして、最も近い表面までの距離を計算します。

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

LiDARは、ビームが戻ってくるまでの時間を記録したり、受信信号の位相差を分析することで、最も近い地表までの距離を算出することができます。

センサーは、送信機と受信機という2つの主要コンポーネントで構成されています。送信機は、スキャンする表面の方向に最大で数十万パルスのレーザー光を照射します。パルスが表面に到達すると、跳ね返され（後方散乱）、その信号が受信機で拾われます。タイミングエレクトロニクスは、パルスがセンサーからターゲットの表面まで移動して戻ってくるまでの時間を計算します。

この技術は、飛行時間型レーザースキャンと呼ばれています。なお、モバイルまたはエアボーンLiDARシステムには、IMU（加速度計、ジャイロスコープ、その他のセンサーからなる慣性計測ユニット）とGPSトラッカーも搭載されており、レーザーパルスが送信される各時点におけるトランシーバーのXYZ座標を取得します。これらのデータはすべてコンピューターで解析され、点群データとして地表の3Dマップが出力されます。

飛行時間のほかに、位相シフト技術もあります。位相差スキャニングでは、スキャナから照射される一定のレーザーエネルギーが利用されます。スキャナーは、戻ってくるレーザーエネルギーの位相シフトを測定し、距離を計算します。

主要な用語

飛行時間： パルスが2点間を移動する時間を利用して、2点間の距離を算出する。

位相シフト： 同じ周波数または時刻に発せられた2つの波形の間に存在する遅延を計算すること。

飛行時間型スキャナーと位相差型スキャナーの主なトレードオフの1つは、取得速度とダイナミックレンジの間にあります。飛行時間型スキャナーは、通常、1秒間に数百から数千ポイントの速度でデータを取得します。一方、位相差方式は1秒間に数十万点のデータを取得します。このため、多くのアプリケーションでは、位相差方式の方が高速にデータを取得できます。

一方、飛行時間型はダイナミックレンジが非常に広く、1メートルから1キロメートルという近距離から有用なデータを取得することができます。測定範囲が長い場合は、飛行時間型が有利です。

LiDARスキャナーの精度はどの程度ですか？

スキャナーの種類や周囲の状況によって、LiDARシステムの精度はサブミリメートル値から数十ミリメートル、数百ミリメートルに及ぶことがあります。LiDARスキャナで収集した3Dデータの精度は、さまざまな要因によって左右されます。

他のスキャナーと同様、LiDARも工場で較正された装置です。顧客に引き渡される前に、スキャナーは、反射率が既知で、デバイスからの距離が既知の何百ものターゲットまでの距離を測定するよう「訓練」されます。その結果、エラー関数が作成され、スキャナーのソフトウェアに保存されます。しかし、工場でのキャリブレーションでは、特定のプロジェクト環境でスキャナーがスキャンしなければならない可能性のあるすべてのタイプの表面をカバーすることは不可能であり、表面までの距離は、反射率がわかっている類似の表面の値に基づいて計算されることもあります。

このノイズは、個々の測定値と対象物までの平均距離との差として定義されます。レンジノイズは、主にスキャンする対象物までの距離と表面の反射率特性によって影響を受けます。

LiDARスキャナーの機械部品も誤差の対象となり、特に時間の経過とともに誤差が生じるため、メーカーは数年に一度のスキャナーの再校正を推奨しています。

最後に、風速、日射、気温、湿気などの環境条件は、レーザーパルスの後方散乱を歪め、収集したデータの品質に影響を与える可能性があります。

メーカーは、LiDARスキャナーの精度に影響を与える要因を熟知しており、これらのデバイスが比類ないレベルの精度を提供することを保証しています。このページでは、クラス最高の角度精度を誇るLiDARスキャナー、Artec Rayについてご紹介します。

LiDARの種類

LiDARには、モバイル型とエアボーン型の2種類があることはすでに説明したとおりです。この2つに定点観測を加えると、大きく3つに分かれます。

定置型LiDARスキャナー

他のすべてのLiDARは、このLiDARから派生した技術であるため、まず定置型LiDARスキャナーについて見ていきましょう。定置型LiDARスキャナーは、モバイルやエアボーンシステムに比べ、通常、カバーするエリアが狭いです。しかし、最も高い精度を誇っています。

固定式LiDARスキャナーは、リバースエンジニアリングや品質検査に広く使用されています。LiDARを使えば、陸、空、水、宇宙など、あらゆる種類の部屋、建物、乗り物をスキャンすることができます。

例えば、数十平方メートルに及ぶ配管システムの改修や、ビルの修繕計画、航空機のボディーのリバースエンジニアリングなどを想定してください。このような場合、該当する表面積の正確な寸法が必要になりますが、そのような場合に定置型LiDARスキャナーが役に立ちます。例えば、表面の一部または全部が地面から高い位置にあり、カスタマイズした足場を組まない限り、ハンドヘルドスキャナーでは到達できないような場合に、特に重要です。

構造光3Dスキャナ「Artec Eva」で内燃エンジンのクランクシャフトを3Dスキャン

では、上のスクリーンショットのような結果を得るにはどうすればいいのか、一歩踏み込んで考えてみましょう。つまり、LiDARスキャナでどのようにスキャンするのか？実は、あなたにはあまり必要ないのです。スキャナーは三脚に取り付けられ、スキャンする対象物やシーンの前に置かれます。Artec Rayは、ワンクリックでスキャンする領域のプレビューを作成し始めます。このプレビューから、スキャナーの位置を変える必要がないと判断された場合、Rayはオブジェクトやシーンの全データを完全にキャプチャします。

また、3Dスキャンデータの精度を高めたい場合や、処理段階での位置合わせをより確実にしたい場合は、ターゲットとなるものを設置することもできます。スキャナーは、どのような環境でもターゲットを簡単に検出することができ、スキャンが終わってすべてのデータが収集されると、スキャナーのソフトウェアは、ターゲットを使用することによって、すべてのスキャンを最も速く、最も効率的な方法で位置合わせします。

対象物やその周囲に配置されたターゲットの例。

LiDARタイプのスキャナーの中には、例えばArtec Rayのように、非常に高い精度レベルを提供しながら、スキャンの登録と位置合わせのために必ずしもターゲットを必要としないものもあります。Rayは、現在市販されている計測機器としては最も高度なものの一つです。ターゲットから最大110mの距離で動作するRayは、車のボディから大型の航空機やビルまで、幅広い対象物をスキャンすることができます。後者のような大規模なプロジェクトでは、大量のノイズが発生したり、スキャンの位置がずれたり、別の日に同じ場所にスキャナーを持ち込んで、1回目のスキャンでうまく捉えられなかった部分を再スキャンしなければならないようなことは、絶対に避けたいものです。

Artec Rayなら心配いりません。このスキャナーは、対象物から最大10～15メートル離れた場所でスキャンする際のサブミリ単位の距離精度と、クラス最高の角度精度を誇り、広い面積で最も正確な結果を得ることを保証してくれます。また、スキャンする対象物のプレビューを表示することで、現在のスキャナーの位置がその対象物を捉えるのに最適かどうか、あるいはデバイスの再配置を検討すべきかを確認することができます。

Artec Rayの日常的なワークフロー：メンテナンスルームで3Dデータを収集します。データはスキャナーに接続したノートパソコンだけでなく、ワイヤレスでiPadやiPhoneにもストリーミングできます。

Rayスキャンデータの精度の高さから、工業製品の3Dモデルを基にしたリバースエンジニアリング、大型機械部品の3DモデルをCADと比較した品質管理、遺産保存のための彫像の3Dデジタル化、世界中の博物館のオンラインギャラリー作成など、その応用範囲は実に幅広いです。

エアボーンLiDARスキャナーによるマッピング

LiDARセンサーで空中を移動すれば、その応用範囲はさらに広がります。新しい道路の建設や、山の尾根にパイプを通す工事、新しいゴルフコースの設計などを行う際に、エンジニアはこのような作業を行います。飛行機やヘリコプターに搭載されたLiDARスキャナは、数百平方キロメートルの3Dデータを収集することが可能です。ただし、広大な地形をカバーする一方で、空中LiDARシステムはサブミリ単位の精度を提供することができません。この場合、公差は数センチに達することがありますが、ほとんどの大規模プロジェクトではこれで十分です。

モバイルLiDARアプリケーション

精度とスキャンエリアの大きさの黄金比を実現したモバイルLiDARセンサーは、エンジニアにとってだけでなく、よりエキサイティングな展望を切り開くものです。自律走行車や自動運転車に搭載されたLiDARシステムは、周囲を継続的にスキャンし、衝突を回避するために、最も近い車両や歩行者、あらゆる障害物との距離をリアルタイムで算出します。

リモートセンシングの活用で、安全なドライブを実現。

iPad ProとiPhone Proに搭載されたLiDARスキャナー

LiDARセンサーのコンシューマーレベルのアプリケーションは、自律走行車だけに制限されるわけではありません。AppleのiPad ProとiPhone Pro（バージョン12以降）のユーザーは、LiDARテクノロジーのメリットを享受しています。最大5メートル先の物体をスキャンするこれらのガジェットは、IKEA PlaceやHot Lavaなどのアプリケーションと連携し、ユーザーの部屋をARで装飾したり、周囲の空間をゲームの課題に変身させたりすることができます。

AppleのLIDARは、製造業に必要な精度と解像度には及ばないものの、ARショッピングとゲームは、このソリューションの最も有望なアプリケーションであると大きく見られています。iPadやiPhoneにLiDARが搭載されたことで、ターゲットとなるアプリケーションの開発に拍車がかかり、3Dスキャン技術の利用者は飛躍的に拡大しました。かつては計測技術者や測量技師の領域であったものが、今ではAppleのガジェットの一般ユーザーにも受け入れられています。

まとめ

というわけで、いかがでしたでしょうか。LiDARに関しては、できること、探せる用途が非常に多いのです。この技術は、私たちの周りの都市、私たちが見る詳細な画像、私たちが運転する道路を作るのに役立っています。デジタルでもリアルでも、次に街を散策するときは、この技術について考えてみてはいかがでしょうか。

Artec RayでLiDAR技術を知り、その利点を享受してください。